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1 La radioactivité alpha est l émission spontanée d une particule lourde chargée par un radionucléide donnant naissance à un nucléide plus léger. RADIOACTIVITÉ ALPHA

2 Radioactivité alpha Equation de la réaction : Noyau père au repos X Y+a Noyau fils Particule Alpha Le rayonnement α produit dans ces transformations radioactives est un noyau d'hélium ( 4 He). 4 2 αº He = (2p,2n) 4 X Y+ 2He PACES - UE3.1 4

3 Loi de Soddy Lois de conservation : Charge électrique : Z = Z + 2 => Z = Z - 2 Nombre de nucléons : A = A + 4 => A = A - 4 A Z A Z A' 4 Z ' 2 X Y+ He A-4 4 Z-2 2 X Y+ He Ce type de radioactivité est le fait de certains noyaux lourds U Th + He Ra Rn + He Po Pb + He PACES - UE3.1 5

4 Radioactivité La radioactivité bêta moins est l émission spontanée d une particule légère (chargée négativement) par un radionucléide donnant naissance à un nouveau radionucléide.

5 Radioactivité 1902 : Marie et Pierre Curie montrent que les rayonnements β ne sont autres que des électrons. Lois de conservation : A A Z X Z+ 1Y+ β+ νe A A - Z X Z+ 1Y+ e + νe charge électrique : Z = (Z+1) + (-1) + 0 Nombre de nucléons : A = A PACES - UE3.1 17

6 Radioactivité A Z A - Z+ 1 e X Y+ β + ν Le nombre de nucléons reste inchangé et le nombre de protons augmente. Tout se passe comme si un neutron laissait la place à un proton n 1p+ -1e+ 0νe» de la charge électrique : Z = 0 = 1 + (-1) + 0» Nombre de nucléons : A = 1 = PACES - UE3.1 19

7 Hypothèse du neutrino (3) Dans la réaction, le nombre de nucléon est conservé : n 1p+ -1e+ 0νe Par contre, apparaît un électron dans l état final qui n était pas présent dans l état initial. Les électrons font parti d une autre famille de particules (les leptons). Pour conserver le nombre d éléments de cette famille entre l état initial et final, il faut ajouter un anti-lepton dans l état final (sans introduire de charge électrique supplémentaire) : Dans le cas de la radioactivité, il faut associer un antineutrino à l électron. X Dans le cas de la radioactivité, il faut associer un neutrino au positron (antiélectron) produit. X Y + e + ν e Y + e + ν e PACES - UE

8 Radioactivité + La radioactivité bêta «plus» est l émission spontanée d une particule légère (chargée positivement) par un radionucléide donnant naissance à un nouveau radionucléide.

9 Equation de la réaction : Radioactivité + A A' 0 0 Z X Z ' Y+ + 1e+ 0νe Lois de conservation : de la charge électrique : Z = Z => Z = Z - 1 Nombre de nucléons : A = A => A = A A Z A + Z-1 e X Y+ e + ν 1932 : Carl David Anderson découvre le positron, antiparticule de l électron dans le rayonnement cosmique. PACES - UE3.1 25

10 Radioactivité Un proton disparait : Z Z-1 Le nombre nucléons reste constant : A A Tout se passe comme si un proton laissait la place à un neutron p 0n+ 1e+ νe» charge électrique : Z = 1 = » Nombre de nucléons : A = 1 = p n + e n e PACES - UE3.1 26

11 Radioactivité A Z A + Z-1 e X Y+ β + ν Cette radioactivité se retrouve surtout chez les éléments artificiels : N 6C+ e + νe Elle est analogue à la radioactivité Elle s accompagne d une ou plusieurs émissions de photons gamma. PACES - UE3.1 27

12 Radioactivité γ La radioactivité γ est l émission d un photon de haute énergie. Elle est généralement consécutive à une autre désintégration.

