Un noyau est stable si la force nucléaire forte compense la force électromagnétique.
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- Eliane Carole Laroche
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1 PHYSIQUE DES PRTICULES T S I Détection de la radioactivité La radioactivité est un phénomène naturel. Des noyaux instables se transforment spontanément en noyaux stables en émettant un rayonnement radioactif, appelé rayon γ. On utilise des compteurs Geiger qui émettent des sons à chaque particule qui subit une transformation nucléaire : les rayonnement γ ionisent un gaz dans le compteur pour créer un micro courant, d où le bruit. Compteur Geiger mplificateur Haut parleur La radioactivité est un phénomène naturel, spontané et aléatoire. II Les noyaux instables 1) Constitution d un noyau X Z N = Z Un atome est caractérisé par : - son nombre de nucléons, noté, et appelé nombre de masse. - son nombre de protons, noté Z, et appelé nombre de charge. - son nombre de neutrons, noté N, différence en et Z. - son nombre d électrons, égal au nombre de charge. Des noyaux qui ont le même nombre de protons et un nombre de neutrons différents sont appelés isotopes. Précisions (Hors programme) : Le proton est noté 1 1 p. Il est constitué de deux quark "up" et d un quark "down". Le neutron, noté 1 0n, est lui constitué de deux quark "down" et d un quark "up". Le quark "up" est doté d une charge +/3, tandis que le quark "down" a une charge de -1/3. Les quarks sont responsables de la force nucléaire forte. ) La vallée de la stabilité Dans la nature, il y a environ 350 noyaux différents dont environ 60 sont instables. En laboratoire, on peut en créer près de 00. Eux, sont tous instables.
2 - Une zone centrale rouge appelée vallée de stabilité est constituée des noyaux stables. On note que pour Z < 30 les noyaux stables sont situés près de la première bissectrice, où N = Z. - Une zone jaune où se situent des noyaux donnant lieu à une radioactivité de type α. Ce sont des noyaux lourds ( est grand). - Une zone bleue où 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. - Une zone verte où 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. Les forces électrostatiques entre protons sont plus fortes que les forces nucléaires entre nucléons. Un noyau est stable si la force nucléaire forte compense la force électromagnétique. III Les différents types de radioactivité Lois de Soddy (loi de conservation) : Lors d'une désintégration nucléaire, il y a conservation du nombre de charge Z et du nombre de nucléons La désintégration d'un noyau X (appelé noyau père) conduit à un noyau Y (appelé noyau fils) et à l'expulsion d'une particule P (particule α ou β). 1) La radioactivité α La radioactivité α concerne les éléments lourds. Elle se traduit par l émission d une particule α, un noyau d hélium. Ces particules sont arrêtées par quelques centimètres d'air ou par une feuille de papier, mais elles sont très ionisantes et donc dangereuses. Z X X + He 4 4 Z ) La radioactivité β - La radioactivité β - concerne les éléments qui ont trop de neutrons. Elle se traduit par l émission d une particule β -, un électron. Les particules β - sont assez peu pénétrantes. Elles sont arrêtées par quelques millimètres d'aluminium. X Y + e Z 0 Z + 1 1
3 Remarque (Hors programme) : Il n'y a pas d'électron dans le noyau, mais le noyau peut en émettre en transformant un neutron excédentaire en un électron et un proton suivant le bilan : n p + e ) La radioactivité β + La radioactivité β + concerne les éléments qui ont trop de protons. Elle se traduit par l émission d une particule β +, un positron. Z X Y + e 0 Z Un positron est de l anti-matière. C est un anti-électron. Ces particules ont une durée de vie très courte car lorsqu'elles rencontrent un électron, les deux particules s'annihilent pour donner de l'énergie sous forme d'un rayonnement électromagnétique γ suivant le bilan : 0 0 1e + 1e γ Remarque (Hors programme) : Cette radioactivité ne concerne que des noyaux artificiels, obtenus par des réactions nucléaires, qui possèdent trop de protons. Un proton excédentaire se transforme en un positon et un neutron suivant le bilan p n + e ) Désexcitation γ Le noyau fils est en général obtenu dans un état excité (niveau d'énergie élevé), il est noté Y*. Cet état est instable, le noyau se désexcite en évacuant cette énergie excédentaire, en émettant un rayonnement électromagnétique γ. Ces particules très énergétiques sont appelées photons. * Y Y +γ III La décroissance radioactive 1) Loi de décroissance radioactive On considère un échantillon de noyaux radioactifs : t = 0 : N 0 noyaux t : N noyaux t + t : N + N noyaux avec N < 0 On a : N = λn t λ est la constante de radioactivité de l élément considéré en s -1 [λ] = [- N / N t] = s -1
