Radioactivités naturelle et artificielle Chapitre 8 Radioactivités naturelle et artificielle

La radioactivité

Isotopie Activité 1 : voici 3 symboles différents de représentation du lithium. 1) Que représentent ces symboles ? 2) Que représentent les chiffres 3, 6, 7 et 8 ? 3) Qu’ont en commun ces différentes représentations ? 4) Qu’ont-elles de différent ? 5) Ces noyaux sont isotopes. Donnez une définition de leur isotopie. http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/I/Isotope 

Isotopie Activité 1 : correction 1) Ce sont ceux du noyau (et par extension de l’atome aussi). 2) 3 est le numéro atomique ou nombre de protons, 6, 7 et 8 sont les nombres de nucléons. 3) Ils appartiennent tous au même élément et donc ont tous le même numéro atomique. 4) Le nombre de protons étant identique, ce sont les nombre de nucléons qui diffèrent d’un atome à l’autre. 5) Ces noyaux isotopes ont le même nombre de protons (même Z) et des nombres de nucléons différents (A ≠). http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/I/Isotope 

Isotopie Deux noyaux sont isotopes l’un de l’autre lorsqu’ils appartiennent au même élément (même Z) mais que leurs nombres de neutrons sont différents (A différent). Exemple : le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone. Il sert à la datation d’ossements anciens par exemple. https://taksreview.wikispaces.com/Viruses,+Isotopes,+and+Ions 

Pourquoi la radioactivité existe-t-elle ? La plupart des noyaux sont stables. Cependant, lorsqu’il existe un excès de neutrons par rapport au nombre de protons ou inversement, cela nuit à la stabilité du noyau et le rend instable. https://taksreview.wikispaces.com/Viruses,+Isotopes,+and+Ions 

Pourquoi la radioactivité existe-t-elle ? Activité 2 : Voici ce qui se passe dans le cas de la désintégration de l’atome de radium 226. 1) Quel atome devient le radium 226 après désintégration ? 2) Ce nouvel atome a-t-il un noyau plus lourd ou plus léger que le radium 226 ? 3) Au cours de la désintégration, quel autre noyau très léger se forme-t-il ? Quel terme y est associé ? 4) Quel est le nom de ce type de radioactivité ? 5) Récapitulez ce qui se produit lors d’une désintégration. http://tpenucleaire1s1.free.fr/Nouveau%20dossier/autre%20cadre%20%28notions%20fondamentales%29.htm

Pourquoi la radioactivité existe-t-elle ? Activité 2 : correction Le radium 226 devient du radon 222. 2) Le nombre de nucléons passe de 226 à 222 donc le nouveau noyau est plus léger. 3) Il se forme un noyau d’hélium. 4) C’est la radioactivité α. Le terme associé est rayonnement. 5) Lors d’une désintégration, un noyau lourd devient un noyau plus léger en éjectant une particule responsable d’un rayonnement. http://tpenucleaire1s1.free.fr/Nouveau%20dossier/autre%20cadre%20%28notions%20fondamentales%29.htm

Pourquoi la radioactivité existe-t-elle ? Ces noyaux vont se transformer spontanément en d’autres noyaux : ils se désintègrent et, dans le même temps, ils émettent des rayonnements sous forme de particules chargées en général. La radioactivité est la transformation spontanée d’un noyau instable (désintégration) en un autre plus stable avec émission de rayonnement. http://www.techno-science.net/?onglet=news&news=4768 

Les deux types de radioactivité La radioactivité naturelle  - L'air ambiant qui comporte du radon, gaz radioactif provenant de la désintégration de l'uranium présent dans l'écorce terrestre. Ce gaz, qui est la source principale d'irradiation naturelle, est absorbé par l'homme par inhalation. - Les rayonnements cosmiques. La couche atmosphérique nous protégeant de ce rayonnement, l'exposition de l'homme est plus importante en altitude : l'irradiation d'un homme est plusieurs dizaines de fois plus importante lorsqu'il prend un avion de ligne qu'au niveau de la mer. - Les rayonnements telluriques émis par de nombreux éléments radioactifs présents dans l'écorce terrestre comme l'uranium et le thorium. Ils varient selon la nature du sol et changent d'une région à l'autre.

