COURS DE SCIENCES PHYSIQUES Classe de BAC TECHNO

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1 NOM et Prénom de l élève : COURS DE SCIENCES PHYSIQUES Classe de BAC TECHNO ① LA STRUCTURE DE L ATOME ② LES TRANSFORMATIONS NUCLÉAIRES ③ LA PÉRIODE RADIOACTIVE OU DEMI-VIE ④ MASSE ET ÉNERGIE OBJECTIFS DES ACTIVITÉS Connaître la composition d un noyau. Être capable de définir un isotope. Connaître les trois types de transformations nucléaires. Evaluer le danger d un rayonnement radioactif. Comprendre la décroissance radioactive ou demi-vie Etre capable de calculer un défaut de masse. Et calculer l énergie libérée lors d une transformation nucléaire. 1

2 Activité ① 1- Les constituants de l atome Un atome est constitué d une partie centrale (le noyau), de charge positive, autour duquel gravitent des électrons (le nuage électronique) de charge négative. L ensemble est électriquement neutre. Le noyau est lui-même constitué de nucléons (protons et neutrons). -19 Particules entrant dans la composition d un atome. Charge élémentaire : e = 1,6 10 C (Coulomb) Masse (en Kg) Charge Atome Noyau Nucléons Proton mp = 1, Neutron mn = 1, Nuage électronique Electron me = 9, Notation symbolique On représente un atome sous la forme : X : symbolise la formule chimique de l élément. Z : se nomme le numéro atomique ou nombre de charge. Il est égal au nombre de protons. A : est le nombre de nucléons ou nombre de masse. Il correspond au nombre total de nucléons présents dans le noyau de l atome (protons + neutrons soit A = Z + N). Le nombre de neutrons N d un atome est donné par la relation : N = A Z 3- Electro-neutralité de l atome Un atome est un édifice électriquement neutre (de charge nulle). On en déduit que l atome possède autant de protons (P+) que d électrons (e-). 2

3 4- Application Exemple : L atome d uranium Donner la valeur numérique de A et de Z. Puis déterminer le nombre de protons, d électrons et de neutrons de cet atome. Justifier les réponses. 5- Les isotopes Soit 3 atomes d hydrogènes de compositions différentes ; Compléter le tableau en indiquant le nombre de protons, d électrons et de neutrons. Nombre de protons Nombre d électrons Nombre de neutrons Des noyaux qui appartiennent au même élément chimique mais qui diffèrent par leur nombre de neutrons sont appelés isotopes. Les isotopes ont même numéro atomique Z et un nombre de nucléons (A) différent. Ex : Trouver le nombre de protons et neutrons pour chacun des 3 isotopes du carbone L élément carbone : ; ; (3 isotopes ) 3

4 Activité ② 1- Transformations nucléaires Ces transformations se passent au niveau du noyau atomique de l atome. (A l opposé des transformations chimiques qui ne concernent que les électrons situés dans le nuage électronique). Ces transformations nucléaires vont aussi vérifier des lois de conservation : - Conservation du nombre de masse (A) - Conservation de la charge électrique (Z) Il existe trois types de transformations nucléaires : 1-1 La désintégration radioactive Conservation de la masse : 210 = Conservation de la charge électrique : 84 = La fission Conservation de la masse : = Conservation de la charge électrique : 92 = La fusion Conservation de la masse : = Conservation de la charge électrique : = Les désintégrations radioactives Les désintégrations radioactives ont trois caractéristiques : - Spontané (Qui peut se produire sans être provoqué) - Aléatoire (Il n est pas possible de prévoir a quelle moment ce noyau va se désintégrer). - Inéluctable (Il est certain qu un noyau va se désintégrer un jour mais avec le caractère aléatoire, on ne sait pas quand). 4

5 Ces transformations suivent le modèle suivant : NOYAU INSTABLE (Noyau père) NOYAU PLUS STABLE (Noyau fils) Autres particules Type de radioactivité (alpha) - (béta -) + (béta +) Particule émise Noyau d hélium Electron Positron Equation de désintégration Les noyaux fils sont dans un état excité (un petit excès d énergie). Ces noyaux restituent cette énergie par émission d un rayonnement gamma (Rayonnement de haute fréquence ionisant). L équation s écrit selon le modèle suivant : Application : Le polonium 210 se désintègre selon une radioactivité de type. Ecrire la réaction de désintégration. Même question pour l élément : Radium 226. Le potassium 40 se désintègre selon une radioactivité de type -. Ecrire la réaction de désintégration. Même question pour l élément : Cobalt 60. Le silicium 26 se désintègre selon une radioactivité de type +. Ecrire la réaction de désintégration. Même question pour l élément : Fluor 18. 5

