CH2 STABILITE D UN NOYAU ATOMIQUE

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1 CH2 STABILITE D UN NOYAU ATOMIQUE Stable vs instable Un système est en équilibre stable si une légère perturbation n'entraîne pas de modification du système. Un système est en équilibre instable si une légère perturbation entraîne une modification importante du système. Le noyau atomique, stable ou instable? 1. CRITERE DE STABILITE Pour qu'un noyau soit dans un état d'équilibre stable, il ne doit y avoir prédominance d'aucune des deux interactions mises en jeu : I E I F. Si l'interaction électrique et l'interaction forte sont différentes, le noyau est à l'équilibre, car il existe, mais cet équilibre est instable. Une petite perturbation suffit à le sortir de cet état. 2. TOUS LES NOYAUX SONT-ILS STABLES? Sur les 1500 noyaux différents existant dans l'univers, seuls environ 200 sont stables. Tous les autres sont dans un état d'équilibre instable. Cela est résumé dans le diagramme de Segré : 1

2 Objectif stabilité 1. DEUX CAUSES, TROIS CONSEQUENCES Un noyau est instable dans deux cas : I E > I F : La répulsion due aux protons est trop importante par rapport à l'attraction due à l'interaction forte. On observe alors une diminution du nombre de protons, sans modification du nombre de nucléons, donc accompagnée d'une augmentation du nombre de neutrons. I E < I F : La répulsion due aux protons est trop faible par rapport à l'attraction due à l'interaction forte. On observe alors une diminution du nombre de neutrons, sans modification du nombre de nucléons, donc accompagnée d'une augmentation du nombre de protons. Dans le cas d'une trop grande différence entre I F et I E, on peut observer une perte de protons ET de neutrons, permettant une diminution rapide de l'interaction forte. Les transformations observées sont appelées désintégrations. Un noyau père instable se désintègre, en émettant une particule, pour former un noyau fils plus stable. Lors d'une désintégration radioactive, il y a variation du nombre de protons. Le noyau fils ne fait donc pas partie du même élément que le noyau père. 2. CARACTERISTIQUES D UNE DESINTEGRATION Une désintégration est inévitable (elle va se produire), spontanée (elle va se faire sans aide extérieure), et prévisible (on sait de quel type elle est). Par compte, l'instant de cette désintégration est aléatoire (on ne sait pas quand elle va avoir lieu). 3. NATURE DES DESINTEGRATIONS OBSERVEES Il existe trois types de désintégrations : désintégration : émission d'un noyau d'hélium 4 2He désintégration - : émission d'un électron 1 0 e désintégration + : émission d'un positron 0 1 e La désintégration + n existe pas dans la nature. Elle n a été observée qu avec des isotopes artificiels. Le positron est l'antiparticule de l'électron (même masse, mais charge opposée). Une désintégration radioactive est généralement accompagnée d'un rayonnement électromagnétique très énergétique, appelé rayonnement, dû au fait qu un noyau fils peut être formé dans un état excité. 2

3 4. REGLES DE CONSERVATION DE SODDY Au cours d'une désintégration radioactive, il y a conservation du nombre de nucléons et du nombre de charges. désintégration : X 5. EQUATIONS RESUMANT LES DESINTEGRATIONS A Z A 4 4 Y + He (+parfois γ) Z 2 2 désintégration + : A Z X Z 1 A 0 Y + 1 e (+ν + γ) Avec ν neutrino, particule électriquement neutre, de masse non mesurable. désintégration - : A Z X Z+1 A Y e (+ν + γ) Avec ν antineutrino, antiparticule du neutrino. 6. FAMILLE RADIOACTIVE Un noyau radioactif va subir des désintégrations successives jusqu'à devenir stable, en formant plusieurs noyaux fils intermédiaires. Cet ensemble de noyaux est appelé famille radioactive, et il n'existe généralement qu'une seule suite de désintégrations, - et/ou + permettant de passer du noyau père à un descendant stable. 3

4 7. QUELQUES EXPLICATIONS Les désintégrations radioactives restent encore des phénomènes très mystérieux, au mécanisme méconnu. Toutefois, une justification de la radioactivité a été mise au point par l «invention» d une quatrième interaction fondamentale, l interaction faible, agissant à très faible distance (10-18 m), et d intensité trop faible pour pouvoir être mesurée. Cette interaction est capable de transformer un neutron en proton ou un proton en neutron en ne changeant pas le nombre de nucléons. Ex : Désintégration - Quand un noyau radioactif émet un électron, c'est en fait un neutron au sein du noyau qui s'est transformé en proton en émettant un boson W - qui se désintègre en une paire électron-antineutrino. Le boson W - transporte l interaction faible. Les bosons sont des particules qui agissent comme des intermédiaires des interactions fondamentales. Par exemple, le photon transporte l interaction électromagnétique. 8. EVOLUTION DE L ETAT D UN ECHANTILLON RADIOACTIF a. Activité radioactive La radioactivité est souvent associée à une notion de risque. En effet, une exposition à des radiations radioactives a des effets variés et souvent irréversibles. Il est donc important de pouvoir connaître la durée de «l action» d une source radioactive afin de déterminer les précautions à prendre. Pour cela, on mesure son activité, égale au nombre de désintégrations qui se produisent dans la source par unité de temps. C est une grandeur positive, mesurée en becquerel (Bq). Un becquerel correspond à une désintégration par seconde. Exemples de quelques valeurs d activité : Homme (70 kg) 7000 Bq 1 kg de poisson 100 Bq 1 kg de sol granitique 8000 Bq 1 kg de minerai d uranium Bq Radio-isotope pour les diagnostics médicaux Bq Source radioactive médicale Bq 1 kg de déchets nucléaires, vieux de 50 ans, vitrifiés Bq 4

5 b. Courbe de décroissance radioactive Au fur et à mesure que les noyaux radioactifs d un échantillon se désintègrent, l activité de l échantillon diminue. Cette diminution au cours du temps peut être modélisée par une fonction mathématique dont la courbe représentative est appelée courbe de décroissance radioactive. A A 0 A 0 /2 0 t 1/2 t Quelle que soit la valeur de A 0 (activité à l instant t 0 ), la courbe conserve la même forme. c. Demi-vie radioactive On appelle demi-vie la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux d'un échantillon radioactif se sont désintégrés. On la note souvent t 1/2. d. Datation absolue La mesure de l'activité d'un échantillon radioactif permet, connaissant sa courbe de décroissance radioactive, d'estimer son âge. Cette technique de datation absolue est régulièrement utilisée en archéologie (datation au carbone 14) ou en géologie (méthode Rubidium-Strontium) Ex : Désintégration du carbone 14 en azote 14. 5