Réactions nucléaires PHYSIQUE

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1 PHYSIQUE Réactions nucléaires I) Introduction Détection à l aide d un compteur Les interactions au niveau de l atome ne sont plus suffisantes pour assurer la cohésion du noyau, il se désintègre. Un compteur permet de compter le nombre de désintégration d un groupe de noyau pendant un temps fixé. Définition Un noyau radioactif est un noyau instable qui se désintègre ( se transforme en noyau ) de façon aléatoire. Lors de cette transformation, il se forme un ou plusieurs noyaux. Une réaction nucléaire met en jeu différents noyaux. La radioactivité correspond à une réaction nucléaire spontanée avec émission de rayonnements. Propriété des désintégrations Les désintégrations radioactives sont : - aléatoire - spontanées - inévitable - indépendantes de la combinaison chimique - indépendant de la pression et de la température. II ) Stabilité et instabilité des noyaux 1) Quelques définitions relatives aux noyaux d'atomes * Caractéristiques d'un noyau d'atome La représentation symbolique du noyau d'un atome est X est le symbole de l'élément chimique de numéro atomique Z. Z est le nombre de protons. Z est aussi appelé nombre de charge. A est le nombre de nucléons. A est aussi appelé nombre de masse. N=A-Z est le nombre de neutrons présents dans le noyau. * Nucléide : Un nucléide est l'ensemble des noyaux ayant le même nombre de nucléons A et le même nombre de protons Z. * Élément :Un élément est constitué par l'ensemble des particules, atomes et ions monoatomiques, ayant le même nombre de charge Z. * Isotope : Des noyaux sont appelés isotopes si ils ont le même nombre de charge mais des nombres de nucléons A différents. Par exemple et sont des isotopes du chlore.

2 III ) Réaction nucléaire spontanée Lors d une réaction nucléaire il y a conservation du nombre de nucléons (nombre de masse) et du nombre de charge (numéro atomique). ( ce sont les lois de conservations ) Ce qui se traduit par : Avec A = A 1 + A 2 et Z = Z 2 + Z 1. 1) Réaction nucléaire spontanée (la Radioactivité alpha, beta-, beta+ ) * Radioactivité alpha ( α ) La radioactivité alpha suit cette équation: Caractéristiques c est la particule α Ce sont des particules qui sont arrêtés par de feuille de papier. Les particules alpha sont très ionisantes. Radioactivité beta- ( β - ) La radioactivité beta- suit cette équation: Caractéristiques Ce sont des particules assez peu pénétrantes. la particule beta-, c'est un électron. Sont arrêtés par quelques millimètres d aluminium. Les radionucléides - possèdent trop de neutrons par rapport aux nucléides stables de même nombre de masse A. La transformation de ce neutron excédentaire produit un électron suivant ce bilan: Radioactivité beta+ ( β + ) La radioactivité beta+ suit cette équation: positron. Caractéristiques Ont une durée de vie très courte. la particule beta+, c'est un Disparaissent si elle rencontre un électron. La transformation d'un proton excédentaire produit un positon suivant le bilan: Rayonnement gamma ( γ ) On a émission du rayonnement γ si le noyau formé est dans un état excité Soit l équation ci-contre qui traduit l émission γ : Y* est excité, il n est pas stable. Caractéristique :Le rayonnement gamma est très pénétrant, il faut 20cm de plomb pour l arrêter) Remarque : Le rayonnement γ à l aspet d un photon d énergie E = h ( : fréquence du rayonnement )

3 IV) La loi de décroissance radioactive Caractère aléatoire La désintégration des noyaux radioactifs est un phénomène totalement aléatoire. Elle ne dépend que du type de noyau. 1) Notations utilisées Soient un échantillon contenant N 0 noyaux radioactifs à la date t 0 =0 choisie comme date initiale et N le nombre de noyaux radioactifs (non désintégrés) encore présents dans l'échantillon à la date t( noyaux resautant ) Pendant l'intervalle de temps dt très bref, un certain nombre de noyaux radioactifs se sont désintégrés. Soit alors N+dN le nombre de noyaux radioactifs (non désintégrés) encore présents dans l'échantillon à la date t+dt. Compte tenu de ces notations, le nombre moyen (le phénomène est aléatoire) de noyaux qui se désintègrent pendant la durée dt est: 2) Courbe et interprétation On montre que : d où c est la loi de décroissance radioactive C est une loi exponentielle décroissante avec λ : constante radioactive du radionucléide ( s -1 ) λ peut s exprimé en min -1 ou h -1 ou jour -1 ou année -1 Le nombre des noyaux radioactive diminue exponentiellement au cours du temps. Lorsque N = N 0 / 2 on a t = t 1/2, c est la periode de demi-vie d un noyau radioactive On montre que t 1/2 = = T On peut déterminer τ à l aide de la méthode de la tangente et déduire la constante radioactive λ 3) Activité d'une source radioactive Définition L'activité A d'une source radioactive est égale au nombre moyen de désintégrations par seconde dans l'échantillon. Elle s'exprime en becquerels dont le symbole est Bq (1Bq=1 désintégration par seconde). Le curie (Ci) est une autre unité de mesure d'activité utilisée. Il correspond à l'activité de 1,0g de radium et vaut 3,7x10 10 Bq. On montre que cette activité est une fonction exponentielle décroissante

