Examen 2025-2026 Exercice 2

Exercice 2 – Désintégration du Soufre 35 | Radioactivité β⁻

🧪 Exercice 2 : Désintégration du soufre 35

Radioactivité β⁻ · Période · Activité · Classification des déchets 2,5 points
1. Équation de la désintégration β⁻ 0,25 + 0,25 + 0,25 + 0,25

Le soufre 35 est radioactif β⁻ : il émet un électron et un antineutrino (non représenté dans l’équation bilan classique).
Équation générique : \[ ^{35}_{16}\text{S} \;\rightarrow\; ^{A}_{Z}\text{Y} \;+\; ^{A’}_{Z’}\text{e} \] L’électron est noté \(^{0}_{-1}\text{e}\).

Conservation du nombre de nucléons : \(35 = A + 0 \Rightarrow A = 35\)
Conservation de la charge électrique : \(16 = Z + (-1) \Rightarrow Z = 17\)
Le noyau fils est donc le chlore 35 : \(^{35}_{17}\text{Cl}\).
\[ \boxed{^{35}_{16}\text{S} \;\rightarrow\; ^{35}_{17}\text{Cl} \;+\; ^{0}_{-1}\text{e}} \]

✔ Noyau fils : chlore 35 \( (Z=17) \).

2. Énergie libérée par désintégration 0,25 + 0,25 + 0,25

L’énergie libérée (valeur absolue du défaut de masse) est donnée par la relation d’Einstein :

\[ E_{\text{lib}} = \big| \Delta E \big| = \left| \big( m(^{35}_{17}\text{Cl}) + m(^{0}_{-1}\text{e}) – m(^{35}_{16}\text{S}) \big) \cdot c^2 \right| \]

Avec les masses en u.m.a et \(1\,\text{u} \cdot c^2 = 931,5\ \text{MeV}\).
Données fournies :
\(m(^{35}_{17}\text{Cl}) = 34,95954\ \text{u}\) ; \(m(^{0}_{-1}\text{e}) = 5,4856\times 10^{-4}\ \text{u}\) ; \(m(^{35}_{16}\text{S}) = 34,96027\ \text{u}\).

\[ \begin{aligned} \Delta m &= (34,95954 + 0,00054856) – 34,96027 \\ &= 34,96008856 – 34,96027 \\ &= -1,8144 \times 10^{-4}\ \text{u} \\ |\Delta m| &= 1,8144\times 10^{-4}\ \text{u} \end{aligned} \] \[ E_{\text{lib}} = 1,8144\times 10^{-4} \times 931,5 \ \text{MeV} \] \[ E_{\text{lib}} \approx 0,169 \ \text{MeV} \]

✅ Énergie libérée = \(0,169\ \text{MeV}\)

3. Demi-vie et classification des déchets 0,5

Graphique (activité en fonction du temps) : l’activité initiale est \(a_0 = 8 \times 10^{16}\ \text{Bq}\).
À \(t = t_{1/2}\), l’activité vaut \(a(t_{1/2}) = a_0 / 2 = 4 \times 10^{16}\ \text{Bq}\).

📈 Lecture graphique : l’abscisse correspondant à \(4 \times 10^{16}\ \text{Bq}\) donne \(t_{1/2} = 87\ \text{jours}\).

Comparaison avec le seuil : \(t_{1/2} = 87\ \text{jours} < 100\ \text{jours}\).
D’après la réglementation (déchets à vie très courte — VTC), le soufre 35 appartient à la catégorie déchets de très courte période (VTC).

\[ t_{1/2} = 87\ \text{jours} \quad\Rightarrow\quad \text{catégorie VTC} \]
4. Temps de décroissance pour atteindre \(a(t_d) = 10^{8}\ \text{Bq}\) 0,5 + 0,25

Loi de décroissance radioactive : \(a(t) = a_0 \cdot e^{-\lambda t}\).
On cherche \(t_d\) tel que \(a(t_d) = 10^{8}\ \text{Bq}\) avec \(a_0 = 8\times 10^{16}\ \text{Bq}\).

\[ e^{-\lambda t_d} = \frac{a(t_d)}{a_0} \quad\Rightarrow\quad t_d = -\frac{1}{\lambda} \ln\!\left(\frac{a(t_d)}{a_0}\right) \] \[ \lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} \quad\Rightarrow\quad t_d = -\frac{t_{1/2}}{\ln 2} \cdot \ln\!\left( \frac{a(t_d)}{a_0} \right) \]

Application numérique : \(t_{1/2} = 87,4\ \text{jours}\) (valeur précise issue de l’énoncé).
\[ \frac{a(t_d)}{a_0} = \frac{10^{8}}{8\times 10^{16}} = 1,25 \times 10^{-9} \] \[ \ln\!\left(1,25\times 10^{-9}\right) = \ln(1,25) + \ln(10^{-9}) = 0,22314 – 20,72327 \approx -20,50013 \] \[ t_d = -\frac{87,4}{\ln 2} \times (-20,50013) = \frac{87,4}{0,693147} \times 20,50013 \] \[ \frac{87,4}{0,693147} \approx 126,09 \quad\Rightarrow\quad t_d \approx 126,09 \times 20,50013 \approx 2584,8\ \text{jours} \]

\[ t_d \approx 2585\ \text{jours} \quad\Rightarrow\quad t_d = 7\ \text{ans} \ \text{(arrondi)} \]

✔ Durée nécessaire pour que l’activité devienne inférieure à \(10^{8}\ \text{Bq}\).

Note : \(t_{1/2}\) prise à 87,4 jours pour cohérence avec le calcul final, en accord avec la donnée.


📋 Synthèse – Désintégration du \(^{35}_{16}\text{S}\) :

  • Équation : \(^{35}_{16}\text{S} \rightarrow ^{35}_{17}\text{Cl} + ^{0}_{-1}e\)
  • Énergie libérée : \(E_{lib} = 0,169\ \text{MeV}\)
  • Demi-vie : \(t_{1/2} = 87\ \text{jours}\) ⇒ déchet VTC (très courte période)
  • Durée de décroissance jusqu’à \(10^8\ \text{Bq}\) : \(2585\ \text{jours} \approx 7\ \text{ans}\)
🔬 Correction détaillée – Lois de conservation, défaut de masse, décroissance radioactive – Radiochimie β⁻