Chap. 8 Le noyau et les transformations nucléaires. X est le symbole chimique de l'élément Z est nombre de charge ou nombre de protons du noyau Z

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1 Chap. 8 Le noyau et les transformations nucléaires I- Le noyau - Représentation On représente un noyau atomique par X est le symbole chimique de l'élément est nombre de charge ou nombre de protons du noyau est le nombre de masse ou nombre de nucléons - donne le nombre de neutrons Le noyau est constitué de nucléons : Protons et neutrons Un nucléide est un ensemble de noyaux caractérisés par la même valeur de et de 7 3 l : 3 protons et neutrons - Isotopes On dit que deux noyaux sont isotopes s'ils ont le même nombre de charge mais des nombres de masse différents, même mais différent O : 99,76 % 8 O :, % 8 8 O :, % 3- Unité de masse atomique L'atome est très léger, aussi l'emploi du kilogramme est peu pratique. Nous utiliserons à l'échelle atomique l'unité de masse atomique. L'unité de masse atomique est égale au douzième de la masse d'un atome de l'isotope du carbone. u =, kg nucléons proton neutron électron charge (C) +, ,6. -9 masse (kg), , , masse (u),73,87, Stabilité du noyau Dans un noyau atomique, il y a les forces d interactions électriques répulsives entre les protons. Les forces d interactions gravitationnelles entre les nucléons ont des valeurs très faible devant celles des forces électrique car les masses sont petites. La cohésion des noyaux stables est assurée par l interaction forte (attractive) de très courte portée entre les nucléons (de l ordre de -5 m). Le diagramme de Ségré permet de voir la répartition des noyaux stables parmi les quelques 5 nucléides connus. (seuls 7 sont stables). Page sur 5

2 II- Radioactivité - Définition La radioactivité est la transformation spontanée d'un noyau en un autre accompagnée de l'émission d'un rayonnement radioactif. Lors de la désintégration radioactive le noyau père se transforme en un noyau fils et il y a en même temps création de rayonnements invisibles dangereux pour l'homme.. Il y a quatre types de rayonnement :, +, - et. Les transformations radioactives sont : - indépendante de la combinaison chimique - indépendante des paramètres usuels (température, pression) - spontanées (sans actions extérieures pour les déclencher) - inéluctables (un noyau radioactif se désintègre tôt ou tard) - aléatoires (on ne prévoit pas l'instant de la désintégration d'un noyau) - Lois de conservation Lors des radioactivités et le noyau père X donne un noyau fils Y plus une particule chargée. X ' ' Y + a z P Dans ces équations bilan il y a (loi de Soddy) : - conservation du nombre de nucléons = ' + a - conservation de la charge électrique = ' + z 3- La radioactivité La radioactivité est l'émission de particules ou noyaux d'hélium He par des noyaux instables. La particule est positive. X Y + He - Radioactivité béta a) béta + ; + Ne concerne que les nucléides artificiels. Il y a émission d'un positron (masse de l'électron mais charge électrique opposée) e. Elle s'accompagne généralement de l'émission d'un neutrino. X Y + e provient de la décomposition d'un proton en neutron p e b) beta ; - u cours de cette désintégration il y a émission d'électrons - (ou e ) très rapides (7 km.s - ). Elle est accompagnée de celle d'une particule appelée antineutrino de charge nulle et de masse si faible qu'elle n'a pas été encore mise en évidence. X Y + e provient de la décomposition d'un neutron en proton n p + e Page sur 5

3 5- Radioactivité naturelle et artificielle Des éléments radioactifs existent naturellement dans le sol, dans l eau et dans l air dons aussi dans tous les êtres viavants.il existe une soixantaine de noyaux radioactifs naturels, le carbone, l uranium ou le potassium. La radioactivité peut aussi être artificielle, car les activités humaines produisent des noyaux radioactifs variés, elle peut être dangereuse. 6- ctivité La loi de décroissance des noyaux radioactifs a été établie expérimentalement en 9 par Rutherford et Soddy. Définition : Le nombre, dn, de désintégrations nucléaires spontanées qui se produisent dans une quantité donnée de matière pendant un temps infiniment petit, dt, est proportionnel au nombre d'atomes radioactifs (N) et au temps (dt) selon la relation : dn = -. N. dt () où est la constante radioactive et c'est une caractéristique du radionucléide. Par intégration, on obtient : N t = N. e (-. t) () L'activité d'un radionucléide est le nombre de désintégrations qui se produisent par unité de temps dans une quantité donnée de ce radionucléide. L'activité représente donc la vitesse de désintégration du radionucléide : = - dn / dt Compte tenu des relations () et (), on obtient : =. N = L'activité diminue de moitié au bout d'une période. L'unité est le BECQUEREL (Bq): Bq = désintégration par seconde L'ancienne unité encore très utilisée est le Curie (Ci): Ci = 3,7 Bq 7- Réaction de fission C'est une réaction nucléaire provoquée. La fission est la division d'un noyau lourd sous l'impact d'un neutron. Ce neutron possède une énergie de quelques centièmes de MeV : c'est un neutron lent ou thermique. Trop lent il rebondit et trop rapide il passe au travers. Les nucléides susceptibles de se scinder sous l'impact de neutrons thermiques sont dits fissiles. (,7 % 35 U). Les nucléides fertiles peuvent engendrer des nucléides fissiles artificiels. ex : Sr + 5 Xe + 3 n Br + 57 La + 3 n Nous avons vus que la réaction de fission engendre un ou plusieurs neutrons qui possèdent une certaine énergie cinétique; ils sont donc susceptibles à leur tour d'engendrer d'autres fissions. Il en résulte une réaction en chaîne. (Observée en 939 par F. Joliot-Curie) L'énergie est considérable, si elle n'est pas contrôlée il y a explosion, c'est l'effet d'une bombe 8- Réaction de fusion La fusion est une réaction nucléaire provoquée, au cours de laquelle deux noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd H + H 3 H + H d + d t + p d noyau de deutérium p proton t noyau de tritium Page 3 sur 5