4 DOCUMENT Datation radioactive L isotope 14 du carbone ( 14 C) est un élément radioactif très intéressant. Cet isotope est présent dans la haute atmosphère, où il est c o n s t a m m e n t p r o d u i t p a r d e s r a y o n s cosmiques qui interagissent avec l azote. Le carbone 14 circule dans l atmosphère, les océans et la biosphère. Il est produit entre 7000 et mètres d altitude. Ces isotopes se désintègrent au même taux qu ils sont produits, de sorte que la concentration reste constante. Le carbone 14 s oxyde en gaz carbonique et se propage sur la terre sous forme de 14 CO 2. Ce carbone est stocké par les océans. Il en va de même de tout être vivant (accumulation par la respiration, la photosynthèse). La concentration de cet isotope baisse dès qu un organisme meurt. Il est donc possible de dater la mort. Les «échantillons» qui peuvent être datés sont le bois, des charbons, des ossements, des carbonates (coquilles). La période de radioactivité du carbone 14, également nommé le radiocarbone, est de 5730 années.

5 PHYSIQUE Réactions nucléaire Masse et énergie I ) Equivalence masse énergie 1) Relation d'einstein Postulat d'einstein: Un système de masse m possède lorsqu'il est au repos, une énergie: E: énergie du système en joules (J) E = mc 2 m: masse du système en kilogrammes (kg) c: vitesse de la lumière dans le vide Conséquence: Si le système (au repos) échange de l'énergie avec le milieu extérieur, (par rayonnement ou par transfert thermique par exemple), sa variation d'énergie E et sa variation de masse m sont liées par la relation E = m.c 2 Remarque: Si m<0 alors E<0: le système fournit de l'énergie au milieu extérieur. Si m>0 alors E>0: le système reçoit de l'énergie du milieu extérieur. 2) Unités de masse et d'énergie Unité de masse : Dans ce domaine on peut utiliser l unité de masse atomique notée U soit 1U = 1, Kg Unité d énergie : Le joule est une unité d'énergie inadaptée à l'échelle microscopique. On utilise plutôt à cette échelle l'électron-volt (noté ev soit 1ev = 1, j ) Remarque: On utilise aussi le MeV: 1MeV = 10 6 ev = 1, J. Relation entre unité de masse et unité d énergie 1u = 931,5Mev/C 2 = 931,5Mev.C -2

6 II) Énergie de liaison du noyau 1) Défaut de masse du noyau m Expérimentalement, on a constaté que la masse du noyau atomique est inférieure à la somme des masses des nucléons qui le constituent. Soit m p la masse d un proton et m n la masse d un neutron Dans le cas d'un noyau on a m = Z.mp + (A - Z).mn mnoyau avec m: défaut de masse du noyau On remarque que m> Exemple: Dans le cas du noyau d'hélium 2He, m = 2.mp + 2.mn - m( 2He ). 2) Énergie de liaison du noyau Définition: On appelle énergie de liaison d'un noyau (notée El) l'énergie que doit fournir le milieu extérieur pour séparer ce noyau au repos en ses nucléons libres au repos. Lorsqu'on brise le noyau, sa masse augmente de m et son énergie de mc 2 On en déduit que l'énergie de liaison d'un noyau a pour expression : E L = mc 2 E L : énergie de liaison en (Mev ) m: défaut de masse du noyau en kilogrammes (kg) c: vitesse de la lumière dans le vide Remarque: Inversement, lorsque le noyau se forme à partir de ses nucléons libres, le milieu extérieur reçoit l'énergie E= m.c 2 (la masse du système diminue et m<0). 3) Énergie de liaison par nucléon Définition: L'énergie de liaison par nucléon d'un noyau est le quotient de son énergie de liaison par le nombre de ses nucléons. On la note EA. Soit E A = E L A

7 III) Réaction nucléaire provoquée Définition: Une réaction nucléaire est dite provoquée lorsqu'un noyau cible est frappé par un noyau projectile et donne naissance à de nouveaux noyaux 1) La fission nucléaire: réaction en chaîne Définition: La fission est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle un noyau lourd "fissible" donne naissance à deux noyaux plus légers. Soit l exemple du bombardement d un noyau d uranium 235 ( possède un nombre de masse A = 235) Plusieurs réactions de fission de l'uranium 235 sont possibles: 2) La fusion nucléaire Définition: La fusion nucléaire est une réaction au cours de la quelle deux noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd. Exemple Remarque :Pour que la fusion soit possible, les deux noyaux doivent posséder une grande énergie cinétique de façon à vaincre les forces de répulsion électriques. Pour cela le milieu doit être porté à très haute température et se trouve alors sous forme de plasma. Attention Soit la réaction nucléaire suivante : A + B C + D Lors de la formation de C et D il ya les résultats suivantes : - Une énergie libérée E - C possède une énergie cinétique Ec ( C ) - D possède une énergie cinétique Ec ( D ) On a alors les égalités suivantes : - E = Ec ( C ) + Ec( D ) - - E C E C = m c m D ( m C : masse de C et m D : la masse de D ) Attention Soit la réaction nucléaire suivante X * X + γ X * c est un noyau dans un état excité, il va libérer un rayonnement électo-magnétique γ dont l énergie est égal : h Avec : h : constante de Planck = 6, J.s : Fréquence de cette radiation ( Hz )

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