Transformations nucléaires

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1 Transformations nucléaires Une transformation nucléaire modifie la structure du noyau d un atome, contrairement à une réaction chimique qui ne fait intervenir que son nuage électronique. I - Rappels sur la composition des atomes Un atome est constitué d un noyau chargé positivement entouré d un nuage électronique chargé négativement de manière à ce que l atome soit toujours neutre.. Les particules élémentaires Proton Neutron Electron Masse, kg, kg 9,. -3 kg Charge électriqu,6. -9 C,6. -9 C Les électrons gravitent dans le nuage électronique. Les protons et les neutrons sont les particules constitutives du noyau atomique, on les appelle nucléons.. Le noyau atomique Dimensions Le rayon nucléaire est environ fois plus petit que le rayon atomique : le rayon atomique est de l ordre de - m alors que le rayon nucléaire est de l ordre de -5 m. Notation Un noyau atomique est constitué de nucléons, c est-à-dire de protons et de neutrons. Le noyau d un atome est noté X Z est le nombre de masse, équivalent au nombre de protons et de neutrons. Z est le numéro atomique, équivalent au nombre de protons. Charge électrique Un proton porte une charge élémentaire positive. La charge électrique «q» d un noyau est : q = Z e La charge élémentaire «e» vaut,6. -9 C (Coulombs) Les protons étant tous positifs, il y a dans un noyau atomique de fortes répulsions électriques entre les protons. La cohésion d un noyau est assurée par un autre type de force, plus importante que les répulsions électriques lorsque les particules sont très proches, appelée «interaction forte». Unité de masse atomique Les grammes ou kilogrammes étant des unités peu adaptées aux très faibles masses des noyaux atomiques, on exprime souvent en unité de masse atomique, notée «u» : Par définition : u =, kg Une unité de masse atomique est le douzième de la masse exacte d un atome de carbone 6 C. Chapitre n 6 : transformations nucléaires Page / 7

2 3. Elément chimique Un élément chimique est défini par son numéro atomique Z. Un même élément peut être représenté par son atome ou son ion monoatomique. s Z = Elément hydrogène (atome H ou ion H ) Z = 8 Elément oxygène (atome O ou ion O - ) Z = 9 Elément cuivre (atome Cu ou ion Cu ) Remarque On appelle nucléides l ensemble des atomes de noyaux parfaitement identiques (même numéro atomique Z et même nombre de masse ).. Isotopes d un élément Des isotopes ont même numéro atomique Z mais des nombres de masse différents. Ils ont donc le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents. l élément carbone C admet trois isotopes C C 6 C Dans le tableau de la classification périodique, chaque élément chimique est représenté par son isotope le plus abondant. On ne trouvera par exemple pour l élément carbone que l isotope 6 C, qui est le plus abondant dans la nature. Le nombre de neutrons n étant pas le même dans tous les isotopes d un même élément, la masse atomique change d un isotope à l autre. La masse molaire d un élément est donc la moyenne pondérée des masses de tous ses isotopes. 35 Cl L élément chlore admet deux isotopes : 75% de l isotope 7 et 5 % de l isotope 7 Cl La masse molaire de l élément chlore est donc M Cl = 35,5 g.mol - 37 II - Radioactivité d un noyau : la désintégration spontanée. Cohésion d un noyau Les protons étant chargés positivement, tout noyau atomique est le siège de répulsions électriques entre les protons qu il contient. Il ne devrait donc pas pouvoir exister (voir les calculs faits en TP). On explique sa cohésion par l existence d une force appelée interaction forte, toujours attractive et exercée entre tous les nucléons (protons neutrons). si le nombre de protons est limité par rapport aux neutrons, cette interaction forte prédomine sur les répulsions électriques et le noyau est stable. si en revanche, le nombre de protons est trop important, les répulsions électriques deviennent trop importantes et le noyau risque d éclater : le noyau est alors instable. Un noyau atomique instable est appelé «radioactif». La majorité des gros atomes sont radioactifs, ainsi que certains isotopes de petits noyaux. Le phénomène de radioactivité a été découvert à la fin du XIX siècle par Henri Becquerel. La décomposition d un noyau est toujours accompagnée d un rayonnement nommé α, β, ou γ. Chapitre n 6 : transformations nucléaires Page / 7

