Accompagnement personnalisé TS Séance 2 Physique nucléaire et des particules

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1 ccompagnement personnalisé TS2 203 Séance 2 Physique nucléaire et des particules Le noyau atomique & les isotopes Caractéristiques d un noyau Un... est formé d un noyau et d un nuage électronique. Le... d un atome est formé de nucléons : les..., de charge électrique positive : q = +e =,2 0 9 C les..., électriquement neutres. est le nombre de nucléons, ou (la masse du noyau est forcément proportionnelle au nombre de nucléons qu il contient). Z est le nombre de protons, ou......, ou nombre de charges. =-Z est le Un est l ensemble des atomes de même numéro atomique Z (ce numéro atomique Z est le numéro utilisé pour le classement dans le tableau périodique, car il est égal au nombre d électrons de l atome neutre ce nombre d électrons dictant directement le comportement chimique de l atome). Un... est l ensemble des noyaux de même numéro atomique Z et de même nombre de nucléons. Pour représenter l élément, on utilise une lettre..., suivie éventuellement d une lettre... : H, He, C, Ca, Co, etc. Cela permet de nommer les 92 éléments naturels connus, plus tous les autres éléments artificiels découverts. Les isotopes L élément carbone est présent à l état naturel sous forme de trois... : 2 6 C (98,90%) 3 6 C (,0%) 4 6 C (traces) Les pourcentages correspondent à l abondance naturelle (pourcentage en masse de chaque isotope, dans un échantillon naturel quelconque d atomes), quasi constant quelque soit l origine de l élément. Le carbone 4 est à l état de traces uniquement, parce qu il se désintègre spontanément (désintégration β, demi-vie 575 ans, voir plus loin). Voici quelques données sur des isotopes particuliers. Les isotopes de l hydrogène portent aussi le nom de deutérium D et tritium T. Hydrogène H Isotope H 2 H 3 H Z = Z 0 2 bondance 99,985% 0,05% traces Désintégration stable stable β Demi-vie Uranium 2,32 a Isotope U U U Z = Z bondance 0,005 5% 0,720 0% 99,274 5% Désintégration α α α Demi-vie 2, a 7, a 4, a Le noyau d un élément chimique noté X est symbolisé par : ZX Des noyaux sont appelés isotopes s ils ont le même , mais des nombres de différents. Exemples : U 4 6 C I Des isotopes sont donc des versions plus ou moins «lourdes» du même élément.

2 Stabilité et instabilité des noyaux oyaux «radioactifs» Dans certains cas, les interactions... et... sont insuffisantes pour assurer la cohésion d un noyau. Celui-ci se transforme spontanément en un autre noyau en émettant un «rayonnement radioactif». On dit que le noyau s est désintégré. Un noyau radioactif est un noyau instable, dont la désintégration est...,... et.... Vue d ensemble des nucléides connus Sur 500 nucléides connus, il en existe 325 naturels, dont : 274 stables : le noyau ne se modifie pas au cours du temps ; 5 instables : ils sont radioactifs, le noyau est susceptible de se modifier. La vallée de stabilité Lorsque l on porte l ensemble des noyaux sur un diagramme = f(z), on constate un regroupement appelé (chaque noyau est repéré par un carré de couleur). oter quelques exemples de noyaux stables ou instables : Pour les noyaux stables (en rouge) oyaux légers ( < 50) : les noyaux sont groupés autour de la première bissectrice = Z ; Pour les noyaux plus lours : > Z, la vallée de stabilité est incurvée. Pour les noyaux instables : on distingue trois cas : En bout de vallée de stabilité (en jaune) : les noyaux sont trop «lourds», excés de nucléons ; u dessus du domaine de stabilité (en bleu) : excés de neutron ou défaut de proton; En dessous du domaine de stabilité (en vert) : défaut de neutron ou excés de proton. Réactions nucléaires de désintégration Lois de conservation Dites aussi lois de Soddy. dernier. Émission α Lors d une réaction nucléaire, il y a conservation du nombre de nucléons et du nombre de charges Z. Équation générale d une réaction nucléaire de désintégration : X est le noyau ZX Z Y+ 2 Z 2 P, Y et P sont les noyaux La conservation de la... s écrit : Z = Z +Z 2. La conservation de la... s écrit : = + 2. On représente les deux en même temps sous forme d un système : { = + 2 Z = Z +Z 2 On va maintenant appliquer ces lois de conservation aux émissions radioactives découvertes au début du siècle Exemple : l isotope 238 de l uranium se désintègre spontanément en thorium et..., selon la réaction nucléaire d équation : U Th Le noyau d hélium obtenu est aussi appelé particule α, nom qui date des premières observations de ce type de radioactivité, alors même que la particule émise n avait pas encore été identifiée. Les particules α sont arrêtées par quelques centimètres d air, ou une simple feuille de papier. Elles sont donc mais cependant très ionisantes : elles 2

