Qu est-ce que la matière?

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1 Qu est-ce que la matière? matière atome électron proton quarks Photo CERN noyau neutron atome noyau Proton Neutron nombre d électrons de l atome élément chimique nombre de protons du noyau = nombre d électrons de l atome élément chimique un élément peut avoir plusieurs isotopes qui différent par le nombre de neutrons de leur noyau CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T3 Si on fait des zooms successifs sur de la matière, du cuivre par exemple, on voit que la matière est composée d atomes tous identiques. En zoomant sur les atomes, on voit qu ils sont composés d un noyau très compact entouré d électrons très petits. Chaque électron porte une charge électrique négative, et le noyau une charge électrique positive égale à la somme des charges des électrons. En zoomant sur le noyau, on s aperçoit que lui-même est composé de particules appelées des nucléons. Il y en a de 2 sortes : des protons et des neutrons. Les protons portent chacun une charge électrique positive. Ils sont en nombre égal au nombre d électrons. Les neutrons leur sont très semblables sauf qu ils n ont pas de charge électrique. En zoomant sur les nucléons, on voit qu ils sont eux-mêmes composés de 3 particules appelées des quarks. Et en zoomant sur les quarks, on ne sait pas encore Le nombre d électrons, et donc le nombre de protons qui lui est égal, détermine les propriétés chimiques de l élément. Ainsi, les noyaux d hydrogène ont un seul proton, ceux de cuivre en ont 29 et ceux d uranium 92. Par contre, le nombre de neutrons n est pas unique : ainsi, les noyaux stables de cuivre peuvent avoir 34 ou 36 neutrons ; ce qui, compte tenu des 29 protons, correspond aux isotopes «cuivre 63» et «cuivre 65». 1

2 Les isotopes de l hydrogène 1 électron 1 proton 1 électron 1 proton 1 neutron 1 électron 1 proton 2 neutrons hydrogène 1 H deutérium 2 H tritium 3 H Le nombre de protons caractérise l élément chimique, mais le nombre de neutrons peut varier, au moins dans certaines limites. Sans neutron, il est impossible d avoir plus d un proton dans le noyau puisque les protons se repoussent électriquement. Ainsi, l hydrogène comporte trois isotopes : Le noyau d hydrogène H comporte 1 proton et 1 neutron Le noyau de deutérium : 1 proton, 2 neutrons Le noyau de tritium : 1 proton, 3 neutrons. 2

3 Isotopes Nombre de masse (neutrons + protons) 238 Numéro atomique (protons) 92 uranium U uranium 238 Protons = 92 Neutrons = 146 Masse = 238 Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique (protons). Un isotope particulier est caractérisé par son nombre de masse (protons+neutrons). Ces 2 caractéristiques donnent le nombre de neutrons. Tous les isotopes d un même élément possède les mêmes propriétés chimiques. 3

4 Les isotopes de l uranium uranium U Protons = 92 Neutrons = 143 Masse = 235 uranium U Protons = 92 Neutrons = 146 Masse = 238 Deux noyaux ayant le même numéro atomique mais des nombres de masse différents sont dits ISOTOPES Tous les isotopes d un même élément possédent les mêmes propriétés chimiques. 4

5 Trois rayonnements! -V α γ +V β Papier Aluminium Béton Dans les années qui suivent la découverte de la radioactivité, des physiciens se consacrent à l étude des propriétés des éléments radioactifs. Ils établissent que les rayonnements émis sont de trois types selon leur degré de pénétration et leur charge électrique : alpha, bêta et gamma. Il y a 3 rayonnements : Un de charge électrique positive, très peu pénétrant : le rayonnement alpha Un de charge électrique négative : le rayonnement bêta Un neutre, très pénétrant : le rayonnement gamma 5

6 Noyaux stables et noyaux radioactifs Dans la nature la plupart des noyaux sont stables P R O T O N S NEUTRONS Mais si le noyau a un excès de protons ou de neutrons, Il va se transformer en un noyau plus stable en émettant des rayonnements α ou β et des γ : il est radioactif Puisque les protons ont des charges électriques positives, il faut des neutrons dans le noyau pour le stabiliser. Mais il ne faut pas non plus trop de neutrons. Les noyaux de 2 protons ou de 2 neutrons n existent pas! 6

7 Un noyau hélium-4 (α) se sépare radium-226 radon α Protons Neutrons P R O T O N S La radioactivité α NEUTRONS + Certains noyaux vont se transformer en émettant une particule α. La particule α est un noyau d hélium 4 composé de 2 protons et 2 neutrons. Elle a donc 2 charges électriques positives. C est donc une particule assez massive, ce qui explique qu elle ne peut pas traverser beaucoup de matière. 7

8 La radioactivité β Un proton devient neutron Un neutron devient proton Pp + n+ e+ +ν R Fluor O 18 oxygène 18 9 Tprotons 8 protons O NRadioactivité β+ β + S NEUTRONS n p + + e +ν Azote 18 oxygène 18 7 protons 8 protons Radioactivité β β Si les protons sont en excès, un proton peut se transformer en neutron. Le noyau émet alors un «positon» qui a la même masse que l électron, mais porte une charge positive, et un neutrino, particule très légère et neutre. Si les neutrons sont en excès, un neutron peut se transformer en proton. En même temps, le noyau émet un électron chargé négativement, et un antineutrino. L électron et le positon ont une masse 8000 fois plus petite que celle de la particule α. 8