Les deux types de radioactivité -  Les boissons et les aliments absorbés contiennent également des éléments radioactifs qui viennent, après ingestion, se fixer dans les tissus et les os. http://noelc.free.fr/effets_page001-1.html 

Les deux types de radioactivité La radioactivité naturelle Quand les noyaux instables existent naturellement dans l’environnement, on parle de radioactivité naturelle. L’homme est donc exposé en permanence à cette radioactivité. La radioactivité artificielle Quand les noyaux instables sont créés lors de collision de particules dans des accélérateurs, on parle de radioactivité artificielle.

Exemples de désintégration nucléaire

Les lois de conservation Une désintégration respecte la conservation de la charge électrique et du nombre de nucléons : - la charge du noyau père est égale à la somme des charges des noyaux fils et de la particule émise ; - le nombre de nucléons du noyau père est égal à la somme de nombres de nucléons des noyaux fils et de la particule émise. Remarque : ce sont des transformations spontanées et aléatoires avec un seul réactif.

Désintégration α Activité 3 : voici une réaction de désintégration α : 1) Quel noyau est la particule α ? Donnez le symbole de son noyau. 2) Vérifiez les lois de conservation de la charge électrique et du nombre de nucléons. http://bergeron.christophe.free.fr/RadioPro/Definitions.php

Désintégration α Activité 3 : correction 1) La particule α est un noyau d’hélium. Symbole : 2)Loi de conservation du nombre de nucléons : 238 = 234 + 4 Loi de conservation des charges : 92 = 90 + 2 http://bergeron.christophe.free.fr/RadioPro/Definitions.php

Désintégration α Des noyaux radioactifs contenant un grand nombre de nucléons se désintègrent souvent en émettant un noyau d’hélium 42He appelés particules α http://bergeron.christophe.free.fr/RadioPro/Definitions.php

Écrire une équation de désintégration α Le noyau fils est moins lourd que le noyau père.

Désintégration β- Activité 4 : voici une réaction de désintégration β- : Remarque : cette désintégration s’accompagne de l’éjection d’un antineutrino dont nous ne tiendrons pas compte. 1) Quelle est la particule β- ? Donnez le symbole de cette particule 2) Vérifiez les lois de conservation de la charge électrique et du nombre de nucléons. http://bergeron.christophe.free.fr/RadioPro/Definitions.php

Désintégration β- Activité 4 : correction 1) La particule β- est un électron. Symbole : 2) Loi de conservation du nombre de nucléons : 14 = 14 + 0 Loi de conservation des charges : 6 = 7 - 1 http://bergeron.christophe.free.fr/RadioPro/Definitions.php

Désintégration β- Certains noyaux instables émettent un électron noté (+ 1 antineutrino ) lorsqu’un neutron de l’atome se transforme en proton. Ils augmentent leur nombre de protons (6 à 7) et donc, comme un neutron se transforme en proton, son nombre de neutrons diminue : Z ↑ et N ↓ http://bergeron.christophe.free.fr/RadioPro/Definitions.php

Écrire une équation de désintégration β- Le noyau fils appartient à l’élément qui se trouve une case après le noyau père dans le tableau de classification périodique des éléments.

Désintégration β+ Activité 5 : voici une réaction de désintégration β+ : La particule éjectée est un positron, une particule identique à l’électron mais de charge positive. 1) Donnez le symbole du positron (ou positon). 2) Vérifiez les lois de conservation de la charge électrique et du nombre de nucléons. http://tpemissileetsante.e-monsite.com/rubrique,ii-les-rayonnements,629602.html

Désintégration β+ Activité 5 : Correction 1) Le positron n’a pas de nucléons comme l’électron donc A = 0 mais il possède une charge opposée à celle de l’électron soit +1 : 2)Loi de conservation du nombre de nucléons : 22 = 22 + 0 Loi de conservation des charges : 11 = 10 + 1 http://tpemissileetsante.e-monsite.com/rubrique,ii-les-rayonnements,629602.html

Désintégration β+ Certains noyaux instables émettent un positron noté (+ 1 neutrino ) lorsqu’un proton de l’atome se transforme en neutron. Ils diminuent leur nombre de protons (11 à 10) et donc, comme un proton se transforme en neutron, son nombre de neutrons augmente : Z ↓ et N ↑ http://tpemissileetsante.e-monsite.com/rubrique,ii-les-rayonnements,629602.html

Écrire une équation de désintégration β+ Le noyau fils appartient à l’élément qui se trouve une case avant le noyau père dans le tableau de classification périodique des éléments.

