Chapitre 10 : Radioactivité et réactions nucléaires (chapitre 11 du livre)

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1 Chapitre 10 : Radioactivité et réactions nucléaires (chapitre 11 du livre) 1. A la découverte de la radioactivité. Un noyau père radioactif est un noyau INSTABLE. Il se transforme en un noyau fils STABLE lors d une réaction NUCLEAIRE SPONTANEE qu on appelle une DESINTEGRATION. PLUS a) Des rayons X à la radioactivité : Le 8 novembre 1895, le physicien allemand Wilhelm K. Röntgen découvre un rayonnement invisible, de nature inconnue et qui semble traverser la matière. En plaçant une main entre le tube émetteur de ce rayonnement et un écran fluorescent (ou une plaque photographique), il voit apparaître l'ombre des os, obtenant ainsi la première radiographie de l'histoire. Ces rayons lui semblent si mystérieux qu'il les appelle «X-strahlen»: les rayons X. b) La propriété étrange des sels d Uranium : Henri Becquerel travaille sur les rayons X. Le 27 février 1896, il prépare ses plaques photographiques et ses lamelles recouvertes de sels d'uranium. Faute de soleil, il remet à plus tard ses expériences, rangeant dans des tiroirs voisins les préparations et les plaques photographiques bien enveloppées et protégées. Le 1er mars, Becquerel décide, avant de reprendre ses expériences, de développer les plaques photographiques. Pour quelle raison? Sans doute, par souci de rigueur et de précaution. Il constate alors avec surprise, que les plaques, pourtant dûment protégées, sont impressionnées. Le sel d'uranium émet donc, spontanément, même en l'absence d'excitation par la lumière, un rayonnement pénétrant qui impressionne les plaques photographiques. En utilisant un aimant, il constate que ce rayonnement est constitué de particules chargées et ne peut donc pas être des rayons X. Il nomme rayons uraniques ce rayonnement inconnu, qu'il attribue à l'uranium. Il venait de découvrir la radioactivité. Comment qualifier la découverte des rayons uraniques? Quelle est la caractéristique commune aux rayons X et à ce rayonnement inconnu? Quelle est la différence de propriété qui permet ici de les distinguer? c) De nouvelles contributions: En 1898, Marie Curie, jeune étudiante, reprend les travaux de Becquerel, bientôt rejointe par son mari Pierre. Ils généralisent le phénomène de radioactivité en découvrant puis en isolant dans un minerai d'uranium (la pechblende) deux éléments radioactifs : le polonium et le radium, qui donnera son nom à la radioactivité. L'analyse des rayonnements a très rapidement montré qu'ils étaient constitués de particules chargées positivement appelées rayons a, de particules chargées négativement, les rayons b-, et de rayons g non chargés, de même nature que la lumière ou les rayons X, très énergétiques. En 1899, Rutherford, physicien néo-zélandais, fait des découvertes fondamentales sur ces radiations. Il s'aperçoit que l'une de celles-ci est facilement arrêtée par un feuillet métallique. Il lui donne le nom de rayons alpha α, sans pouvoir toutefois en déterminer la composition. Une autre forme de radiation, plus pénétrante, ne peut être arrêtée aussi simplement. Il voit qu'elle est constituée par des électrons très rapides, et la nomme rayons beta moins β. Une troisième sorte de radiation, appelée rayons gamma, est formée d'ondes électromagnétiques de très haute fréquence. Ces rayons sont les plus pénétrants des trois. En 1902, avec l'aide d'un chimiste, Frederick Soddy, Rutherford arrive à la conclusion qu au cours de la désintégration du thorium, cet élément ne se conserve pas. Cette découverte provoque une grande agitation parmi les chimistes. Pierre Curie lui-même n'accepte cette idée que deux ans plus tard, alors qu'il avait déjà constaté avec Marie Curie que la radioactivité s'accompagnait d'une perte de masse des échantillons (il pensait que les atomes perdaient du poids sans changer de nature). En 1907, Rutherford découvre que ses rayons alpha sont des noyaux d'hélium. En 1908, il reçoit le prix Nobel de chimie pour ses travaux sur les substances radioactives.