3 . Diagramme de Segré (diagramme N/Z) La centaine d éléments existants permet environ 35 isotopes naturels différents, dont une soixantaine sont instables, et l on a fabriqué plus de 5 noyaux artificiels tous instables. On représente sur un diagramme N en fonction de Z l ensemble des noyaux atomiques connus. Les différentes couleurs indiquent la stabilité ou non-stabilité de chacun des noyaux, et le type de rayonnement émis en cas de décomposition (voir page 39). Dans la zone rouge apparaissent les noyaux stables. Cette zone est appelée vallée de stabilité. On remarque que pour Z < 3 les noyaux stables sont situés sur la première bissectrice (ou dans son voisinage immédiat), ce sont donc des noyaux pour lesquels N = Z. Dans la zone verte se situent des noyaux donnant lieu à une radioactivité de type α. Ce sont des noyaux lourds (N et Z sont grands donc est grand). Dans la zone bleue se situent des noyaux donnant lieu à une radioactivité de type β -. Ce sont des noyaux qui présentent un excès de neutrons par rapport aux noyaux stables de même nombre de masse. Dans la zone jaune se situent des noyaux donnant lieu à une radioactivité β. Ce sont des noyaux qui présentent un excès de protons par rapport aux noyaux stables de même nombre de masse. 3. Propriétés de la désintégration La désintégration radioactive est : léatoire : il est impossible de prévoir quand va se produire la désintégration du noyau. Spontanée : la désintégration se produit sans aucune intervention extérieure. Inéluctable : un noyau radioactif se désintégrera tôt ou tard. Indépendante de la combinaison chimique dont le noyau radioactif fait partie. Indépendante des paramètres extérieurs tels que la pression ou la température.. Lois de conservation Lorsqu un noyau éclate spontanément, il est qualifié de «noyau père». Sa désintégration conduit alors à un nouveau noyau appelé «noyau fils» et à l émission de particules diverses. Un nouvel élément chimique est alors crée, ce qui est impossible en Chimie. Contrairement à la réaction chimique, le noyau atomique n est donc pas conservé dans une réaction nucléaire. Toutefois, la désintégration radioactive admet des lois de conservation (lois de Soddy) : la somme des nombres de masse des particules en réaction est conservée. la somme des charges électriques des particules est conservée. l énergie totale est conservée, mais peut changer de forme : l énergie de masse peut être transférée sous forme d énergie cinétique par exemple. C est ce que traduit la relation d Einstein E = mc qui sera étudiée dans la suite du cours. Chapitre n 6 : transformations nucléaires Page 3 / 7

4 5. Différentes formes de désintégrations On distinguera trois formes de radioactivité, selon la nature des particules émises lors de la désintégration : la radioactivité α, la radioactivité β - et la radioactivité β. Radioactivité α La radioactivité α est l émission de noyaux d hélium He, appelés aussi particules α, lors de la désintégration d un noyau père. Les noyaux qui donnent lieu à ce type de radioactivité ont des numéros atomiques élevés (Z > 8). Pour un noyau père X donnant par désintégration α un noyau fils Y, on écrira : Z X Z Y He La désintégration de l isotope 6 du radium conduit à un isotope du radon, lui-même radioactif. L équation de cette réaction nucléaire est donc : 6 88 Ra 86Rn Une particule He a été éjectée donc il s agit de radioactivité α. Sécurité He Les particules α émises ont une vitesse de l ordre de km.s -. Elles provoquent l ionisation de la matière qu elles rencontrent, mais sont peu pénétrantes : une simple feuille de papier suffit à les arrêter. Radioactivité β - La radioactivité β - est l émission d électrons par certains noyaux. On notera l électron e puisqu il n est pas un nucléon et porte une charge négative. Cette désintégration est toujours accompagnée de l émission d un antineutrino, particule difficilement détectable, dont la masse et la charge électrique sont nulles. L antineutrino sera noté. Pour un noyau père X donnant par désintégration β - un noyau fils Y, on écrira : Z X Z Y La désintégration du carbone conduit à l isotope de l azote. L équation de cette désintégration est : 6 C 7 N Sécurité L énergie libérée par ce type de désintégration est emportée par l électron, éjecté à une vitesse de l ordre de 8 km.s - et par l antineutrino de vitesse presque égale à celle de la lumière dans le vide. Les électrons ainsi produits peuvent traverser une plaque métallique de plusieurs millimètres. Les neutrinos n interagissent pratiquement pas avec la matière et peuvent traverser la Terre sans être arrêtés. Chapitre n 6 : transformations nucléaires Page / 7