13 Radioactivité γ L'émission d'un gamma accompagne les désintégrations alpha, bêta et la capture d'un électron. Ces événements laissent généralement le noyau dans un état excité (isomère nucléaire), c'est-à-dire avec un supplément d'énergie par rapport à son état naturel appelé état «fondamental». Le noyau perd cet excès d'énergie en une ou plusieurs étapes, émettant un ou plusieurs photons gamma. Exemple : Co Ni + e + ν γ Ni+ γ' ** e 60 * 28 Ni PACES - UE3.1 39

14 Réactions de fission PACES - UE3.1 52

15 Réactions de fission La fission nucléaire est le phénomène par lequel un noyau lourd est divisé en plusieurs nucléides plus légers. On distingue deux types de réactions de fission : 1. La fission spontanée découverte en 1940 sur des noyaux d' 238 U (5, %). On parle de fission nucléaire spontanée lorsque le noyau se désintègre en plusieurs fragments sans apport d énergie. Ce type de fission n'est possible que pour les noyaux extrêmement lourds, car l'énergie de liaison par nucléon est alors plus petite pour le noyau père que pour les noyaux fils. ex : l' 235 U ( %) dans une très faible proportion et le 232 Th (1, %). PACES - UE3.1 53

16 Réactions de fission (2) 2. La fission induite est la réaction par laquelle un noyau lourd donne naissance à 2 noyaux plus légers sous l impact d une particule incidente comme le neutron. A 1 A A N+ 0n X+ Y n+ γ Z Z Z x y PACES - UE3.1 54

17 Energie libérée par l 235 U U n Sr Xe 2 n La fission d 1 kg d 235 U : 3 m N 235 = 6, = 2,6 10 noyaux 92 U M 235 ( U) 235 Totale U E = N 2, ,6 10 = 7,6 10 J= 76 TJ Une tonne équivalent pétrole (tep) = 41,868 GJ. Donc, en supposant que toute l énergie est utilisée, 1 kg d uranium-235 équivaux à tonnes de pétrole. PACES - UE3.1 59

18 La fusion nucléaire PACES - UE3.1 61

19 La fusion nucléaire La fusion est la transformation de noyaux léger en noyaux plus lourds s accompagnant de la production d énergie et de particules secondaires. Exemple : PACES - UE3.1 62

20 La fusion nucléaire Expression générale de la réaction de fusion : Bilan de la réaction : A A A X+ Y N+ n 1 2 Z1 Z2 Z x i f A 2 A 2 E = m c + m c 1 2 ( Z X) ( Y) 1 Z p 1 1 n l 2 p 2 2 n l = Z m c + ( A - Z ) m c - E (X) + Z m c + ( A - Z ) m c - E (Y) A Z 2 2 n E = m( N) c + x m c + Q p ( ) n l(n) n = Zm c + A- Z m c - E + x m c + Q p 1 1 n l 2 p 2 2 n l Q= Z m c + ( A - Z ) m c - E (X) + Z m c + ( A - Z ) m c - E (Y) p ( ) n l(n) n -Zm c - A- Z m c + E - x m c PACES - UE3.1 63

21 La fusion nucléaire La fusion d 1 kg de mélange 2 H+ 3 H : Totale H+ H He+ n Q= 17,6 MeV H A H+ H U 14 1 tep = 41,868 GJ. Donc, en supposant que toute l énergie est utilisée, 1 kg de mélange 2 H+ 3 H équivaux à tonnes de pétrole. 4,5 fois l énergie libérée par 1 kg d uranium m N = N = 6, = 1, 2 10 noyaux M ( H) + M ( H) E = N Q= 1, ,6 10 1,6 10 = 3,4 10 J= 340 TJ PACES - UE3.1 68

22 La fusion nucléaire H+ H He+ n 1. Dans la réaction de fusion il est nécessaire d apporter initialement de l énergie pour lutter contre la répulsion coulombienne et approcher suffisamment les deux noyaux pour qu ils fusionnent. 2. Contrairement à la fission, la fusion ne produit pas de réaction en chaine. D ou la nécessité de maintenir une pression et une température élevée pendant un temps suffisamment long pour produire une énergie avec un bon rendement. PACES - UE3.1 69

23 La fusion nucléaire H+ H He+ n Les conditions à remplir pour réaliser une fusion sont :» Une température élevée ( K) pour vaincre la répulsion coulombienne (on parle de réaction thermonucléaire).» Un temps de confinement suffisant pour obtenir un rendement satisfaisant. Deux solutions :» Le confinement inertiel par laser (FCI).» Le confinement magnétique (Tokamak). PACES - UE3.1 70

24 Résumé Source Quantité (kg) Energie (x 10 6 J) Pétrole 1 42 Uranium-235 (100%) H+ 3 H Matière-antimatière PACES - UE3.1 72

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