4 N = λn t N dn = λn qd t 0, = λn t dt On a donc : dn + λn = 0 dt Une solution est N = N0 e λt La décroissance radioactive se fait de manière exponentielle. N tend vers 0 quand t tend vers 0 La décroissance radioactive dépend de N 0 et du noyau (λ). ) Demi-vie radioactive La demi-vie radioactive est le temps après lequel il ne reste plus que la moitié des noyaux de départ. N ( t1 ) = N 0 ( ) t 1 = ln λ 3) Constante de temps = n N n t N 1 0 La constante de temps correspond à la durée de vie moyenne d un noyau radioactif. Elle est le temps caractéristique de la fonction exponentielle. 1 τ = on la mesure à l aide de la tangente à l origine ou en enlevant 67 % à N 0. λ N N 0 N 0 / t 1/ τ s (s)
5 On utilise la décroissance radioactive pour la datation > voir livre datation au carbone 14. IV ctivité radioactive L activité d une source radioactive est le nombre moyen de désintégrations par secondes. N = = λn = λn0 e t λt ln = N t 1 = e 0 λt V Bilan d énergie durant la radioactivité Lors d une réaction nucléaire α, il y a émission de rayonnement γ, mais aussi d énergie cinétique due aux particules α. En 1905, en élaborant la théorie de la relativité restreinte, Einstein postule que la masse est une des formes de l'énergie : E = m c E en ev ou J, m en kg, c en m.s -1 u niveau microscopique, on utilise l électronvolt plutôt que le Joule pour les énergies : On utilise aussi l unité de masse atomique (1/1 de la masse du noyau de carbone 1) 1eV = 1, J 1u = 1, kg Elibérée = m c avec m la perte masse VI Energie de liaison du noyau On constate que la masse des nucléons qui compose un noyau est supérieure à la masse du noyau. Cette différence est appelée défaut de masse m. + m = Z m p + Z m n m noyau On appelle énergie de liaison l énergie qu il faut pour casser un noyau ou encore la différence entre l énergie des nucléons et l énergie du noyau. E = E nucléons seuls E noyau l Imaginons que l on brise un noyau : ( ) E ( noyau) E = E ap E av = E nucléons seuls = E l = m nucléons seuls c m noyau c
6 On a donc E = m c > Courbe d ston : l déf. demasse 0 On définit l énergie de liaison par nucléons par E l Les noyaux stables sont les noyaux qui ont une énergie de liaison par nucléons d environ 8 MeV. Ce sont les noyaux qui sont dans le puit d énergie à environ = 60. Les noyaux qui ont un petit ont tendance à former un noyau plus lourd, c est la fusion nucléaire. Les noyaux lourds ont tendance à se briser pour en former des plus petits, c est la fission nucléaire. On provoque une réaction nucléaire lorsque l on bombarde un noyau avec une particule ou un autre noyau. VII La fission nucléaire La fission est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle un noyau lourd "fissile" donne naissance à deux noyaux plus légers. Exemple : U + n S + Xe + n Remarques : - les lois de conservation sont appliquées - la fission n est pas spontanée. Il faut utiliser des particules comme projectiles. - les noyaux formés sont radioactifs. - les neutrons formés réagissent en chaîne. On utilise des barres de Cadmium ou de Bore pour capter ces neutrons et calmer la réaction en chaîne.
7 spect énergétique : ( ) E = E ap E av = E Xe + E Sr + E n E U E n = m Xe + m Sr + m n m U c = 177 MeV < 0 La fission libère de l énergie, environ 1 Mev/nucléon. VIII La fusion nucléaire La fusion nucléaire est set une réaction au cours de laquelle deux noyaux légers s unissent pour former un noyau plus lourd. Exemple : H + H He + n Remarques : - les lois de conservations sont respectée. - les noyaux créés lors d une fission ne sont pas radioactifs - la fusion n est pas spontanée, il faut lui apporter beaucoup d énergie (ex : dans le soleil, avec une bombe nucléaire de fission) - la fusion nucléaire produit beaucoup d énergie. spect énergétique : E = E ap E av 3 = E He + E n E H E H = m He m n m H m H + + c = 6, 6 MeV < 0 3 La fusion libère de l énergie, plus par nucléons que la fissions : Mev/nucléon contre 1. E = m c où m est la perte de masse
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