2 Différents types de désintégration Il existe plusieurs types de radioactivité selon la particule émise : Père Fils + particule émise Pierre et Marie Curie ont inventorié 3 types de particules radioactives qu ils ont appelé: rayons a, b- et g. Rutherford les a identifiés quelques années plus tard. Quels sont-ils? Remplir le tableau ci-après : Pierre et Marie Curie Rutherford Propriétés des particules Rayons a Rayons b- Rayons g Règles de Soddy Soddy et Rutherford ont créé la controverse en Citer deux différences entre une réaction chimique et les réactions nucléaires spontanées émettant des rayonnements radioactifs. Le thorium (Z=90, A=232) est radioactif alpha. Il se désintègre en un noyau fils X en émettant un noyau d hélium (Z=2, A=4). Sachant qu au cours d une réaction nucléaire, le nombre de charge Z et le nombre de masse A se conserve (ce sont les règles de conservation de Soddy), identifier X. + X Complément : Le fluor 18 employé en imagerie médicale est un noyau radioactif artificiel (il n existe pas dans la nature, il a été créé par l homme). Donner la composition de son noyau : En se désintégrant, il se transforme en oxygène 18 en émettant une particule radioactive p. Identifier p. Cette particule radioactive est caractéristique des noyaux artificiels et ne pouvait donc pas être connu ni de Rutherford, ni des Curie. On parle de radioactivité β +. En 1934,, Irène Curie et Frédéric Joliot font l'expérience suivante : ils bombardent une feuille d'aluminium par un rayonnement radioactif et obtiennent du phosphore 30, instable, qui se transforme alors en silicium 30 en émettant un rayonnement β +. Ecrire l équation de désintégration du phosphore 30 en silicium 30.

3 A RETENIR : - Différents types de désintégration Il existe plusieurs types de radioactivité selon la particule émise : Père Fils + particule émise Radioactivité α Radioactivité β Radioactivité β + Particule émise Noyau d hélium Electron e Positon e Si le noyau fils est dans un état excité, il devient stable en libérant l excédent d énergie qu il possède sous la forme d un rayonnement γ (gamma) - Règle de conservation de Sodddy : d) Des noyaux stables, des noyaux instables! Quels est le point commun aux noyaux de même ordonnée? Des noyaux stables ou des instables, quels sont les plus abondants? Pourquoi parle-t-on de vallée de stabilité? Il existe trois types de radioactivité : La radioactivité α : le noyau instable perd deux neutrons et deux protons. La radioactivité β + : un proton se transforme en neutron au sein du noyau. La radioactivité β - : un neutron se transforme en proton au sein du noyau. Quel type de radioactivité peut-on prévoir pour les noyaux instables situé au-dessus de la vallée de stabilité? Pour ceux en-dessous de la vallée de stabilité? A faire Page 193 ex 13

4 2. Réactions nucléaires provoquées Réaction de fission nucléaire : Elle se produit lors de la rencontre d un neutron avec un noyau lourd, dit fissile tel l uranium 235 ; ce qui provoque la naissance de deux noyaux plus légers. Il existe deux applications de cette réaction : - Soit on laisse la réaction nucléaire s'emballer et on obtient une bombe atomique A. - Soit on contrôle la réaction pour produire de l'énergie dans les centrales nucléaires. Quels sont les règles de conservation lors d une réaction nucléaire? Exemple de réaction de fission : donner l'équation de la réaction de fission de l uranium (Z=92, A=235) qui donne naissance à un noyau de strontium (Z=38, A=?) à un noyau de xénon (Z=? A=140) et à deux neutrons: Réaction de fusion nucléaire : Pour avoir une fusion nucléaire, il faut que deux noyaux légers s unissent pour donner naissance à un noyau plus lourd. Le milieu doit être porté à très haute température. A cette température, la matière est à l état de plasma : les électrons se sont dissociés du noyau auquel ils appartenaient, on obtient un gaz d électrons et de noyaux atomiques. En conséquence, la réaction de fusion est appelée réaction thermonucléaire. Ces réactions de fusion se font naturellement dans les étoiles : des noyaux d hydrogène vont fusionner en plusieurs étapes pour donner des noyaux d hélium. On créé avec cette réaction des bombes thermonucléaires (bombes H). C est alors la fission nucléaire qui permet d engendrer la haute température et donc la fusion. On cherche à contrôler la fusion pour s en servir dans les réacteurs nucléaires (projet ITER). La difficulté réside dans le confinement du plasma. Exemple de réaction de fusion : donner l'équation de la fusion entre un noyau de deutérium (A=2) et un noyau de tritium (A=3) (2 isotopes de l hydrogène 1) : il se forme un noyau d hélium 4 et une particule à identifier: 3. Relation d'einstein : Pour Einstein en 1905, un système au repos possède une énergie due à sa masse, appelée énergie de masse. Elle est définie par : Calcul de l'énergie libérée par une réaction nucléaire : Au cours d une réaction nucléaire, la masse diminue : la variation de masse Δm est négative. La relation d'einstein implique que quand il y a diminution de la masse d'un système, alors il y a libération d'énergie vers l'extérieur : E libérée = Δm * c² Cf TP n 22 Page 196 ex 23, 24 Page 197 ex 28

5 4. Défaut de masse: La masse d un noyau est toujours inférieure à la somme des masses des nucléons qui le compose. Pour un noyau (A, Z), défaut de masse = Z * m P + (A-Z) * m N - m NOYAU > 0 L'énergie de liaison correspond à l énergie qu il faut fournir à un noyau au repos pour le casser et le dissocier en nucléons libres et isolés. Cette énergie de liaison s'exprime en fonction du défaut de masse : E l = défaut de masse * c 2 Page 195 ex 20 Page 195 ex 21 Page 22 ex 22

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