3 sont donc particulièrement dangereuses en cas d ingestion ou d inhalation du composé radioactif! Composition du noyau père U : { Z = 92 = Z = = 46 Composition du noyau fils Th : { Z = 90 = Z = = 44 On constate une perte de... protons et de... neutrons. Déplacement correspondant dans la vallée de stabilité : α Z 27Co 28 i Les lois de conservation de Soddy montrent qu il faut mettre zéro en masse pour avoir au total, et un nombre négatif, -, en charges pour avoir 27! 27Co 28i Quelle particule comporte une charge négative d une unité sans aucun neutron? Si on réponds l... à cette question, un coin du voile se soulève : 27Co 28i+ 0 e Cet électron est la particule β recherchée. Ces particules sont assez pénétrantes, forcément ionisantes, mais faciles à arrêter, avec un simple plaque de métal, matériau.... L équation générale associée s écrit : Z X Z+ Y+ 0 e Reprenons l exemple précédent. Composition du noyau père 27 Co : { Z = 27 = Z = 27 = 33 Composition du noyau fils 28 i : { Z = 28 = Z = 28 = 32 Formellement, la réaction équivaut à l apparition d un..., simultanée avec la disparition d un... : Désintégration β 0 n p+ 0 e On comprends dès lors que cette radioactivité concerne les nucléides en... de neutron ou en... de proton. Le déplacement correspondant dans la vallée de stabilité est représenté ci-dessous. β Exemple : le cobalt, utilisé en radiothérapie pour traiter le cancer (on combat le feu par le feu : le radioélément permet de détruire sélectivement les cellules cancéreuses) : Z 3

4 Composition du noyau fils Hg : { Z = 80 = Z = = 20 Formellement, la réaction équivaut à l apparition d un neutron (le 2ème ), simultanée avec la disparition d un proton (le 8ème ) : p 0n+ 0 e Désintégration β + On comprends dès lors que cette radioactivité concerne les nucléides en... de proton ou en... de neutron. Le déplacement correspondant dans la vallée de stabilité est représenté ci-dessous. β + Exemple : le thallium 20, utilisé en scintigraphie myocardique, est un émetteur β + : 20 8 Tl Hg Les lois de conservation de Soddy montrent qu il faut mettre zéro en masse pour avoir 20 au total, et + en charges pour avoir 8 : Z Émission d un rayonnement γ par désexcitation Dans les exemples de radioactivités précédentes, le noyau fils Y est en général formé dans un état excité. Lors de sa désexcitation, il émet un rayonnement γ (=lettre grecque «gamma»), de même nature que la lumière, et de très courte longueur d onde, inférieure à nm Tl Hg Quelle particule comporte une charge positive d une unité sans aucun neutron? Simplement, un ! C est-à-dire, un positron : 20 8 Tl Hg+ 0 e Ce positron est la particule β + recherchée. Ces particules ont une très faible durée de vie, car elles rencontrent rapidement un électron pour se transformer entièrement en énergie : 0 e+ 0 e γ L équation générale de la désintégration β + s écrit : Z X Z Y+0 e Reprenons l exemple. Composition du noyau père 20 8 Tl : { Z = 8 = Z = 20 8 = 20 Exemple : on reprends le cas du cobalt : 27Co 28i + 0 e L astérisque indique un noyau excité. La réaction de désexcitation est alors : 28i 28i+γ L écriture globale β plus γ est alors : L équation générale est : 27Co 28i+ 0 e+γ Y = Y+γ Ce rayonnement γ est très pénétrant. Une protection, sous forme de murs de béton et de plomb, est indispensable. 4