Désintégration γ Parfois le noyau fils se forme dans un état excité et retrouve son état fondamental en émettant un photon très énergétique γ et très pénétrant dans la matière. http://www.nagra.ch/g3.cms/s_page/82350/s_name/questcequelaradioactivite

Écrire une équation de désintégration γ

Activité radioactivité L’activité A d’un échantillon représente le nombre de désintégrations par unité de temps de cet échantillon. Elle se mesure en Becquerel (Bq). 1 Bq correspond à une désintégration par seconde. L’appareil de mesure est un compteur de radioactivité. http://voyages.ideoz.fr/visiter-tchernobyl-pripyat-photos/tchernobyl-controle-des-rengens/

Fusion et fission nucléaires

Fusion nucléaire Activité 6 : voici le schéma d’une fusion nucléaire 1) Entre quels noyaux la réaction se produit-elle ? 2) Donnez les symboles de ces noyaux (élément H). 3) Quelles sont les espèces formées ? Donnez leur symbole. 4) Écrivez l’équation de fusion nucléaire. 5) Quelle différence faites-vous avec les désintégrations précédentes ? http://archipeldessciences.wordpress.com/2011/03/16/les-mots-du-nucleaire/

Fusion nucléaire Activité 6 : correction 1) Elle se produit entre un noyau de deutérium et un autre de tritium, deux isotopes de l’hydrogène 2) 1 proton et 2 nucléons 1 proton et 3 nucléons 3) Il se forme un noyau d’hélium : et un neutron : 4) 5) Lors d’une désintégration, il n’y a qu’un réactif qui se décompose alors que dans une fusion, ce sont deux réactifs qui interviennent.

Fusion nucléaire C’est une réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau plus lourd se forme par fusion de deux noyaux plus légers. Remarque : pour vaincre la répulsion électrique entre les deux noyaux afin de les fusionner, il faut apporter une énergie importante. Cette réaction se produit spontanément dans le soleil mais de nombreux obstacles restent à franchir pour pouvoir l’utiliser pour produire de l’énergie électrique à grande échelle.

Fission nucléaire Activité 7 : ci-dessous le schéma d’une fission nucléaire 1) Comme dans la fusion, cette fission se produit-elle entre deux noyaux légers ? Quels sont les réactifs ? 2) Que se forme-t-il une fois la fission effectuée ? Soyez précis. 3) Pourquoi cette réaction débouche-t-elle sur une réaction en chaîne ? http://bombe-atomique.e-monsite.com/rubrique,la-fission-nucleaire,1248334.html

Fission nucléaire Activité 7 : correction 1) Contrairement à la fusion, c’est un noyau lourd qui est frappé par un neutron. 2) Il se forme deux noyaux plus légers et d’autres neutrons. 3) Les nouveaux neutrons formés vont frapper d’autres atomes d’uranium qui vont libérer d’autres neutrons qui vont frapper... http://bombe-atomique.e-monsite.com/rubrique,la-fission-nucleaire,1248334.html

Fission nucléaire C’est une réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux plus légers se forment par fission d’un noyau de numéro atomique élevé.   Ex : Remarque : la fission est en général déclenchée par un bombardement de neutrons Cette réaction est utilisée pour produire de l’électricité. Cependant, son utilisation n’est pas sans conséquence sur l’environnement et la sécurité des personnes.

L’énergie nucléaire Elibérée = |Δm| c2 Une transformation nucléaire libère de l’énergie. La masse des réactifs étant plus grande que la masse des produits, l’énergie libérée est proportionnelle à la valeur absolue de cette différence de masse notée Δm. Elibérée = |Δm| c2 avec c (vitesse de la lumière) = 3,00.108 m.s-1, Elibérée en Joule (J) et Δm = mproduits - mréactifs http://last48hours.com/actu/quest-ce-que-lenergie-nucleaire

L’énergie nucléaire Elibérée = |Δm| c2 Dans cette expression, |Δm| peut s’exprimer : en kg ; en u (unité atomique) http://last48hours.com/actu/quest-ce-que-lenergie-nucleaire