5 Radioactivité β La radioactivité β est l émission de positrons (ou positons) par certains noyaux. Le positron est l antiparticule de l électron, c est-à-dire qu il possède même nombre de masse mais une charge opposée. On le notera e. Cette désintégration est toujours accompagnée de l émission d un neutrino, antiparticule de l antineutrino. Le neutrino sera noté. Pour un noyau père X donnant par désintégration β un noyau fils Y, on écrira : Z X Z Y La désintégration de l isotope 3 5 P du phosphore (obtenu en bombardant une feuille d aluminium avec des particules α) conduit à l isotope silicium. L équation de cette désintégration est : 3 Si du 3 5 P 3 Si Sécurité Les vitesses et énergies des rayonnements émis sont du même ordre que pour la radioactivité β -. La radioactivité β est qualifiée de radioactivité artificielle car elle ne se produit que sur des nucléides fabriqués artificiellement. 6. Le rayonnement γ Lors des désintégrations précédentes, les noyaux fils produits sont dans un état excité. Leur désexcitation provoque l émission d un rayonnement électromagnétique très énergétique que l on appelle rayonnement gamma γ. Rn Rn γ La fréquence de ces rayonnement est de l ordre de Hz, et leur capacité de pénétration est très importante : un rayonnement gamma peut traverser plusieurs mètres de béton. III - Masse et énergie. : la masse nucléaire de l hélium Connaissant les masses respectives du proton (m P =,78u) et du neutron (m N =,866u), calculons la masse nucléaire de l hélium : m He = m P m N =,78,866 =,388 u or les tables donnent, pour le noyau d hélium : m He =,5 u Le noyau d hélium est donc plus léger que la somme des masses des nucléons qui le constituent. Il n y a pas conservation de la masse lors de sa constitution à partir des particules élémentaires. La différence de masse correspond à une énergie à fournir si l on veut séparer le noyau d hélium en particules indépendantes. Chapitre n 6 : transformations nucléaires Page 5 / 7

6 . Relation d Einstein (95) Cette relation suppose que toute particule recèle de l énergie du simple fait de sa masse. E = m C En conséquence, elle établit une correspondance entre la variation de masse et l énergie libérée lors d une réaction nucléaire : E = m C Unités E est la variation d énergie, exprimée en joules (J). m est la variation de masse, exprimée en kilogrammes (kg). C est la célérité de la lumière dans le vide (C = 3, 8 m.s - ). Le joule est en général mal adapté aux énergies de liaisons nucléaires. On définit une unité plus adaptée, appelée «électron-volt», notée «ev» telle que : ev =,6. -9 J On utilise le plus souvent le mégaélectronvolt ( MeV =,6. -3 J). IV - Réactions nucléaires provoquées. La fission nucléaire On appelle «fission nucléaire» le fait qu un noyau peut se désintégrer en plusieurs noyaux plus petits. Les noyaux susceptibles de subir une fission sont les gros noyaux, constitués d un grand nombre de nucléons. La fission nucléaire peut être spontanée, comme on l a vu dans le cas de la désintégration α, ou provoquée en bombardant un noyau fissile avec des neutrons lents. Le noyau cible se divise alors en deux noyaux fils, et libère à son tour des neutrons qui vont frapper d autres noyaux : 35 n 9U 38Sr 5Xe 9 n si chaque fission libère en moyenne moins d un neutron efficace pour provoquer une autre fission, la réaction nucléaire s arrête spontanément. si chaque fission libère en moyenne un neutron efficace pour provoquer une autre fission, la réaction est entretenue. Elle produit alors une énergie constante au cours du temps, c est le cas dans les réacteurs nucléaires (l efficacité des neutrons est contrôlée par des barres de bore ou de cadnium). si chaque fission libère en moyenne plus d un neutron efficace pour provoquer une autre fission, la réaction s accélère très rapidement et devient rapidement incontrôlable : c est le cas de la bombe atomique, on assiste alors à une réaction en chaîne.. La fusion nucléaire On appelle «fusion nucléaire» le fait que deux noyaux peuvent se réunir au cours d un choc pour en former un seul. Les noyaux susceptibles de fusionner sont des noyaux petits. Les réactions de fusion libèrent une énergie considérable, souvent accompagnée d une particule éjectée. Ces réactions de fusion nucléaire ont lieu naturellement dans les étoiles : H He H H H e puis H H He puis H He He H Chapitre n 6 : transformations nucléaires Page 6 / e