6 3- La fission Une particule légère (un neutron) va scinder en deux un noyau plus lourd. De cette transformation apparaîtra deux noyaux plus légers et d autres particules. Cette transformation n est pas spontanée car elle est provoquée par une particule incidente sur un noyau lourd. Ce type de réactions est provoqué dans les centrales nucléaires. Les neutrons ainsi produit vont à leur tour scinder d autres noyaux d uranium ; C est une réaction dite «en chaîne». Exemple d une réaction de fission : Lors de ce type de réaction beaucoup de chaleur est dégagée. Cette chaleur est récupérée pour chauffer l eau dans les centrales thermiques. 4- La fusion Deux noyaux légers vont s unir pour former un noyau plus lourd avec formation de particules. C est une transformation provoquée. Exemple de réaction de fusion : La loi des conservations sont vérifiées. Lors de ce type de réaction beaucoup de chaleur est dégagée. Ce sont ces types de réactions qui sont provoquées dans les étoiles. Sur terre l homme cherche à domestiquer ce type d énergie (Projet ITER). 6

7 Activité ③ 1- Les dangers des rayonnements 2- Période radioactive ou demi-vie d un radio élément La période radioactive ou demi-vie (T) est le temps nécessaire pour que la moitié des atomes se désintègre naturellement. Les courbes de décroissances radioactives sont de type exponentielle ou est la constante radioactive en Exemple de période radioactive : Iode 131 T = 8 Jours ; Carbone ans ; Uranium 238 4,5 milliard d années 3- Applications Ex n 1 : Par quel nombre faut-il diviser la population d éléments initiaux radioactifs (N0) au bout de 4 périodes et au bout de 5 périodes. Même question au bout de n période ( ) 7

8 Ex n 2 : ① Ecrire l équation de la réaction de désintégration de l oxygène 15, radioactivité +. ② Le noyau fils est émis dans un état excité. Quelle est la nature du rayonnement émis lorsqu il se désexcite? ③ Un échantillon d oxygène 15 (demi-vie ; émet Bq à la date. Quelles sont les valeurs de l activité de cet échantillon au bout de et. Ex n 3 : Voici l activité d un radionucléide au cours du temps. Déterminer graphiquement l activité initiale et la demi-vie radioactive de cet élément. 4- L activité radioactive Ces désintégrations radioactives peuvent être détectées par un appareil porte le nom de compteur Geiger. Il compte le nombre de désintégrations. On va définir l activité radioactive comme étant le nombre de désintégration par unité de temps. L unité est le Becquerel (Bq). 1 Bq = 1 désintégration par seconde. Ex : 1 kg d eau 2 Bq ; 1 kg de lait 10 Bq ; 1 kg d uranium Bq 8

9 Activité ④ 1- Energie libérée Lors d une transformation nucléaire si l on compare la masse des produits a celle des réactifs on constate que la masse des réactifs est inférieur a celle est produits. Nous avons vu en chimie qu il y avait conservation de la masse lors d une transformation chimique, ce n est pas le cas pour une transformation nucléaire (fission, fusion et transformations spontanées). On va définir une variation de masse, noté Albert Einstein nous dit que cette perte de masse correspond à l énergie libérée lors de la transformation. La valeur de l énergie libérée est : Les unités : E en Joules ; en kg ; c = m/s 2- Energie de liaison Si l on casse un noyau, on constate, que la masse des constituants d un noyau d un atome (nucléons) et que l on compare à la masse totale du noyau, on s aperçoit que le noyau est plus léger par rapport a ses constituants pris séparément. On parle alors de défaut de masse ( m). Cette énergie de liaison se calcul de la façon suivante : L énergie de liaison peut être définie de la manière suivante : c est l énergie qu il faudrait fournir au noyau pour le séparer en ses nucléons. Les unités utilisées lors de ses calculs : Lors des calculs on utilise l unité de masse atomique : 1 u = 1, kg L énergie s exprime en électron-volt (e.v) : 1 e.v = 1, Joules 1 Méga électron-volt : 1 Mev = 106 e.v 9

10 3- Application Le polonium est le premier élément radioactif découvert par Pierre et Marie Curie en Écrire I équation de désintégration de type d un noyau de polonium 210 de symbole chimique :. 2 Calculer I énergie libérée (en MeV) lors de la désintégration d un un noyau de polonium. Données : Noyau Noyau fils Particule Masse (u) 209, ,9295 4, u = 1, kg ; 1 ev = 1, Joule c = m.s -1 10

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