L’unité de masse atomique u correspond à peu près à la masse d’un nucléon. 1 u = 1,66.10-27 kg |Δm(u)| = |Δm(kg)| / 1 u = |Δm(kg)| / mn ou |Δm(kg)| = |Δm(u)| x 1 u = |Δm(u)| x mn

L’unité de masse atomique u correspond à peu près à la masse d’un nucléon. 1 u = 1,66.10-27 kg Notion plus : À cette unité de masse correspond l’énergie d’un nucléon E1u donnée par la relation E1u = mnc2 Rappel : 1 MeV = 106 eV et 1 eV = 1,60.10-19 J

Le défaut de masse

Le défaut de masse Le défaut de masse d’un noyau est la différence entre la masse des nucléons isolés et la masse du noyau les contenant, la masse du noyau étant toujours plus faible que l’autre. L’énergie correspondant au défaut de masse d’un noyau est celle des liaisons dans le noyau. http://www.je-comprends-enfin.fr/index.php?/Physique-nucleaire/defaut-de-masse-dun-noyau/id-menu-56.html

Dm = Z mp + (A-Z) mn – m(noyau) Le défaut de masse Dm = Z mp + (A-Z) mn – m(noyau) Sa valeur est toujours positive car masse des nucléons isolés > m(noyau) http://www.je-comprends-enfin.fr/index.php?/Physique-nucleaire/defaut-de-masse-dun-noyau/id-menu-56.html

Énergie libérée

Les conversions utiles Elibérée = |Δm(kg)| x c2 Elibérée (J) = |Δm(u)| x 1u (kg) x c2

Application sur un exercice

Relation pour calculer l’énergie en Joule : Elibérée = |Δm(kg)| x c2 Masses données en u Relation pour calculer l’énergie en Joule : Elibérée = |Δm(kg)| x c2 Il faut calculer Δm en u, puis convertir en kg : |Δm(kg)| = |Δm(u)| x 1 u (kg) ou appliquer directement : Elibérée (J) = |Δm(u)| x 1 u (kg) x c2 Pour convertir en MeV : Elibérée (MeV) = Elibérée (J) / 1,60.10-13 Avec 1 MeV = 106 x 1,6.10-19 = 1,60.10-13 J

Calcul de la variation de masse Expression en fonction des données de l’énoncé : Δm = mproduits – mréactifs = m(222Rn) + m(4He)  m(226Ra)   Conversion de Δm en kg Δm (kg) = Δm(u) x 1 u (kg) Calcul de l’énergie libérée en J Elibérée(J) = |Δm(u)| x 1 u (kg) x c2 Elibérée(J) = | m(222Rn) + m(4He)  m(226Ra) | x 1 u (kg) x c2 Elibérée(J) = |222,0176 + 4,0026 - 226,0254| x 1,66.10-27 x (3,00.108)2 Elibérée(J) = 7,77.10-13 J (3 CS) Conversion en MeV Elibérée(MeV) = Elibérée(J) / (1,6.10-19 x 106) Elibérée(MeV) = 7,77.10-13 / 1,6.10-13 = 4,86 MeV (3 CS)

Quelques remarques ● La valeur de Δm est très faible de l’ordre de 10-3 u Δm = mproduits – mréactifs = m(222Rn) + m(4He)  m(226Ra) Dans ce cas : Δm = 222,0176 + 4,0026 - 226,0254 = - 0,0052 u ● Sans calcul intermédiaire, le résultat final possède 3 CS Si présence de calculs intermédiaires, il m’en possédera que 2. Δm(kg) = Δm(u) x 1 u (kg) Δm(kg) = - 0,0052 x 1,66.10-27 = - 8,7.10-30 kg Elibérée(J) = |Δm(kg)| x c2 Elibérée(J) = 8,7.10-30 x (3,00.108)2 = 7,8.10-13 J (2 CS)   Elibérée(MeV) = Elibérée(J) / (1,6.10-19 x 106) = 7,8.10-13 / 1,6.10-13 = 4,9 MeV (2 CS)

Ordre de grandeur des énergies libérées Par ordre décroissant : Fission : 200 MeV par noyau d’uranium scindé Fusion : 20 MeV pour un noyau d’hélium formé Désintégration : 2 MeV par réaction

Centrale nucléaire

Radioactivités naturelle et artificielle Chapitre 8 Radioactivités naturelle et artificielle C’est fini…