TP virtuel sur l'absorption des rayonnements : α, β et γ

Ce TP virtuel sur l'absorption des rayonnements correspond au programme de GCSE sur la pénétration des rayonnements alpha, bêta et gamma, et au TP obligatoire (required practical) d'AQA A-level Physics sur la loi en inverse du carré pour les rayons gamma. Les élèves mesurent le bruit de fond avec un tube de Geiger–Müller, comptent une source bêta à travers du papier et de l'aluminium de plus en plus épais, comparent alpha et gamma, et corrigent chaque taux de comptage du bruit de fond. Les comptages sont aléatoires, comme avec de vraies sources, donc les élèves rencontrent aussi l'incertitude √N. Aucun établissement n'a besoin d'une source scellée ni d'une évaluation des risques radiologiques pour le faire.

Liens avec les programmes

• AQA GCSE Physics 4.4.2.1 (propriétés des rayonnements alpha, bêta et gamma) : pénétration dans les matériaux, portée dans l'air et pouvoir ionisant.
• AQA A-level Physics 3.8.1.2, TP obligatoire 12 : la loi en inverse du carré pour le rayonnement gamma, avec une correction du bruit de fond et de la position inconnue de la source.
• IB Physics E.3 (désintégration radioactive) et Cambridge IGCSE Physics 5.2 (détection et propriétés des rayonnements).

Simulic n'est pas affilié à AQA, à l'IB, à Cambridge ni à aucun organisme d'examen, et n'est pas approuvé par eux.

Avant le TP (5 min)

Demandez aux élèves de s'engager sur une prédiction, sur papier ou en question 1 du lien de classe :

« Quel est l'absorbant le plus fin qui arrête presque tout le rayonnement bêta de la source ? »

Les élèves choisissent souvent le plomb « parce que les rayonnements, ça demande du plomb », ou le papier « parce que c'est comme l'alpha ». Demandez une justification pour chaque réponse.

Protocole dans la simulation

Restez sur l'onglet Absorption. Réglez Vitesse sur Instantané et Durée de comptage sur 100 s pour que chaque comptage soit rapide et précis.

1. Cliquez sur Compter le fond. Notez le taux de bruit de fond B.
2. Choisissez la source β (type Sr-90), l'absorbant Aucun et une Distance d de 3 cm. Cliquez sur Lancer le comptage. La simulation affiche N, N/t et le taux corrigé C = N/t − B.
3. Choisissez Papier (0,1 mm), puis Aluminium de 0,5 ; 1 ; 2 ; 3 et 4 mm. Faites un comptage pour chacun et notez C.
4. Passez à γ (type Co-60) : comptez sans absorbant, puis avec du Plomb de 10 mm et de 20 mm.
5. Passez à α (type Am-241) sans absorbant à d = 2, 3 et 4 cm, puis avec du papier à 3 cm.
6. Tracez C en fonction de l'épaisseur d'aluminium pour le rayonnement bêta.

Source	Absorbant	Épaisseur (mm)	d (cm)	N en 100 s	N/t (s⁻¹)	C = N/t − B (s⁻¹)
Bruit de fond	—	—	—			—
β	aucun / papier / aluminium	0 / 0,1 / 0,5 / 1 / 2 / 3 / 4	3
γ	aucun / plomb	0 / 10 / 20	3
α	aucun / papier	0 / 0,1	2 / 3 / 4

Résultats attendus

Comptages typiques de 100 s dans la simulation (chaque répétition varie un peu) :

• Bruit de fond : environ 0,40 coup/s, soit 24 par minute. Un seul comptage de 100 s donne de 0,31 à 0,51.
• Bêta à 3 cm : sans absorbant 159 s⁻¹ ; papier 151 ; aluminium de 0,5 mm 65, de 1 mm 26,5, de 2 mm 4,1, de 3 mm 0,4, de 4 mm 0. À travers 1 mm, environ 16,6 % passe (de 15,9 à 17,3 % sur 30 essais).
• Gamma à 3 cm : sans absorbant 164 s⁻¹ ; 8 mm d'aluminium en laissent encore passer 145 ; 10 mm de plomb environ 84 (51 %), 20 mm environ 43.
• Alpha : 48 s⁻¹ à 2 cm, 22 à 3 cm et presque rien à 4 cm ; une feuille de papier l'arrête complètement.

