Atomes et leurs noyaux Quel que soit son état – solide, liquide ou gazeux- la matière est un assemblage d’atomes. Un atome est constitué d’un noyau et d’un cortège d’électrons qui gravitent autours de ce dernier.

Structure Nucléaire électrons protons neutrons

Les constituants des noyaux sont appelés des nucléons Les constituants des noyaux sont appelés des nucléons. Ils sont soit des protons chargés positivement ou bien des neutrons qui possèdent des charges nulles. Les charges électriques du proton et de l’électron sont de même valeur absolue e mais de signes opposés e = 1.602 177 33 x 10-19 C

Ordres de grandeurs En unité de masse classique: Masse du proton : 1,672623 10-27 kg Masse du neutron : 1.674928 10-27 kg Masse de l’électron : 9,10938910-31 kg soit 0,00091094 10-27 kg

Tableau récapitulatif

La masse de ces particules est absolument infime. Comparée à la masse d’un proton ou d’un neutron, la masse d’un électron et largement plus faible. La masse du proton est presque la même que celle du neutron. La différence de masse entres ces deux nucléons représente tout de même 2,5 fois la masse d’un électron.

L’analyse de Rutherford a permis d’établir que le noyau a un rayon voisin de 10-14 m. Des expériences plus élaborées utilisant la diffusion d’autres particules et d’électrons ont permis de démontrer qu’il existe un lien approximatif entre leur rayon R et le nombre de masse A. Mais en supposant que le noyau est sphérique et que la matière nucléaire est identique dans tous les noyaux et possède une densité constante on peut exprimer le rayon nucléaire par :

R = R0 A1/3 f (1f= 1 fermi = 10-13 cm) R0 est appelée la constante de rayon; R0 = 1,4 f Le rayon du noyau est alors de l’ordre de 1,5.10-15 m. La masse de ce dernier considéré comme sphérique est de l’ordre de 1,6.10-27 kg Ce qui donne une masse volumique très grande de l’ordre de 1017 kg/m3, soit environ 100000 tonnes par mm3.

Terminologie - Le numéro atomique Z = le nombre de protons dans le noyau, ce nombre égale le nombre d’électrons pour un atome. Le numéro atomique est caractéristique de chaque élément. - N = le nombre de neutrons dans le noyau. - Le nombre de masse A= Z+N = le nombre total de nucléons dans un noyau

La classification des atomes 1- Les éléments chimiques: Les propriétés chimiques des atomes sont liées au nombre des électrons périphériques et à leur disposition, ce nombre d’électrons négatifs étant lui-même uniquement déterminé par le nombre de protons positifs présents dans le noyau. Ainsi pour les chimistes, un type d’atomes est entièrement défini par un seul nombre Z; le numéro atomique.

A chaque valeur du numéro atomique Z correspond un élément auquel on a donné un nom et un symbole. Z=1 est l’hydrogéne H Z= 2 est l’hélium He Z=13 est l’aluminium Al Z=92 est l’uranium U

Les nucléides: En physique nucléaire, un type d’atomes, qu’on appelle un nuclide ou nucléide, est défini à la fois par son nombre de protons et par son nombre de neutrons. En pratique, pour désigner un nucléide, on utilise son nom et son symbole chimique , et l’on précise le nombre total des nucléons présents dans le noyau. Le nombre de neutron s’en déduit par différence.

Un élément X ayant Z protons et N neutrons peut être représenté sous la forme le nombre total de nucléons dans un noyau le nombre de protons dans le noyau

Quelques exemples Hydrogène 1 proton, 0 neutron Deutérium 1 proton, 1 neutron Tritium 1 proton, 2 neutrons Uranium-235 soit 235 – 92 = 143 neutrons

Isotopes: On appelle isotopes des nucléides qui appartiennent au même élément. Ils ont le même nombre de protons et d’électrons, donc les mêmes propriétés chimiques, mais différents par le nombre de leurs neutrons et donc par leur masse.

