La radioactivité Introduction : Les réactions chimiques font changer la structure électronique de l atome. Les réactions nucléaires quant à elles altèrent directement la structure du noyau de l atome. I) Classification périodique des éléments : a. La structure de l atome L atome est constitué d un noyau chargé positivement du point de vue électrique. Ce noyau est constitué lui-même de particules appelées nucléons. (protons et neutrons) utour de ce noyau gravitent des électrons formant le cortège électronique. Masse (kg) Charge (C) Proton 1,673.10-27 1,6.10-19 Neutron 1,675.10-27 0 électron 9,11.10-31 -1,6.10-19 Classification périodique selon Mendeleïev
Par définition, l unité de masse correspond au douzième de la masse d un atome de carbone 12, soit : u = 1,6605402.10-27 kg Le nombre de masse de l atome correspond aussi à la masse d une mole de l atome considéré. La masse d un atome est : m =.u D où = m/1,6605402.10-27 = m x 6.022.10 23 Ce nombre correspond à la constante d vogadro : N. b. Différents noyaux 1. Noyaux isotopes Un même élément peut exister sous la forme de plusieurs nucléides ayant des nombres de masse différents : ce sont des noyaux isotopes. Les isotopes ont les mêmes propriétés chimiques. Exemple : dans la nature, il existe deux types de nucléides de chlore, le 35 Cl et le 37 Cl. Dans le tableau périodique comme il y a trois fois plus de 35 Cl, on fait une moyenne et on a indiqué 35.5 Cl. 2. Noyaux isobares Ce sont des noyaux qui ont la même masse mais des nombres de charges Z différents. Ils différent par leur nombre de neutrons N et de protons. 3. Noyaux isotones Ce sont des noyaux qui ont des nombres de neutrons identiques mais des nombres de charges différents, donc leurs nombres de masse sont différents. Remarque : Pour les nombres Z ou N égaux à des valeurs particulières que sont 2, 8, 20, 50, 82 et 126, les éléments chimiques correspondant possèdent un nombre anormalement élevés d isotones et d isotopes naturels. Ex : l étain (Z = 50) possède 10 isotopes.
II) Réactions nucléaires a. Lois de conservation Lors d une réaction nucléaire, aucune particule élémentaire ne disparaît. Il y a donc conservation du nombre de masse et du numéro atomique Z. Remarque : la conservation de l énergie totale est aussi vérifiée en radioactivité. Ces lois seront utilisées pour déterminer les valeurs de et Z pour le ou les noyaux fils engendrés par une réaction nucléaire sur le nucléide père. b. Réactions spontanées 1. Radioactivité α Elle concerne la désintégration d un noyau lourd (Z 83) et consiste en l émission d une particule α : noyau d hélium. (Ion He 2+ ) L équation de cette désintégration s écrit : Z X -4 Z-2Y + 4 2He + γ Le noyau fils est d abord obtenu dans un état excité. Son retour à l état fondamental (stable) s effectue très rapidement : 10-14 s et s accompagne d un rayonnement γ. L énergie de la radiation émise correspond à la différence d énergie entre les deux niveaux d énergie du noyau fils E t = E 2 E 1. 2. La radioactivité β - La particule β - correspond à un électron. β - = 0-1e. Ce type de radioactivité correspond à l émission d un électron. Il y a aussi apparition d un antineutrino 0 0 V. L équation de la réaction s écrit : Z X Z+1Y + 0-1 e + γ + 0 0 V Les noyaux père et fils sont isobares. 3. La radioactivité β + La particule β + correspond à un positron (antiparticule de l électron). β + = 0 1 e Il y a aussi apparition d un neutrino 0 0V. L équation de la réaction s écrit : Z X Z-1Y + 0 1e + γ + 0 0V Les nucléides β + sont instables (artificiels).
