Chapitre P4. I.1. Composition et symbole I.2. Dimensions et masse du noyau I.3. Isotopes I.4. Stabilité du noyau atomique ; diagramme de SEGRE
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- Agnès Bordeleau
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1 Chapitre P4 RADIOACTIVITÉ Historique I) LE NOYAU ATOMIQUE I.1. Composition et symbole I.2. Dimensions et masse du noyau I.3. Isotopes I.4. Stabilité du noyau atomique ; diagramme de SEGRE II) LA RADIOACTIVITE II.1. Définition II.2. Propriétés II.3. Différents types de radioactivité II.3.a. Lois de conservation : lois de Soddy II.3.b. Radioactivité α II.3.c. Radioactivité β II.3.d. Radioactivité β + II.3.e. Radioactivité γ III) ENVIRONNEMENT ET APPLICATIONS III.1. Radioactivité naturelle et artificielle III.2. Effets biologiques de la radioactivité III.3. Applications de la radioactivité Historique découverte : BECQUEREL (1895) ; Marie et Pierre CURIE (1898) radioactivité artificielle : Irène et Frédéric JOLIOT-CURIE ( 1934 ) première pile atomique : FERMI ( 1942 ) bombes : à fission( Hiroshima 1945 ) ; à fusion ( Bikini 1952 ) centrales nucléaires : années 50 ; 80 % de l électricité actuelle est «nucléaire» Qu est-ce que la radioactivité? Quelles sont ses lois et ses applications? Chap. P4 1/6
2 I) LE NOYAU ATOMIQUE I.1. Composition et symbole composition : nucléons : protons et neutrons symbole d un noyau : A X Z A est le nombre de masse, c est le nombre total de nucléons dans le noyau Z est le numéro atomique, c est le nombre de protons dans le noyau N = A Z est le nombre de neutrons dans le noyau exemples : nom hydrogène carbone fer uranium symbole 1 H C 56 Fe 238 U nombre de masse A nombre de protons Z nombre de neutrons N = A Z I.2. Dimensions et masse du noyau dimensions : r atome 0,1 nm (1 nanomètre = 10-9 m) et r noyau 1 fm (1 femtomètre = m) donc r atome rnoyau... Conclusion : La matière a une structure lacunaire. masse : m p m n 1, kg et m électron 9, kg donc exemple : U m m noyau électrons =... m nucléon... m donc m électron << m noyau électron. Conclusion : La masse d un atome est concentrée dans son noyau I.3.Isotopes I.3.a. Définition : Deux noyaux, isotopes d un même élément, ont le même numéro atomique Z mais des nombres de masses A différents : ils ont le même nombre de protons, mais des nombres de neutrons différents. Chap. P4 2/6
3 I.3.b. Exemples : symboles Z A N = A Z hydrogène carbone uranium H 1 H H 6 C 6 C 6 C U 92 U 92 U masse molaire(g.mol -1 ) Abondance ( en % ) 99,98 0,02 traces 98,9 1,1 traces 99,3 0,7 traces I.4. Stabilité du noyau atomique ; diagramme de SEGRÉ Comment un noyau peut-il être stable, puisque les protons se repoussent? Entre 2 protons distants de m, F grav N et F élec 2N >>F grav, le noyau devrait «exploser». On admet qu il existe une force d attraction, l interaction forte, entre nucléons. Sous l action des différentes forces en présence, certains noyaux sont stables (ils ont une grande durée de vie) et d autres sont instables (ils se détruisent rapidement). Actuellement, environ 2000 noyaux ont pu être synthétisés (pour 118 éléments) Parmi ces 2000 noyaux, 250 seulement sont stables. On peut classer tous les noyaux connus dans un graphique appelé diagramme de Segré, représentant le nombre de neutrons N en fonction du nombre de protons Z. On distingue 4 zones de couleurs différentes : Une zone centrale rouge appelée vallée de stabilité, constituée des noyaux stables. On note que pour Z < 30 les noyaux stables sont situés près de la première bissectrice, où N = Z. Les trois autres zones (bleue, verte et jaune) sont constituées de noyaux instables (étudiés ultérieurement). Chap. P4 3/6