5 ctivité d une source radioactive Définition de l activité L... d une source radioactive est le nombre moyen de désintégrations par seconde dans l échantillon. Elle s exprime en becquerels (symbole Bq), avec Bq = désintégration par seconde. Définition de la demi-vie radioactive La t /2 d un échantillon de noyaux radioactifs est égale à la durée nécessaire pour que statistiquement la moitié des noyaux de l échantillon présents à la date t soient désintégrés à la date t+t /2. Facteurs dont dépend l activité L activité dépend à la fois de la demi-vie de la source et du nombre de noyaux radioactifs : = ln2 t /2 L activité décroît selon une loi exponentielle. u bout du temps égal à la demi-vie t /2, il ne reste qu un noyau radioactif sur deux, et qu un sur quatre au bout d un temps égal à deux fois la demi-vie 2t /2. u bout du temps égal à la demi-vie t /2, il ne reste qu un noyau radioactif sur deux, et qu un sur quatre au bout d un temps égal à deux fois la demi-vie 2t /2, etc. Il faut une durée... pour que tous les noyaux soient statistiquement désintégrés. La demi-vie radioactive est caractéristique de chaque noyau radioactif. En particulier lorsque t /2 est de l ordre de l âge du Système Solaire, comme pour l Uranium, tous les noyaux instables n ont pas eut le temps de disparaître! Source ctivité (Bq) litre d eau 0 litre de lait 80 kg de granit 000 homme de 70 kg kg d engrais phosphaté scintigraphie thyroïdienne 3,7 0 7 g de plutonium pplications Paramètres influençant les effets biologiques ctivité de la source; Énergie et nature des particules émises ; Distance de la source; bsorption du milieu; ature des tissus touchés ; Âge de la personne. Importance de l activité L activité dépend à la fois de la demi-vie de la source et du nombre de noyaux radioactifs : = ln2 t /2 insi, les sources les plus dangereuses biologiquement parlant sont : les sources de très faible durée de vie (t /2 petit donc /t /2 grand, donc activité... ); les sources contenant un grand nombre d atomes radioactifs ( grand donc activité... ). Deux possibilités d action Par irradiation À distance, sans contact direct avec la source; Par contamination Par absorbtion (voies digestives ou respiratoires) de produits radioactifs pouvant se désintégrer dans l organisme. pplications «utiles» Radiothérapie Destruction sélective de cellules cancéreuses ; Imagerie médicale Par exemple, scintigraphie par injection d un produit radioactif appelé marqueur, repérable par son rayonnement; Stérilisation Par exemple, pour le matériel médical; Conservation Par exemple, pour les fruits et légumes, par destruction des parasites. 5

6 Datation En géologie Datation des roches, à partir de nucléides à longue demi-vie comme 238 U, 206 Pb ou 87 Rb. En archéologie Le carbone 4 (t /2 50 ans pour l isotope 4 6 C du carbone) permet de dater des objets d origine végétale ou animale. En effet, la répartition en carbone 4 est homogène autant dans le temps que entre l atmosphère et les organismes vivants ; À la mort de l échantillon, le carbone 4 n est plus renouvelé, car les échanges avec l atmosphère cessent. La teneur décroît alors exponentiellement, selon la loi radioactive. Complément : texte issu de la revue «Élémentaire» n o, page 4 6

7 Diagramme = Z en fonction de Z dit «vallée de stabilité» 7