Chapitre 8 : la radioactivité et les transformations nucléaires
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- André Truchon
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1 Chapitre 8 : la radioactivité et les transformations nucléaires I Stabilité et instabilité des noyaux Rappels sur le noyau : nombre de nucléons : nombre de masse : nombre de protons : numéro atomique ou nombre de charge Isotopes Des noyaux qui possèdent le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents sont appelés isotopes exemple : (traces) Remarque : des isotopes possèdent les mêmes propriétés chimiques puisqu'ils ont le même nombre d'électrons! (99,985 %) 3 (,5 %) 3 Stabilité des noyaux interaction électromagnétique : responsable de la répulsion entre protons interaction forte : responsable de l'attraction entre nucléons très intense mais seulement à très courte portée (< fm) Conséquence : un noyau trop gros, possédant donc trop de nucléons, est instable Le diagramme de Segré permet de différencier les noyaux stables des noyaux instables II Radioactivité Définition Quand un noyau est instable, il subit une transformation spontanée qui aboutit à la formation d'un nouveau noyau ' ' C'est le phénomène de radioactivité Lois de conservation : lois de Soddy u cours d'une réaction nucléaire, il y a conservation de la charge électrique et conservation du nombre total de nucléons 3 Radioactivité Elle concerne les noyaux lourds, instables à cause d'un trop grand nombre de nucléons Le noyau se désintègre en émettant un noyau e nommé particule e 38 Ra 6 88 Ra 86 Rn e 36 Rn Radioactivité β - Elle concerne les noyaux instables à cause d'un trop grand nombre de neutrons Le noyau émet un La radioactivité rapproche le / 5 Document OpenOfficeorg sous Debian 6 le mar 6 févr 3
2 électron e - e 6 C e 8 C La radioactivité rapproche le 6 5 Radioactivité β + Elle concerne les noyaux instables à cause d'un trop grand nombre de protons Le noyau émet un positon e + (anti-particule de l'électron) e 3 5 P 3 Si e 6 5 Si P La radioactivité rapproche le 5 6 Conservation de l'énergie Des mesures ont montré que, lors d'une désintégration β - ou β +, l'énergie transportée par les particules après la transformation était plus petite que celle transportée avant la transformation Ceci a conduit Wolfgang Pauli a postuler, en 936, l'émission d'autres particules : le neutrino pour la désintégration β + et l'antineutrino pour la désintégration β Donc il faut écrire : e e Radioactivité γ Lors d'une désintégration α ou β, le noyau père expulse une particule, α ou β Le noyau fils obtenu est instable : on dit qu'il est excité Il se désexcite en libérant un photon qui transporte un rayonnement électromagnétique très énergétique et de très faible longueur d'onde : le rayonnement γ * 8 ctivité L'activité d'un échantillon mesure le nombre de désintégrations par seconde Elle s'exprime en becquerel (Bq) / 5 Document OpenOfficeorg sous Debian 6 le mar 6 févr 3
3 III Equivalence masse-énergie Energie de masse En 95, Einstein proposa sa théorie de la relativité Celle-ci a deux conséquences : tout corps ayant une masse possède, au repos, une énergie potentielle : l'énergie de masse ; masse et énergie sont des grandeurs équivalentes : de l'énergie peut se transformer en masse et réciproquement L'énergie de masse d'un corps est E = mc avec E en joule (J), m en kg et c en ms - Défaut de masse noyau : masse m protons + neutrons (masse : m p ) (masse : ( )m n ) On constate que m < mp + ( )mn Pour un noyau, le défaut de masse est m=[ m p m n ] m 3 Énergie de liaison Si la masse du noyau est inférieure à la masse de ses constituants pris séparément, alors : mc [ m p m n ]c Donc un noyau est plus stable que ses constituants séparés car son énergie de masse est plus faible On appelle énergie de liaison E l = m c C'est cette énergie qui est récupérée lors d'une réaction nucléaire IV Fission et fusion nucléaires Fusion nucléaire La fusion nucléaire est une réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd et plus stable 3 e n Cette réaction libère,88 - J par noyau formé Remarque : cette réaction ne peut pas