Isotones: Se dit des nucléides possédant un nombre de neutrons identique mais un nombre de protons et de nucléons différents (N identiques, Z différents, A différents). Exemple: et

Isobares: Se dit des nucléides possédant un nombre de nucléons identique mais un nombre de protons et de neutrons différents (A identiques, Z différents, N différents). Exemple:

Noyaux miroirs. Ce sont deux noyaux ayant le même nombre de masse A, l'un dérivant de l'autre en remplaçant tous les neutrons par des protons et tous les protons par des neutrons. Un exemple d'une telle paire est le neutron et le proton eux-mêmes. On peut en donner d'autres exemples: et , et , et

Nucléides et éléments naturels L’inventaire de tous les types d’atomes présents dans l’écorce terrestre conduit à distinguer 331 nucléides naturels. C’est-à-dire qu’on trouve sur notre planète 331 types de noyaux différents. Si on se focalise sur le numéro atomique Z, on constate que ce nombre varie entre 1 à 92 et que toutes les valeurs intermédiaires sont présents sauf les nombres 43 et 61. On a alors 90 éléments naturels.

dans les 90 éléments naturels il ya : - une vingtaine d’éléments qui n’ont qu’un seul isotope naturel tels que Be, F, Na, Al, P, Co, Au… - une vingtaine d’éléments ont deux isotopes naturels comme Ag 107 et 109. - La plus part des autres éléments comprennent entre 3 et 7 isotopes naturels.

La composition isotopique naturelle: Dans tous les matériaux qui composent l’écorce terrestre, les différents isotopes de chaque élément chimique sont partout mélangés et, sont présents partout dans les mêmes proportions..

Ainsi, quelle que soit l’origine géographique et géologique d’un échantillon quelconque d’un élément, ses différents isotopes naturels s’y trouvent mélangés en proportions identiques. Ces proportions sont donc une véritable caractéristique de l’élément, qu’on appelle sa composition isotopique naturelle

Exemples: Pour le fer, on a: Pour le bore, on a: Pour l’uranium:

Les masses atomiques et Unité de Masse atomique La masse atomique d’un atome est déterminée par le nombre de protons de neutrons et d’électrons qui s’y trouvent. La masse atomique des éléments naturels tient compte de ses isotopes naturels.

la comparaison est faite avec à la référence le carbone 12 dont la masse atomique est fixée à 12. La masse atomique du carbone correspond à la masse de 6.02 1023 atomes de carbone 12. 6.02 1023 est le nombre d'Avogadro. Elle est égale à alors 12grammes La masse atomique relative d'un atome est le rapport entre la masse de cet atome et le douzième de la masse de l'isotope 12 du carbone, choisi comme masse de référence.

L’élément naturel fer est constitué de quatre isotopes : 54Fe (6,04 %), M54
53,953 57Fe (2,11 %), M57
56,960 56Fe (91,57 %), M56
55,948 58Fe, 0,28 %), M58
57,959 Quelle masse atomique peut-on prévoir pour le fer naturel? 55,85

L’unité de masse atomique (u ou uma)

Dans la pratique par suite de l’équivalence masse-énergie, on utilise non pas les masses mais leur équivalence énergétique. Equivalence de la masse et de l’énergie a été proposée par Einstein en 1905, dans sa théorie de la relativité restreinte : à toute masse m0 correspond une énergie E avec : E = m0 c² où c est la vitesse de la lumière.

L’unité de E est le MeV (mégaélectronvolt) 1 MeV = 106 eV= 1,60217733.10-13 J Sachant que: 1u = 1,6605402.10−27 kg On a alors: 1u = 931,4943MeV/c2

u kg Mev / c2 électron proton neutron 1 1,66055 x 10-27 931,5 0,0005486 9,10953 x 10-31 0,511003 proton 1,007276 1,67265 x 10-27 938,280 neutron 1,008665 1,67496 x 10-27 939,573 L’uma c’est le 1/12 ème d’un noyau constitué (celui du C12). C’est pour cela qu’elle est plus faible que la masse du proton ou du neutron pris isolément (cf perte de masse du noyau). Cet effet mis à part, ce choix d’uma a pour conséquence intéressante de conférer au proton et au neutron des masses atomiques très voisines de 1

L’excès de masse - Comme le proton et le neutron ont sensiblement la même masse, la masse d’un isotope est approximativement proportionnelle à son nombre de nucléons. - L’excès de masse Δ est définie comme étant la différence entre étant la différence entre la masse atomique d’un atome Ma et son nombre de masse A: Δ = Ma – A - Exemple: Calculer l’excès de masse du carbone 14, sachant que sa masse atomique est de 14.003241987u.