À partir de 4 mm d'aluminium, la lecture brute de la source bêta est égale au bruit de fond, donc C est nul. Sans la correction du bruit de fond, les élèves concluraient à tort qu'un peu de bêta passe.

Inverse du carré (A-level). Dans l'onglet Inverse du carré, comptez la source gamma à 5, 10, 20 et 30 cm. C passe d'environ 72 à 21 ; 5,8 et 2,6 s⁻¹. Doubler d de 10 à 20 cm divise C par environ 3,7, et non par 4, car la source se trouve derrière le zéro de la règle. Le graphique de 1/√C en fonction de d est une droite ; le meilleur ajustement de la simulation donne e ≈ 0,9 à 1,2 cm (valeur vraie 0,9 cm).

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) Quel est l'absorbant le plus fin qui arrête presque tout le rayonnement bêta ?
2. Quand vous comparez des absorbants pour la source bêta, qu'est-ce qui doit rester identique ?
3. Source bêta, d = 3 cm, sans absorbant, 100 s : quel est le taux de comptage corrigé ?
4. Ajoutez 1 mm d'aluminium. Quel pourcentage du taux de comptage bêta passe ?
5. Avec 5 mm d'aluminium, le compteur crépite toujours. Expliquez pourquoi, et pourquoi on soustrait le bruit de fond.

Réponses pour l'enseignant : (1) Quelques millimètres d'aluminium. (2) La source et sa distance au tube. (3) Environ 159 s⁻¹ (accepter de 155 à 164). (4) Environ 16,6 % (accepter de 15 à 18,5 %). (5) Toutes les particules bêta sont arrêtées ; les clics viennent du rayonnement de fond (environ 0,4 par seconde, issu des roches, des bâtiments et des rayons cosmiques). Il est présent dans toutes les lectures, donc il faut le mesurer et le soustraire.

Idées fausses fréquentes

• « Le plomb arrête les rayons gamma. » Le plomb ne fait que les atténuer : 10 mm divisent le taux par deux, 20 mm en laissent un quart.
• « Une lecture nulle veut dire zéro coup. » Le tube compte toujours le bruit de fond, donc la lecture brute ne descend jamais sous environ 0,4 s⁻¹.
• « Un comptage répété devrait donner le même nombre. » La désintégration est aléatoire. Un comptage plus long donne un N plus grand et une incertitude relative plus petite, 1/√N.

Prolongement

• Onglet Champs : comparez la déviation des rayonnements alpha et bêta dans des champs magnétique et électrique, et expliquez pourquoi le gamma va tout droit.
• Épaisseur de demi-atténuation : comptez le gamma à travers 0 à 30 mm de plomb et trouvez l'épaisseur qui divise C par deux (environ 10 mm).

Questions fréquentes

Peut-on remplacer le vrai TP sans risque ?

La simulation ne présente aucun risque, mais elle ne remplace pas le travail pratique quand votre organisme d'examen l'exige. Utilisez-la pour préparer le protocole, s'entraîner à la correction du bruit de fond et analyser des données. Voir laboratoires virtuels ou réels.

Pourquoi mes élèves obtiennent-ils des nombres différents ?

Chaque comptage est aléatoire (loi de Poisson), comme avec une vraie source. C'est un atout : comparez les résultats de la classe et discutez de l'incertitude.

Puis-je imposer les réglages à ma classe ?

Oui. Dans votre lien de classe, réglez les valeurs de départ de la source, de l'absorbant, de l'épaisseur, de la distance et de la durée de comptage. La note sous la simulation indique les valeurs du modèle, comme le taux de bruit de fond.

Simulations et guides associés

Désintégration radioactive – loi de décroissance et demi-vie Diffusion de Rutherford – particules alpha, noyau et modèle de Thomson

Pour d'autres activités de physique, voir les idées de leçons de physique interactives. Pour mener la prédiction comme un cycle complet, voir prédire, observer, expliquer avec des simulations.