Réactions nucléaires Ch. Bochu DEUST 2017

Stabilité des noyaux EL/A Stabilité 4He 4He 6Li 6Li 2H 2H Nucléons

Stabilité des noyaux EL/A Stabilité Zone des noyaux très stables Nucléons

Stabilité des noyaux Stabilité Neutrons Stabilité Protons

Pb Stabilité des noyaux Excès de neutrons 208 Non 82 Stables Stables Z N Z = N Non Stables Excès de neutrons Pb 82 208 Défaut de protons Stables 7 processus Défaut de neutrons Compétition Excès de protons 1 de plus

Principes des réactions radioactives Noyau-fils + Ec Particule Noyau-père + Ec X Z1 A1 Y Z2 A2 particule Z3 A3  + Nombre de masse A1 = A2 + A3

Principes des réactions radioactives Noyau-fils + Ec Particule Noyau-père + Ec X Z1 A1 Y Z2 A2 particule Z3 A3  + Nombre de charge Z1 = Z2 + Z3

Principes des réactions radioactives Noyau-fils + Ec Particule Noyau-père + Ec X Z1 A1 Y Z2 A2 particule Z3 A3  + Énergie mX . c² = mY . c² + mpart . c² + Ec

Principes des réactions radioactives Noyau-fils + Ec Particule Noyau-père + Ec X Z1 A1 Y Z2 A2 particule Z3 A3  + Quantité de mouvement Spin

He n  p Li X + Y e Zone 1 Non Stables b- 1 2 6 6-0 1 6 1-1 1 0-1 -1 Z = N Non Stables b- Excès de neutrons Défaut de protons 1 He 2 6 6-0 1 6 1-1 n  p Li X + Y e Défaut de neutrons 1 0-1 -1 Excès de protons 2-(-1) 3

Radioactivité b- Li 3 6 He 2 e -1  +

Li He e  + n Radioactivité b- 3 6 2 -1 Conservation du spin  + Conservation du spin Accompagné par une autre particule sans masse et sans charge : l’antineutrino n L’antineutrino possède une énergie En mHe . c² = mLi . c² + mb . c² + Ec(b) + mn . c² + En Ebmax = Ec(b) + En

C p n X B e  + Zone 1 b+ b- 6 11 1 11-0 1 11 +1 6-1 5 Positron Excès de neutrons Défaut de protons C 6 11 p 1 11-0 n 1 11 X B e +1  + Défaut de neutrons Défaut de neutrons Excès de protons 6-1 5 Positron

Radioactivité b+ B 5 11 C 6 e +1  +

B C e  + n Radioactivité b+ 5 11 6 +1 Conservation du spin  + Conservation du spin Accompagné par une autre particule sans masse et sans charge : le neutrino n Le neutrino possède une énergie En mC . c² = mB . c² + mb . c² + Ec(b) + mn . c² + En Ebmax = Ec(b) + En

Zone 1 b+ b- a A suivre … Excès de neutrons Défaut de neutrons Défaut de protons Défaut de neutrons Défaut de neutrons Excès de protons A suivre …

N N X C p  + Zone 1 b+ b- (a) 7 11 p 7 11 11-1 10 1 7-1 6 Excès de neutrons N 7 11 p Défaut de protons N 7 11 11-1 10 X C p 1  + Défaut de neutrons Défaut de neutrons Excès de protons Excès de protons 7-1 6

Emission de proton C 6 10 N 7 11 p 1  +

C N p  + Emission de proton 6 10 7 11 1 mN . c² = mC . c² + mp . c² + Ec(p)

H H H X n  + Zone 1 b+ b- (a) p 1 5 n 1 5 5-1 4 1 1-0 1 Excès de neutrons p Défaut de protons H 1 5 n = 100% n H 1 5 5-1 4 H X n 1  + Défaut de neutrons Défaut de neutrons Excès de protons Excès de protons 1-0 1

Emission de neutron H 1 4 5 n  +

H n  + Emission de neutron 1 4 5 mH5 . c² = mH4 . c² + mn . c² +  + mH5 . c² = mH4 . c² + mn . c² + Ec(n)

Zone 1 – Devenir du neutron b+ b- (a) Excès de neutrons p Défaut de protons n n 1 e p 1  + Défaut de neutrons Défaut de neutrons Excès de protons Excès de protons -1

« Durée de vie moyenne »  10 minutes Devenir du neutron n 1 e -1 p 1  + Neutron libre « Durée de vie moyenne »  10 minutes

Matière = Plasma = Mélange protons/électrons Processus inverse Soleil Matière = Plasma = Mélange protons/électrons e -1 p 1 n 1 + 

Li Be e +  Zone 1 b+ b- (a) CE p n 7 7 -1 3 4 Excès de neutrons Défaut de protons n Li 3 7 Be 4 7 e +  Défaut de neutrons Défaut de neutrons Excès de protons Excès de protons -1

Li e  Be + n Capture électronique -1 4 7 3 Accompagné par un neutrino Be 4 7 Li 3  + n Accompagné par un neutrino Le neutrino possède une énergie En mBe . c² + me . c² = mLi . c² + En