L’excès de masse: L’excès de masse Δ est définie comme étant la différence entre étant la différence entre la masse atomique d’un atome Ma et son nombre de masse A: Δ = Ma – A Exemple: Calculer l’excès de masse du carbone 14, sachant que sa masse atomique est de 14.003241987u.

On a A=14, M14= 14,003241987 Donc Δ = 14,003241987 -14 = 0.003241987 u Ainsi sachant que : 1u = 931,4943 MeV = 931494,3 keV Δ vaut alors 3019,892 keV

La stabilité nucléaire Un nucléide est parfaitement défini par son nombre de protons et son nombre de neutrons. La stabilité ou l’instabilité d’un noyau ne dépend que de son nombre de protons et de neutrons.

Les particules constituant un atome sont soumises à 2 types de forces: La force électrostatique Les forces nucléaire attractives d’interaction forte qui sont intenses, indépendantes de la charge électrique et de faible portée (10-15m) entre les nucléons qui assurent la cohésion de certains noyaux. Les forces nucléaires sont saturées c.-à-d., dans un noyau contenant plusieurs nucléons, un nucléon ne peut interagir qu’avec un nombre limité ne nucléons voisins.

Stabilité du noyau : La stabilité d'un noyau atomique dépend du nombre de nucléons qui le composent. Certains noyaux sont stables, c.-à-d. que leur énergie de liaison est suffisante, rendant alors leur durée de vie illimitée. D'autres sont instables et tendent à se transformer spontanément en un noyau plus stable par émission d'un rayonnement. Ou plus précisément, la transformation (spontanée) de la radioactivité se produit toujours selon une augmentation de l'énergie de liaison moyenne des nucléons concernés.

Les études faites sur la structure des noyaux ont permis de tirer cinq règles de stabilité nucléaire: - La tendance naturelle pour un noyau est regrouper autant de neutrons que de protons, donc obtenir une symétrie protons-neutrons aussi parfaite que possible - Pour les noyaux ayant un Z élevé la répulsion coulombienne est très importante est tend à affaiblir la stabilité le noyau, il faut alors augmenter légèrement le nombre de neutrons puisque ces deniers ne se repoussent pas et apporte l’attraction nucléaire

- Vue la saturation des forces nucléaires, la stabilité est meilleurs à l’intérieur du noyau qu’à son surface - Dans un noyaux, tous les protons d’une part, les neutrons d’autres part, sont regroupés par paires. Les noyaux sont classés en 4 catégories:

Les noyaux dotés d’une très grande stabilité s’il contient un nombre de neutrons ou de protons égal à des nombres dites magiques qui sont: 8 20 28 50 82 126 Exemple 4He 16O 20Ca ( possède 6 isotope 40, 42, 43, 44, 46 et 48 )

La radioactivité Certains nucléides peuvent se transformer au cours du temps, en émettant un rayonnement. Cette transformation correspond à un changement de nature de l’atome. Ce phénomène s’appelle radioactivité. Il n’est pas influençable de l’extérieur. Dont les propriétés sont:

Aléatoire : Il est impossible de prévoir l'instant où va se produire la désintégration d'un noyau radioactif Spontanée : La désintégration se produit sans aucune intervention extérieure Inéluctable : Un noyau radioactif se désintégrera tôt ou tard, Indépendante de la combinaison chimique dont le noyau radioactif fait partie Indépendante des paramètres extérieurs tels que la pression ou la température. S’accompagne de l’émission de rayonnements. On peut distinguer 3 classes d’émissions radioactives:

rayonnement α : Il se compose de particules α qui sont formées de noyaux d’hélium. Voilà pourquoi on les note α ou . rayonnement β- Il se compose d’électrons et un antineutrino.

rayonnement β+: Il se compose d’un positon avec émission d’un neutrino. rayonnement γ C’est un rayonnement électromagnétique de très haute fréquence (de l’ordre de 1020 Hz.) Le rayonnement γ ne peut pas être dévié à l’aide de champs électriques ou magnétiques.

la radioactivité : Un noyau radioactif est un noyau instable dont la désintégration (destruction) aléatoire s'accompagne: L'apparition d'un nouveau noyau L'émission des particules α, β - ou β + L'émission du rayonnement électromagnétique γ. La radioactivité est une réaction dite nucléaire car elle concerne le noyau de l'atome alors que les réactions chimiques ne concernent que le cortège électronique sans modifier le noyau.