Noyau de l’atome et radioactivité R-C-Appert-07

Le modèle de l'atome de Rutherford Comprendre le noyau Le modèle de l'atome de Rutherford En 1909, la structure de l'atome reste dans le domaine des hypothèses. Le physicien Britannique Ernest Rutherford (1871-1937) réalise une expérience décisive. Il bombarde une feuille d'or très fine de particules alpha qui sont des atomes d'hélium ayant perdu 2 électrons. Elles sont beaucoup plus petites que les atomes d'or. R-C-Appert-07

En 1910, il compare l'atome avec le système solaire ; l'atome est constitué d'un noyau autour duquel gravitent les électrons. Le noyau est 104 à 105 fois plus petit que l'atome. L’atome, constitué de beaucoup de vide est électriquement neutre. Il observe que seule une infime minorité de particules alpha semble rebondir sur la feuille d'or de quelques µm . La grande majorité de ces particules alpha ne sont pas déviés par la traversée de la feuille. Pour bien faire comprendre, utiliser une comparaison, même un peu fausse, à notre échelle : une boule de bowling lancée sur un mur mince en acier. A quoi peut-on s’attendre? Comment modifier notre comparaison, pour mieux « coller » à ce qui se passe à l’échelle atomique? R-C-Appert-07

Peu après, il suggère l’existence d’une nouvelle particule, le neutron 1919: Rutherford identifie le proton, une particule de charge exactement opposée à celle de l’électron, mais environ 2000 fois plus lourde. Rutherford et le neutron (1920) Aspect histoire et méthodologie scientifiques : basculer entre expériences, conjectures à vérifier, proposition de modèles à valider… Peu après, il suggère l’existence d’une nouvelle particule, le neutron R-C-Appert-07

1932: Chadwick (l’élève. de Rutherford). confirme l’existence 1932: Chadwick (l’élève de Rutherford) confirme l’existence du neutron : il établit qu’un nouveau type de “radiation”, capable de traverser 20 cm de plomb était composé de particules neutres dont la masse valait 1.0067 fois celle du proton R-C-Appert-07

Remarque : Autour du noyau circulent les électrons Thomson en 1897 découvre l’électron Demander pour verifier que tout le monde suit, en quoi cette diapo est « hors sujet » R-C-Appert-07

Atome et élément chimique L’ identité chimique d’un atome est déterminée uniquement par Z son nombre de protons La valeur de Z définit l’élément chimique, auquel on associe symbole et nom R-C-Appert-07

Tableau Périodique (Mendeleiev, 1869) (Halogènes) Métaux alcalino-terreux Metaux de Transition Insister sur cette classification partagée sous une autre forme (voir plus loin) entre chimistes et physiciens. (diapo 17) 90 éléments naturels, 340 isotopes naturels, dont 70 radioactifs, mais 2000 isotopes artificiels! Gaz rares Metaux alcalins R-C-Appert-07 —: solide —: liquide —: gaz —: synthétisé

Nucléides et isotopes Z est le même pour le carbone-12, le carbone-11 et le carbone-14 A = nombre de protons + nombre de neutrons Nucléide : Tout noyau défini par une valeur de A et une valeur de Z, représenté par AZX Isotopes: nucléides qui ont le même nombre de protons mais des nombres differents de neutrons Isotopes du carbone : “Carbone-14” : 6 Protons - 8 Neutrons (+6électrons dans l’atome) “Carbone-11” : 6 Protons - 5 Neutrons (+6électrons dans l’atome) Que dire de ? R-C-Appert-07

Isotopes de l’hydrogène Hydrogene (1H) Deutérium (2H) Tritium (3H) p+ e- e- n p+ e- n p+ Z= 1 et A= 3 Radioactif Z= 1 et A= 1 Z= 1 et A= 2 R-C-Appert-07

Un nouveau phénomène... 1896: Henri Becquerel découvre accidentellement le rayonnement émis par l’uranium Marie Curie reprend l’étude des radiations émises par l’ uranium, rapidement rejointe par son mari, Pierre Curie Marie and Pierre Curie dedient leurs vies à l’étude de la radioactivité et de ses potentielles applications en medecine (radiologie) 1903: Pet M Curie ainsi que H. Becquerel reçoivent le prix Nobel de Physique 1911: Marie Curie reçoit le prix Nobel en Chimie Insister sur les aspects historiques avec les anecdotes que les élèves adorent et retiennent Becquerel entrepose des plaques photos vierges avec de l’uranium dans son bureau, puis retrouve les plaques impressionnées... Marie Curie comprend que l’émission ne dépend pas de l’arrangement des atomes dans une molécule, mais provient de l’intérieur de l’atome. Elle a très tôt eu conscience de l’utilité de ces radioisotopes en médecine, sans soupçonner l’étendue des applications, ni les dangers immédiats. Faire parler les élèves sur ce qu’ils savent sur le sujet et donner quelques pistes. Les renvoyer vers l’expo Arronax. R-C-Appert-07