être spontanée car les noyaux se repoussent naturellement Il faut atteindre une température d'environ 6 C La fusion contrôlée pourrait être, à l'avenir, une source d'énergie inépuisable (Cadarache, projet ITER) Fission nucléaire La fission nucléaire est une réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau lourd se brise en deux noyaux plus légers et plus stables n U Sr e n Cette réaction libère,96 - J par noyau d'uranium brisé Remarque : cette réaction nécessite d'être amorcée par un neutron rapide qui sert de projectile Cette réaction produit (ou 3) neutrons qui peuvent, à leur tour, casser ou 3 noyaux d'uranium : réaction en chaîne C'est ce qu'on fait dans les centrales nucléaires actuelles 3 / 5 Document OpenOfficeorg sous Debian 6 le mar 6 févr 3
4 Exercices Exercice p 6 = 5 =9 Bq 6 En, minutes, il y en aurait exactement le double, soit, x 5 = 8 =, Exercice p 6 a 8 83Bi e 8Tl d 3 e n 3 3 b 53I e 5Te c 35 n 9 U 9 38 Sr 39 5 e 3 n Exercice p ee e Exercice 5 p n 9 U r 5Te 3 n Exercice 8 p Il faut utiliser les lois de Soddy : 8 Po 6 8 Pb e Exercice 9 p Il faut utiliser les lois de Soddy : 5 8 O 5 e Exercice p Il s'agit d'une réaction de désintégration alpha car il y a émission d'un noyau d'hélium m = m Po m e m Rn = 3, ,666 3, =3 9 kg 3 E= m c =,3 9 x =95 3 J Exercice p U e 9Th : désintégration spontanée 9 e 9 e 9 F : désintégration + spontanée 35 9U n I 39 3 n : fission provoquée 3 e n : fusion provoquée 6C e : désintégration spontanée Exercice 3 p a Bi subit une désintégration b 83Bi e Po 8 c On obtient du polonium a Ce noyau fils est radioactif 6 b 8Po e 8Pb c On obtient du plomb 6, non radioactif Exercice p 8 a m e m = [ m n ] [ m m =3,33 9 kg b E= m c =3,33 x =,86 J 3 m ] = [,6936,666 ] [5,363,3356 ] / 5 Document OpenOfficeorg sous Debian 6 le mar 6 févr 3
5 E tot =E =,86 x6,3 3 =,696 J 3 Quantité de carbone : n C= E tot,696 = =,66 6 mol E C 3 d'où masse de charbon nécessaire : m(c) = M(C)n(C) = x,66 6 = 85 6 g = 85 t! Cette masse est colossale par rapport aux,5 g de deutérium et de tritium qu'il faut pour obtenir la même énergie Exercice 6 p 8 Traduction du texte : «Les noyaux ne sont jamais immobiles : plus ils sont chauds, plus ils bougent vite u cœur du Soleil, où la température atteint 5 millions de degrés Celsius, les noyaux d hydrogène sont agités en permanence, ils entrent en collision à des vitesses très élevées La répulsion électrostatique qui existe naturellement entre les charges positives de leurs noyaux peut ainsi être surmontée, et les noyaux fusionnent La fusion de deux noyaux légers d hydrogène donne naissance à un noyau plus lourd d hélium La masse du noyau d hélium obtenu n est pas égale à la somme des masses des noyaux initiaux, un peu de la masse a disparu et une grande quantité d énergie est apparue Ce phénomène est décrit par la formule d Einstein E = mc : l infime perte de masse (m) multipliée par le carré de la vitesse de la lumière (c²) produit un nombre très élevé (E) qui correspond à la quantité d énergie créée par la réaction de fusion Chaque seconde, le Soleil transforme 6 millions de tonnes d hydrogène en hélium, libérant ainsi une gigantesque quantité d énergie Faute de pouvoir disposer, sur Terre, de l intensité de la force gravitationnelle à l'œuvre au cœur des étoiles, une nouvelle approche a été développée pour réaliser des réactions de fusion» Ce sont les températures extrêmes qui permettent aux réactions de fusion de se produire L'énergie libérée provient de la perte de masse lors de la fusion de deux noyaux 3 On ne sait pas encore recréer les conditions de température et de pression qui règnent au cœur du Soleil, et on ne sait pas non plus comment contenir de telles températures Exercice 8 p a Il y avait : 9 U à 3, % et 9 U à 96,8 % b 9 U : 9 protons et 3 neutrons ; 9 U : 9 protons et 6 neutrons Pour que les lois de Soddy soient respectées, il faut que x = m = [ m 6Smm 3n3m n] [ m 9 Um n ] m = [, , x,693 ] [3,9 5,693 ] m =, kg E= m c =,6933x =,6 J : énergie libérée par noyau désintégré 5 / 5 Document OpenOfficeorg sous Debian 6 le mar 6 févr 3
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