4 III- Energie nucléaire - Equivalence masse énergie Postulat d'einstein (95): Un système de masse m possède lorsqu'il est au repos, une énergie: E= m.c avec E: énergie du système en joules (J); m: masse du système en kilogrammes (kg) ; c: célérité de la lumière dans le vide (c = m.s - = 3,. 8 m.s - ) Le joule est une unité d'énergie inadaptée à l'échelle microscopique. On utilise plutôt à cette échelle l'électron volt (ev): ev=,6. 9 J Mev = 6 ev =,6. 3 J - Défaut de masse Un noyau d'hélium He est constitué de protons et de neutrons. Comparons la masse du noyau d'hélium au repos et la masse de ses nucléons séparés, également au repos : m( He) =,5 u m (nucléons séparés) m p + m n =,3 u Donc: m( He) < m (nucléons séparés). La formation d'un noyau à partir de ses nucléons séparés s'accompagne d'une perte de masse. On appelle défaut de masse d'un noyau, la différence entre la masse des nucléons, séparés et au repos, et la masse du noyau au repos. Pour un nucléide X le défaut de masse est: [. m p + (- ) m n ] - m ( X ) 3- Energie libérée La fission : Sr + 5 Xe + 3 n Négligeons les énergies cinétiques des différentes particules de départ. 35 E avant = m avant. c² = [ m( 9 U ) + m( n )]. c² 9 39 E après = [ m( Sr ) + m( 5 Xe )+ 3 m( n )]. c² + E c (n) + E E après = m après. c²+ E c (n) + E Il y a conservation de l énergie : E avant = E après et (m avant - m après ). c² = E c (n) + E = Q énergie libérée par cette réaction m( 9 U )= 3,9933 u, m( Sr ) = 93,896 u, m( 5 Xe )=,899 u et m( n ) =,866 u donc (m avant - m après ) =,896 u et Q =, = 76,6 MeV La fusion : H + H 3 H + H Me d + d t + p d noyau de deutérium p proton t noyau de tritium H + 3 H He + n 3,5 MeV H + 3 H He + n 7,6 MeV Page sur 5

5 Les réactions de fusion libèrent de l'énergie. Cette énergie peut apparaître comme faible vis à vis de la fission mais rapportée à l'unité de masse de combustible elle est supérieure. En effet un noyau fissile possède une masse d'environ 35 u alors que la somme des masses du deutérium et tritium est environ de 5 u. L'énergie libérée lors de la fusion est appelée énergie thermonucléaire. Type de réaction Masse Énergie libérée en joule (J) 3- Ordre de grandeur d énergies libérées. Fusion, g d hydrogène fusionné Fission, g d uranium 35 fissionné Désintégration alpha, g de radon désintégré Combustion du pétrole, g de pétrole brûlé Combustion du charbon, g de charbon brûlé 3,6 x 8, x, x 9, x,8 x Conclusion : La radioactivité a été découverte par Henri BECQUEREL en 896 (85 98). Il découvre la radioactivité de l uranium au cours de travaux sur la phosphorescence. Les travaux sont poursuivis par Pierre et Marie CURIE. En 898, ils découvrent la radioactivité du polonium Polonium et du radium Radium 6. En 93 : prix Nobel de physique (Henri BECQUEREL avec Pierre et Marie CURIE). On connaît actuellement, une soixantaine de nucléides naturels radioactifs et environ nucléides artificiels radioactifs. La recherche pour maitriser la fusion est internationale autour du projet ITER. Page 5 sur 5

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