c. Réactions provoquées 1. La fission Elle consiste en la cassure d un noyau lourd sous l impact d un neutron. Son résultat est l obtention de deux noyaux plus légers ainsi que l émission d autres neutrons (susceptibles de casser à leur tour des noyaux réactions en chaînes). L équation de cette réaction s écrit : Z X + 1 0n Z Y + Z Y + (2 ou 3) 1 0n 2. La fusion La fusion est la réunion de plusieurs noyaux légers qui donnent naissance à un noyau plus lourd. Elle se produit de façon naturelle dans le soleil et les étoiles et de façon artificielle (très brèves) en laboratoire. III) ctivité d un échantillon. Considérons un échantillon de n nucléides radioactifs. Tous les nucléides ne réagissent pas en même temps. La loi de variation du nombre de nucléides en fonction du temps est de type exponentiel négatif. Plus le temps passe, moins il reste de nucléides qui n ont pas réagit, mais moins il y a de nucléides qui réagissent. Il faut un temps infini pour que tous les noyaux disparaissent. On peut mettre cette évolution sous la forme : = 0 e -λt où λ est une constante propre au nucléide considéré.
Ne pouvant définir le temps mis pour que tout l échantillon disparaisse, on définit la période radioactive appelée aussi demi-vie du nucléide. Si l on considère que T est le temps mis pour que la moitié des nucléides de l échantillon aient réagi : (t) = 0 e -λt et (T) = 0 /2 D où : e -λt = ½ -λt = ln(½) = ln(1) - ln(2) = -ln(2) λ = ln(2)/t caractérise le nombre de disparitions à la seconde et s exprime en Becquerel. IV) Énergie nucléaire Lors d une réaction nucléaire, l énergie se libère sous deux formes : - Cinétique pour les particules crées, qui sont émises avec une certaine vitesse. - Rayonnante : le rayonnement γ est un rayonnement électromagnétique de très courte longueur d onde et d énergie très élevée. Cette énergie provient de la perte de masse entre les noyaux pères et fils. insi, lors de la réaction, il y a une perte de masse : m = m i - m p Cette perte de masse correspond, comme l a démontré Einstein à une énergie E 0 : E 0 = mc² Lorsque le nucléide passe d une masse m à une masse m = m m, le nucléide passe d une énergie E = E 0 E, d où E = mc². Chaque nucléide libère de l énergie, à l échelle atomique, on utilise couramment une unité d énergie mieux adaptée que le Joule : l électronvolt (ev). 1 ev = 1.6.10-19 J
Remarques : les défauts de masse étant très petits, il convient de prendre des nombres très précis pour les masses. insi, si dans le tableau de classification périodique est donné de façon arrondie dans tous les problèmes de réactions nucléaires, on fera intervenir des nombres de masse avec plusieurs chiffres après la virgule. Énergie de liaison : La masse d un noyau est toujours inférieure à l énergie des nucléons séparés, ainsi : m( ZX) < Zm p + ( Z) m n. La différence de masse est donc m = [Zm p + ( Z) m n ] m( ZX) Ce défaut de masse correspond à une énergie E L = [Zm p + ( Z) m n ] m( ZX). c² Stabilité des noyaux : - pour 50 < < 75, la courbe présente un maximum très aplati qui correspond aux nucléides les plus stables. (E L / 8.7 MeV) - pour > 100 la courbe décroît lentement : les nucléides correspondants sont lourds et moins stables. Fusion : Pour faire fusionner des noyaux légers, il faut fournir 1 à 3 MeV par nucléon. S il se forme des noyaux plus lourds, on récupère une énergie de l ordre de 7 MeV par nucléon. Fission : Pour casser un nucléon, il faut fournir une certaine énergie. S il se forme des nucléons proches du maximum de la courbe, on récupère une énergie supérieure à celle nécessaire à la fission. Cette réaction n est intéressante que pour les noyaux lourds. Ces deux réactions libèrent de l énergie mais chacune ne peut se faire que dans une zone bien précise de la courbe d ston.