Po Po He Pb  + Zone 2 b+ b- 84 212 (a) a CE p n 84 212 208 2 4 82

Zone 3 b+ b- a CE p No 102 260 FS = 100% n

FISSION Fission spontanée EL/A Stabilité Zone des noyaux très stables Nucléons Radioactivité des atomes lourds = diminution de masse

Tcm Après une réaction Radioactivité g Onde électromagnétique Pas de masse Pas de charge Possède une énergie Tcm 43 99 L’atome est métastable ex :

Neutrino / Antineutrino Particules sans charge et sans masse Possède une énergie Accompagne positron et électron n Radioactivité b+ n Radioactivité b- n Capture électronique

Q = (S minitiale – S mfinale) . c² Energie de la réaction Différence d’énergie entre l’état initial et l’état final au repos Q = (S minitiale – S mfinale) . c² - Si cette énergie est <0  il faut apporter de l’énergie au système - Si cette énergie est >0  la réaction est spontanée Elle se répartit aux particules créées : a, b+, b-, p, n, g, neutrino, antineutrino …

Filiation radioactive Radium 226 Radon 222 Thorium 230 Protactinium 234 Thorium 234 Polonium 218 Uranium 234 Plomb 214 Polonium 210 Plomb 206 Bismuth 210 Plomb 210 Bismuth 214 Polonium 214 Uranium 238 A Z N a b- Etat initial 238 92 146 Etat final 210 84 126 7 6 230 90 140 2 226 88 138 3 2 234 92 142 1 2 234 91 143 1 234 90 144 1 222 86 136 4 2 218 84 134 5 2 210 82 128 7 4 210 83 127 7 5 214 84 130 6 4 214 83 131 6 3 214 82 132 6 2 206 82 124 8 6

U He Pb + 8 e 6  Filiation radioactive 92 238 2 4 82 206 -1 6  92 = 82 + 8 . 2 – 6 . 1 238 = 206 + 8 . 4 + 6 . 0 Énergie de la filiation Q = (mU - mPb - 8 . mHe – 6.me) . c² Q = [(MU - 92me) - (MPb - 82me) - 8 . (MHe - 2me) – 6.me] . c² Q = (MU - MPb - 8 . MHe) . c² Q = 54 MeV

Vision d’ensemble Z N N Fission spontanée a b- CE b+ n p Z

Réactions nucléaires provoquées Principe Un noyau est bombardé par une particule (p, n, a, b, deuton, …) ou un rayonnement (g, RX …) - Le projectile traverse le noyau en le laissant excité  désactivation par g - Le projectile intègre au noyau  l’ensemble rejette une ou plusieurs particules et produit un nouveau noyau stable ou non. Transmutation - Le noyau se brise en deux en émettant des particules. Fission provoquée

Réactions nucléaires provoquées Exemple Bombardement de particules chargées : Al 13 27 H 1 Mg 12 24  + He 2 4 ( ) Al p , a Mg Notation : Il faut que le proton possède une grande énergie pour vaincre la répulsion de la cible Accélérateurs linéaires ou cyclotrons

Réactions nucléaires provoquées Exemple Formation du lithium : C 6 12 H 1 Li 3 7  + He 2 4 + 2 Principale source de Lithium Formation du carbone 14 : N 7 14 n 1 H C 6  +

Réactions nucléaires provoquées Exemple Photodissociation du deutérium : H 1 2 g  + n ( ) 2H g , n 1H Notation : Se passe dans les centrales nucléaires à D2O Explosions d’hydrogène à Fukushima

Réactions nucléaires provoquées Exemple Bombardement de neutrons : U 92 235 g Y Z2 A2  + n 1 X Z1 A1 k Si k > 1  réactions en chaîne Bombe A

Réactions nucléaires provoquées Exemple Bombardement de neutrons : U 92 235 n 1 X Z1 A1 Y Z2 A2 n 1 g +  + + k + Si k = 1  Centrales nucléaires

Tcm Tc g  + Tcm e Mo +  l1 l2 ltot = l1 + l2 ltot Ln 2 T = ltot l1 Compétition de réactions Tcm 43 97 Tc 43 97 g  + l1 66 % Tcm 43 97 e -1 Mo 42 97 +  l2 34% ltot = l1 + l2 Constante radioactive totale ltot Ln 2 T = Période totale ltot l1 ltot l2 Rapports de branchement

Certains noyaux peuvent donner plusieurs types de radioactivité Compétitions Certains noyaux peuvent donner plusieurs types de radioactivité U 92 235 He 2 4 Pb 82 207 + 7 e -1  1 kg d’235U : 80 . 106 désintégrations.s-1 U 92 235 X Z1 A1 Y Z2 A2 n 1 g  + + k + 1 kg d’235U : 0,36 fission spontanée par seconde

Masse critique 1 kg d’235U : 0,36 fission spontanée Peu de réactions  Peu de neutrons Tous les neutrons ne sont pas efficaces Si la masse augmente Augmentation du nombre de neutrons Emballement  Explosion 48 kg