Radioactivité “Demi – vie” ou “période” Terme utilisé par Marie Curie pour décrire le mystérieux effet de l’uranium Rien à voir avec les émissions d’ondes “radio” ! car en unique provenance du noyau atomique... Certains noyaux sont très instables, et se “désintègrent” tout seuls au cours du temps Pendant cette désintégration, ils émettent des rayonnements de très haute énergie (et très dangereux) Les nucléides instables ont une durée de vie spécifique, appelée: “Demi – vie” ou “période” Durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initiaux se sont désintégrés spontanément. Insister lourdement sur l’aspect spontané qui a justement permis d’observer le phénomène. R-C-Appert-07

Désintégration Alpha Les noyaux trop “lourds”...  ...Produisent spontanément des particules alpha pour se stabiliser ( noyau He ) Noyau père: Seaborgium Noyau fils: Rutherfordium + alpha Rappeler qu’à Z=106 les noyaux sont artificiels et produits dans des accélérateurs de particules (pas tout à fait comme Arronax) Rutherford avait obtenu le prix Nobel en 1908 pour cette découverte (avant de découvrir le noyau!) R-C-Appert-07

Désintégration Beta moins Cette forme de radioactivité concerne les isotopes instables pour lesquels le nombre de neutrons est trop grand par rapport à celui des protons. Transformation spontanée mais imprévisible d’un neutron en proton, avec production d’électrons Introduire l’antineutrino, par son « histoire » Pour conserver le principe de conservation de l’énergie, que les élèves ont étudié en première, Pauli émet l’hypothèse en 1930 de l’existence d’une particule et de son antiparticule, qui emporterait l’énergie manquante… Bohr n’est pas du même avis (les physiciens sont aussi des hommes!)… Mais cette particule est indétectable jusqu’en 1956. En 1932, Chadwick découvre le neutron, mais rien à voir avec la particule de Pauli, car ce doit être plus petit, d’où le nom donné par l’italien Enrico Fermi de « petit neutron » le neutrino en 1933. De nombreuses expériences ont été réalisées pour connaître la masse des neutrinos et d’autres sont actuellement tentées ou en cours d’analyse pour comprendre si les neutrinos interviennent par exemple dans la « matière noire » qui semble constituer la majeure partie de l’univers… Père : Carbone Fils : azote (+ électron + antineutrino) R-C-Appert-07

Désintégration Beta Plus Cette forme de radioactivité concerne les isotopes instables pour lesquels le nombre de protons est trop grand par rapport à celui des neutrons  Transformation spontanée mais imprévisible d’un proton en neutron, avec production de positons ( antielectrons) Seuls les nucléides artificiellement produits sont radioactifs bêta plus. Demander pourquoi? Ces radionucléides sont très intéressants pour réaliser de l’imagerie du corps humain par tomographie par émission de positons : envoi de « lumière » de l’intérieur du corps, car un antiélectron + un électron s’annihilent pour donner deux photons gamma de même nature électromagnétique que la lumière visible, suivant une direction donnée, mais dans les deux sens opposés. Des cristaux scintillants recueillent ces rayonnements dans une gamma caméra et les informations sont informatiquement traitées pour restituer l’image définitive. Père : Fluor Fils : Oxygène (+ positon + neutrino) R-C-Appert-07

Les rayonnements les plus dangereux ! Rayonnement Gamma Ce rayonnement électromagnétique survient chaque fois que l’énergie du noyau est trop élevée  Un rayonnement électromagnétique gamma (photon de haute énergie) est émise par le noyau Expliquer que ce rayonnement est très « pénétrant » (>200m dans l’air) les tissus biologiques, comme les rayons X et provoque des ionisations de la matière. Il faut du béton et du plomb pour les arrêter. Expliquer aussi que ce rayonnement est intéressant pour constituer des gamma caméras à trois photons en imagerie médicale (voir Subatech) Père: Dysprosium Fils : identique au père Les rayonnements les plus dangereux ! R-C-Appert-07

… Vallée de stabilité La CP des physiciens. R-C-Appert-07

Récapitulation des types de désintégrations… A quelles lois physiques se plient ces désintégrations? R-C-Appert-07

Quand le nombre de neutrons est plus grand que celui des protons (Z<N), les noyaux cherchent spontanément à se stabiliser en augmentant Z et en diminuant N. Expliquer que si A correspond bien toujours au nombre de nucléons, Z correspond maintenant plutôt au nombre de charges avec l’indication du signe de la charge Montrer la conservation du nombre de nucléons, mais pas du nombre de protons puisqu’il y a conservation de la charge. R-C-Appert-07

Quand le nombre de protons est plus grand que celui des neutrons (N < Z), le noyau cherche spontanément à se stabiliser en augmentant N et en diminuant Z. Mêmes remarques que précédemment R-C-Appert-07

Les éléments "lourds" de numéro atomique Z > 83 modifient spontanément leur nombre de protons et de neutrons simultanément par émission de particules  (noyaux d'Hélium 4 ). R-C-Appert-07

Donner quelques « repères » qui n’auront cependant pas force de loi: Z<20 stabilité si Z=N Z>20 stabilité si environ N-1,5Z Noyaux très lourds : désintégration alpha R-C-Appert-07