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Décroissance radioactive et demi-vie

Un noyau radioactif a une probabilité de se désintégrer au cours du temps. Pour un grand ensemble de noyaux identiques, le nombre de noyaux non désintégrés suit une loi exponentielle.

Lire une décroissance exponentielle

La demi-vie décrit une population, pas l’horloge d’un noyau individuel

Une désintégration radioactive est un processus probabiliste. Pour un grand nombre de noyaux identiques, la loi exponentielle donne une évolution très prévisible. En revanche, on ne peut pas annoncer l’instant exact où un noyau particulier va se désintégrer.

100 %départ
50 %1 demi-vie
25 %2 demi-vies
12,5 %3 demi-vies

Si N₀ est le nombre initial de noyaux non désintégrés, on peut écrire N(t)=N₀e−λt. La demi-vie T1/2 vérifie T1/2=ln(2)/λ.

ExempleUn échantillon contient initialement 8000 noyaux radioactifs. Après trois demi-vies, il en reste en moyenne 8000 × (1/2)³ = 1000 non désintégrés.
Ce qui est prévisible

La proportion moyenne restant après une durée donnée, pour un ensemble suffisamment grand.

Ce qui ne l’est pas

Le moment exact du prochain événement de désintégration pour un noyau particulier.

Comment lire un exercice de demi-vie

  1. Repérez la demi-vie et le temps écoulé.
  2. Comptez le nombre de demi-vies écoulées.
  3. Multipliez la quantité initiale par (1/2)n.
  4. Vérifiez que le résultat décroît sans jamais devenir négatif.
Référence vérifiée : données et supports de physique nucléaire de l’AIEA.
Deux descriptions complémentaires
À l’échelle d’un noyau

On parle de probabilité de désintégration ; l’instant exact reste imprévisible.

À l’échelle d’un échantillon

La loi exponentielle décrit très bien l’évolution moyenne du nombre de noyaux.

Activité radioactive

L’activité A mesure le nombre de désintégrations par seconde et s’exprime en becquerels : 1 Bq = 1 s⁻¹. Pour un ensemble de noyaux identiques, A = λN. Comme N diminue au cours du temps, l’activité diminue avec la même loi exponentielle.

Exemple d’activitéSi un échantillon a une activité initiale de 1600 Bq et une demi-vie donnée, son activité moyenne tombe à 800 Bq après une demi-vie, 400 Bq après deux et 200 Bq après trois.

Ce que la demi-vie ne signifie pas

Elle ne signifie pas que chaque noyau « vit » exactement pendant T1/2. Après une demi-vie, certains noyaux se sont désintégrés très tôt, d’autres sont toujours présents. La demi-vie décrit une population statistique, de la même manière qu’une probabilité peut être très stable sur un grand nombre d’événements sans prédire chaque événement individuel.

Erreur fréquente : décroissance linéaire

La quantité ne perd pas chaque fois la même valeur absolue : elle perd la même fraction pendant des intervalles de même durée. C’est pourquoi la courbe est exponentielle et non une droite.

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La loi exponentielle

On écrit N(t) = N₀e⁻ˡᵃᵐᵇᵈᵃt, où N₀ est le nombre initial de noyaux et λ la constante de désintégration. L’activité A = λN suit la même dépendance temporelle.

La demi-vie

La demi-vie t₁/₂ est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initiaux restent non désintégrés en moyenne. Elle vérifie t₁/₂ = ln(2)/λ.

Après trois demi-vies

La fraction moyenne restante vaut (1/2)³ = 1/8, soit 12,5 % de la quantité initiale.

Une désintégration individuelle reste imprévisible

La loi exponentielle décrit statistiquement une population de noyaux. Elle ne permet pas de prévoir l’instant exact où un noyau particulier se désintégrera.

La demi-vie ne signifie pas que la radioactivité s’arrête : après chaque demi-vie, la quantité restante est encore divisée par deux.