7 Remarques Les réactions de fusion dégagent plus d énergie que les réactions de fission actuellement utilisées pour produire de l énergie, et ne produisent aucun déchet radioactif. En outre, elles se produisent à partir d hydrogène (abondant sur Terre) et non à partir d uranium (présent en faibles quantités). La fission a donc un triple avantage en vue de notre production d énergie électrique, mais on ne parvient encore pas à la maîtriser. La réaction de fusion nécessite le choc entre deux noyaux chargés positivement. Les noyaux doivent donc posséder une énergie suffisante pour vaincre leur répulsion électrostatique, et cette énergie correspond à peu près à une température de. 6 K!!! Dans une étoile, la réaction peut se produire aux alentours de 5. 6 K seulement grâce au confinement gravitationnel de l étoile. Sur Terre, on tente en vain de reproduire en partie ce confinement par électromagnétisme (Tokamak) ou par faisceau laser (projet ITER). La seule technique maîtrisée pour atteindre la température nécessaire est d utiliser une «allumette», c est-à-dire une bombe atomique () qui va faire monter la température suffisamment pour que les réactions de fusion s amorcent. C est le principe de la bombe thermonucléaire (H), mais on ne contrôle pas la réaction lancée. Si le sujet vous intéresse (hors programme) Energie de liaison du noyau (exemple du noyau d hélium) Si l on fractionne un noyau d hélium en quatre nucléons indépendants, on a : m = m P m N m He =,3 u = 5,5. -9 kg d où E = 5,5. -9 (3. 8 ) =,5. - J soit E = 8, MeV Il faut donc fournir une énergie de,5. - J ou 8, MeV à un noyau d hélium He pour le dissocier en quatre nucléons indépendants. C est «l énergie de liaison» du noyau He. Si l on réalise le même travail pour un atome de carbone, on trouve E l ( 6 C ) = 9, MeV. Courbe d ston On définit, pour chaque noyau, son «énergie de liaison par nucléon» en divisant son énergie de liaison E l par son nombre de nucléons. L énergie de liaison par nucléon obtenue est exprimée en MeV et permet d évaluer la stabilité d un noyau : plus cette énergie de liaison par nucléon est grande plus le noyau est stable. E Pour l hélium : l 8, E = = 7, MeV/nucléon Pour le carbone : l 9, = = 7,7 MeV/nucléon Le noyau de carbone est donc plus stable que le noyau d hélium. La courbe d ston représente l énergie de liaison par nucléon (E l /) de tous les noyaux en fonction de leur nombre de nucléons (voir livre page ) : On remarque que la stabilité maximale pour un noyau correspond à un nombre de nucléons proche de 6. Les noyaux légers ( < 6) auront donc tendance à s agréger pour former des noyaux plus stables (fusion nucléaire) alors que les noyaux les plus lourds auront tendance à se désintégrer (fission nucléaire). Par ailleurs, on peut remarquer que la plus grande stabilité possible pour un noyau correspond au 56 noyau de fer ( 6 Fe ). Il arrive qu on dise ainsi que l Univers a pour évolution de se transformer en fer. Chapitre n 6 : transformations nucléaires Page 7 / 7