Protons énergétiques |
➔ |
Pondichéry 2013 - Exercice 1 - 5,5 points |
Des protons énergétiques sont des protons animés d’une grande vitesse.
1. Le proton
|
Document 1 : Les interactions dans le noyau
Dans un noyau atomique, trois interactions fondamentales sont mises en jeu entre les nucléons (protons et neutrons) : l’interaction gravitationnelle, l’interaction électrique et l’interaction nucléaire forte. L’interaction gravitationnelle est attractive ; dans un noyau, elle est nettement plus faible que l’interaction électrique répulsive entre protons. C’est l’interaction nucléaire forte qui assure la cohésion du noyau atomique. |
Document 2 : Les quarks constitutifs du proton
Le proton est composé de trois particules : deux quarks up et un quark down. Les quarks sont des particules élémentaires qui portent une fraction de la charge électrique du proton. La charge d’un quark down est \(\displaystyle\mathrm{ - \frac{e}{3} } \). |
1.1. L’interaction forte est-elle attractive ou répulsive ? Est-elle plus ou moins intense que l’interaction électrique ? Justifier vos réponses à l’aide du document 1.
|
Document 3 : Rayonnement cosmique
La Terre est arrosée constamment par une pluie de particules, nommée rayonnement cosmique. Ce phénomène est le résultat de l’arrivée de particules énergétiques (provenant du Soleil, de la galaxie et plus globalement de tout l’Univers) dans la haute atmosphère terrestre. Ces particules, principalement des protons (87 %) entrent en collision avec les noyaux des molécules de l’atmosphère. Les produits de ces collisions primaires heurtent à leur tour d’autres noyaux produisant ainsi une gerbe de particules secondaires. Certaines parviennent jusqu’au sol, d’autres sont absorbées par l’atmosphère, et d’autres encore induisent de nouvelles réactions qui donneront naissance à des particules tertiaires, etc… Une seule particule cosmique très énergétique peut générer une gerbe contenant plusieurs milliards de particules (voir figure 1). Plusieurs types de particules atteignent le sol. Parmi ces particules on trouve les muons.
|
Document 4 : Rayons cosmiques relativistes
On peut appliquer avec une bonne approximation les lois de la mécanique classique, à toute particule animée d’une vitesse inférieure à 10 % de la célérité de la lumière dans le vide, et utiliser l’expression de l’énergie cinétique \(\displaystyle\mathrm{ E_C= \frac{1}{2} \ m \ v^2 } \). Lorsqu’on est dans cette situation, la particule est dite « classique ». Dans le cas contraire, la particule est dite « relativiste ». Par exemple, les protons les plus énergétiques des rayons cosmiques sont relativistes. Ils sont d’origine extrasolaire et leur énergie cinétique est typiquement comprise en 100 MeV et 10 GeV. |
2.1. Calculer, en joule puis en mégaélectron-volt, l’énergie cinétique d’un proton animé d’une vitesse égale à 10 % de la célérité c de la lumière dans le vide.
|
Document 5 : La détection des muons au niveau du sol terrestre
Les muons sont des particules élémentaires voisines de l’électron mais beaucoup plus massives. Ceux qui sont observés au niveau du sol sont créés dans la haute atmosphère à 20 km d’altitude, lors de la collision de protons (appartenant au rayonnement cosmique) avec les noyaux des atomes de l’atmosphère (voir figure 1). Ils voyagent à une vitesse de valeur très élevée (v = 0,9997c). Pour un observateur terrestre, 67 µs sont nécessaires aux muons pour traverser l’atmosphère et atteindre le sol. Or, les muons sont très instables et diverses expériences ont montré que leur durée de vie propre n’est que ∆t0 = 2,2 µs. Cette durée de vie est donc a priori insuffisante pour leur permettre d’atteindre la surface de la Terre.
|
3.1. Expliquer pourquoi les muons sont des particules relativistes.
|
Document 6 : Les différentes radiothérapies
La radiothérapie (thérapie par rayonnement) est un moyen de traitement du cancer dans lequel les cellules cancéreuses sont détruites par un rayonnement. Si ce rayonnement est électromagnétique (rayons X ou rayons gamma), on parle de photonthérapie. S’il s’agit d’un faisceau de protons, on parle de protonthérapie.
Figure 2 : Énergie déposée dans un tissu en fonction de la profondeur de pénétration du faisceau.
|
4.1. Pour l’exemple de la figure 2, déterminer à quelle profondeur doit se trouver la tumeur traitée pour que la protonthérapie soit la plus efficace. Justifier votre réponse. 4.2. Lequel des deux traitements respecte le mieux « l’art de la radiothérapie » ? Deux arguments sont attendus. |