9 La vallée de stabilité Masse (MeV) β + β β A=101 cadmium argent palladium rhodium ruthenium technetium molybdene niobium zirconium protons neutrons yttrium Pour un nombre total de protons et de neutrons seules quelques répartitions neutrons-protons sont stables. Par exemple à la masse 101, seul le ruthénium qui a 44 protons et 57 neutrons est stable. Les autres noyaux de masse 101 (isobares) ont des masses plus élevées. Et, comme l eau des flancs d une vallée descend vers le fond de la vallée, ces noyaux vont se transformer pour aller vers le noyau qui a la plus petite masse. Selon qu ils ont un excès de protons ou de neutrons, ils vont se transformer par radioactivité bêta + ou bêta - 9

10 La radioactivité γ e γ ν Émission β Radioactivité γ Quand un noyau est radioactif α ou β, le noyau transformé n est pas dans son état normal. On dit qu il est «excité» car il a un trop-plein d énergie. Pour évacuer cettte énergie, il émet du rayonnement γ. Le rayonnement γ est une onde de même nature que la lumière, mais il transporte beaucoup plus d énergie. 10

11 Rayons γ, lumière et micro-ondes Charges en Onde mouvement électromagnétique Tout phénomène cosmique violent est source d ondes électromagnétiques détectables. Visible : télescopes (astronomie optique) Ondes radio : radio-télescopes TV FM AM En allant des énergies les plus élevées vers les énergies les plus faibles, on trouve les rayons γ, les rayons X, les UV, la lumière visible, les IR, les micro-ondes et les ondes radio Dans la théorie classique, une onde électromagnétique est définie par les champs (vectoriels) électrique et magnétique. Une charge statique est la source d un champ électrostatique. Des charges en mouvement (courant électrique) produisent simultanément un champ électrique et magnétique. Un champ magnétique statique a comme seul effet de courber la trajectoire des particules chargées. Un champ électrique ou un champ magnétique variable dans le temps peuvent accélérer une particule chargée. En Mécanique Quantique ondes et particules sont deux manifestations d un même phénomène (dualité onde-particule). Ainsi le photon se comporte en même temps comme une particule (grain de lumière) et comme le constituant des ondes ém. En astrophysique, un champ électromagnétique peut être produit dans un grand nombre de situation : la rotation d étoiles à neutron qui portent des charges de surface, accélération dans des ondes de choc de nuages de plasma (atomes ionisés ou électrons), rayonnement (cf le Soleil, ou plus généralement toute étoile émettant de la lumière visible) etc. 11

12 La radioactivité artificielle 1934 Irène Curie découverte de la radioactivité & Frédéric Joliot artificielle 1 neutron 4 He + 27 Al phosphore Radioactif 30 P 30 Si En 1934, Irène et frédéric Joliot-Curie découvrent qu il est possible de fabriquer des noyaux radioactifs qui n existent pas dans la nature. En effet, en bombardant une feuille d aluminium avec des rayons α, ils avaient obtenu un isotope du phosphore qui se désintégrait comme les éléments radioactifs naturels. Mais le phosphore naturel n était pas du tout radioactif. 12

13 La demi-vie (T 1/2 ) N Demi-vie : Temps au bout duquel l activité est divisée par 2 N/2 Après 10 demi-vies, il reste environ un noyau sur mille N/4 N/8 N/16 Nombre de demi-vies À chaque demi-vie, le nombre de noyaux restants est divisé par 2 La forme exponentielle de la décroissance et la définition de la demi-vie permettent de comprendre deux applications importantes : si la demi-vie d un noyau formé à l origine de l univers est très grande, de l ordre de 15 milliards d années, celui-ci est encore présent aujourd hui et il est donc possible d observer sa décroissance (technique de datation). Connaissant la demi-vie d un élément et son activité initiale, la mesure de son activité au temps t permet de dater un objet ou un matériau. sachant par exemple qu il faut attendre 10 demi-vies pour qu il reste environ un noyau sur 1000, le temps d attente pour que des déchets ne présentent plus de danger est d autant plus bref que leur demi-vie est courte. 13

14 Carte N-Z par demi-vie P R O T O N S NEUTRONS NUCLEUS Plus on s éloigne de la stabilité plus les demi-vies sont brèves 14

15 Demi-vie 138 jours 1 μg = 170 MBq Le polonium 210 Emetteur alpha 5,4 MeV Contamination par ingestion tissus mous foie, rein, rate, ganglions, parois vasculaires Elimination : ~ ½ en 50 jours Dose léthale ~ 10 ng/kg soit ~ 1 μg pour un homme adulte En vente libre : doses de 3700 Bq ( 0,22 x 10-4 μg ) Rappel corps humain : 4500 Bq de 40 K 3700 Bq de 14 C Le Becquerel est une très petite unité. Il correspond à une désintégration par seconde. Avec un détecteur de grande efficacité, il est possible d observer la désintégration de chaque noyau radioactif contenu dans un échantillon. Sachant que dans quelques grammes de matière il y a de l ordre de atomes, nous disposons donc pour mettre en évidence la présence de noyaux radioactifs de la méthode la plus précise que l on puisse imaginer. Cette sensibilité redoutable a pour conséquence qu il est possible de mesurer des activités de quelques Bq absolument partout dans la nature (bruit de fond). Il est donc dépourvu de sens et d intérêt de donner le résultat de mesures d activité en un lieu donné sans le comparer à des valeurs de référence. 15