4 II) LA RADIOACTIVITÉ II.1. Définition La radioactivité est la propriété de noyaux instables de se transformer spontanément en d autres noyaux, avec émission de particules α (alpha) ou β (bêta), accompagnée souvent d un rayonnement γ (gamma). C est une réaction nucléaire, caractéristique du noyau père qui se désintègre : elle ne fait pas intervenir les électrons, contrairement à une réaction chimique. noyau père noyau fils + particule α ou β + rayonnement γ II.2. Propriétés Les réactions nucléaires sont : Aléatoires : il n est pas possible de prévoir la date d une désintégration. Spontanées : elles se font sans intervention extérieure. Inéluctables : il est impossible d arrêter le processus Indépendantes des paramètres extérieurs (pression, température, catalyseurs) Caractéristiques du noyau et non des liaisons chimiques (la radioactivité de l uranium est identique que ce soit le métal uranium, UO 2, UO 2 SO 4, UF 6 ) Exothermiques : elles produisent de la chaleur (électricité nucléaire, bombe A et bombe H ) II.3. Différents types de radioactivités II.3.a. Lois de conservation : lois de Soddy. Au cours d une réaction nucléaire, il y a conservation du nombre total de nucléons et du nombre total de charges. A A 1 A 2 Z Z Z 1 2 X Y + particule A = A 1 + A 2 Z = Z 1 + Z 2 II.3.b. Radioactivité α La radioactivité α est l émission par le noyau père d une particule α, c est-à-dire un La radioactivité α concerne les noyaux lourds (A grand) : zone jaune du diagramme de Segré noyau d hélium 4 2 He A A-4 4 : X Y + He Z Z-2 2 Le noyau fils contient 2 protons et 2 neutrons de moins que le noyau père. exemples : U 4 2 He Th Ra 4 2 He Rn Chap. P4 4/6
5 II.3.c. Radioactivité β - La radioactivité β - est l émission par le noyau père d une particule β -, c est-à-dire 0 A... 0 d un électron - 1 e : X... Y + e Z -1 La radioactivité β - concerne des noyaux qui présentent un excès de neutrons par rapport aux noyaux stables de même nombre de masse A : zone bleue du diagramme de Segré. Le noyau fils contient 1 proton de plus et 1 neutron de moins que le noyau père. 14 exemples : 6 C 0-1 e N Co 0-1 e Ni II.3.d. Radioactivité β + La radioactivité β + est l émission par le noyau père d une particule β +, c est-à-dire 0 A... 0 d un électron positif ou positon + 1 e : X... Y + e Z +1 La radioactivité β + concerne des noyaux qui présentent un excès de protons par rapport aux noyaux stables de même nombre de masse A : zone verte du diagramme de Segré. Les forces électrostatiques entre protons sont plus fortes que les forces nucléaires entre nucléons. Le noyau fils contient 1 proton de moins et 1 neutron de plus que le noyau père. exemples : 13 7 N 0 1 e C P 0 1 e + 30 Si II.3.e. Désexcitation γ 14 Le noyau fils est en général obtenu dans un état excité (niveau d énergie élevé). Cet état est instable, le noyau se désexcite en évacuant cette énergie excédentaire, en émettant un rayonnement électromagnétique γ, très pénétrant et énergétique (longueur d onde très courte, de 0,1 nm à 0,1 pm) La radioactivité γ est la désexcitation du noyau fils par émission d un rayonnement γ : noyau fils X* noyau fils désexcité X + γ exemple : 210 Po * 84 Po + γ noyau fils excité noyau fils désexcité Chap. P4 5/6
6 IV) ENVIRONNEMENT ET APPLICATIONS IV.1. Radioactivité naturelle et artificielle naturelle : air, roches, os,.. artificielle : réacteurs nucléaires, noyaux synthétisés. IV.2. Effets biologiques de la radioactivité irradiation : l organisme, proche d une source radioactive, reçoit une partie du rayonnement émis. contamination : contact direct avec des substances radioactives par ingestion, inhalation, toucher. IV.3. Applications de la radioactivité médecine : radiothérapie, scintigraphie, utilisation de traceurs radioactifs datation : objets, roches, peintures,.. production d électricité : centrales nucléaires. Etc. Chap. P4 6/6
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