COMPRENDRE LOIS ET MODELES

Ch 8 : Radioactivité et réactions nucléaires

I) Activité documentaire 1°) Histoire de la découverte de la radioactivité Act 1 p 134 2°) La radioactivité: un phénomène naturel De nombreux objets qui nous entourent sont radioactifs. L’activité A d’un échantillon (nombre de désintégrations par seconde) se mesure en becquerel (Bq)

3°) Stabilité et instabilité des noyaux Analyser le document 1.a) Sur le diagramme, les cases colorées sont beaucoup plus nombreuses que les cases noires correspondant aux noyaux stables: les noyaux instables sont plus abondants que les noyaux stables. 1.b) Le noyau stable le plus lourd est le plomb 208: 20882Pb

3°) Stabilité et instabilité des noyaux 1.c) Le noyau dont la représentation symbolique est 2010Ne Correspond à la case de coordonnées (10;10); cette case est noire, le noyau est stable. La case de coordonnées (30;30) correspond à 6030 Zn Cette case est orange, le noyau est instable. La case de coordonnées (35;20) correspond à 5520 Ca Cette case est bleue, le noyau est instable. La case de coordonnées (126;84) correspond à 21084Po Cette case est jaune, le noyau est instable.

3°) Stabilité et instabilité des noyaux Interpréter le document 2.a) Les noyaux de même ordonnée ont le même nombre de protons et le même symbole: 20882Pb et 20782Pb sont isotopes. Deux noyaux isotopes ont le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents. 2.b) L’interaction forte assure la cohésion du noyau en s’opposant à l’interaction électromagnétique responsable de la répulsion entre les protons. Cette cohésion est assurée dans le cas de 2010Ne et le noyau est stable. Pour 6030Zn (30 neutrons et 30 protons), on peut supposer que l’interaction électromagnétique l’emporte sur l’interaction forte car, d’après le diagramme, les noyaux stables possédant 30 protons contiennent plus de 30 neutrons. (pas assez de neutrons par rapport au nombre de protons) Pour 5520Ca (35 neutrons, 20 protons), on peut supposer que l’interaction forte l’emporte sur l’interaction électromagnétique car les noyaux stables possédant 20 protons contiennent moins de 35 neutrons (22,23 ou 24). Le noyau 21084Po contient trop de protons pour être stable.

3°) Stabilité et instabilité des noyaux Conclure 3.a) Les noyaux situés au-dessus de la vallée de stabilité, comme 6030Zn, transforment un proton en neutron et se rapprochent de cette vallée: ils sont radioactifs β+ . Les noyaux situés au-dessous de la vallée de stabilité, comme 5520Ca, transforment un neutron en proton et se rapprochent ainsi de cette vallée: ils sont radioactifs β- . Les noyaux situés au-delà de Z = 82 comme 21084Po, perdent deux neutrons et deux protons: ils sont radioactifs α. 3.b) 6030Zn donne 6029Cu par radioactivité β+ ; 5520Ca donne 5521Sc par radioactivité β- ; 21084Po donne 20682Pb par radioactivité α .

II) Réaction nucléaire spontanée 1°) Définition a) Réaction nucléaire Transformation d’un ou plusieurs noyaux atomiques b) Noyaux isotopes A un élément chimique peuvent correspondre plusieurs noyaux qui diffèrent par leur nombre de neutrons. Ce sont les noyaux isotopes (même nombre de protons Z, pas même nombre de nucléons A) 2°) Cohésion du noyau et radioactivité La cohésion du noyau est liée au nombre de protons et de neutrons. Quand elle n’est plus assurée, il est instable. Un noyau radioactif est un noyau instable. La radioactivité est la manifestation spontanée d’une réaction nucléaire dans laquelle un noyau radioactif, appelé noyau père, se désintègre en un autre noyau, appelé noyau fils, et émet une particule. La radioactivité est dite naturelle lorsque les noyaux instables existent dans la nature. Elle est dite artificielle lorsqu’ils sont créés en laboratoire.

II) Réaction nucléaire spontanée 3°) Lois de conservation: Loi de SODDY Lors d’une réaction nucléaire, il y a conservation de la charge électrique et du nombre de nucléons. AZX → A1Z1Y1 + A2Z2Y2 A = A1 + A2  conservation du nombre de nucléons Z = Z1 + Z2  conservation de la charge électrique 4°) Activité et décroissance radioactive Activité d’un échantillon: nombre de désintégrations par seconde. Elle s’exprime en becquerel (Bq) et dépend du nombre de noyaux susceptibles de se désintégrer. L’activité d’un échantillon diminue donc avec le temps. L’activité est divisée par 2 au bout d’un temps noté t1/2: la demi-vie d’un échantillon.

II) Réaction nucléaire spontanée 5°) Différents types de désintégration a) Radioactivité α noyau instable en raison d’un excédent de nucléons Émission d’un noyau d’hélium: 42He encore appelé particule α Général: AZX → A-4Z-2Y + 42He Ex: 21084Po → 20682Pb + 42He b) Radioactivité β- noyau instable en dessous de la vallée de stabilité (diagramme de Segré) Émission d’un électron : 0-1e Général: AZX → AZ+1Y + 0-1e L’interaction faible intervient dans la transformation d’un neutron en proton: 10n → 1+1p + 0-1e Ex: 6027Co → 6028Ni + 0-1e

II) Réaction nucléaire spontanée 5°) Différents types de désintégration c) Radioactivité β+ noyau instable au dessus de la vallée de stabilité (diagramme de Segré) Émission d’un positon : 01e Général: AZX → AZ-1Y + 01e Transformation d’un proton en neutron: 11p → 10n + 01e Ex: 3015P → 3014Si + 01e d) La désexcitation γ Après la désintégration, le noyau fils est souvent dans un état dit « excité ». Il devient stable est émet l’excédent d’énergie sous forme d’un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement γ. On le note: AZY* → AZY + γ

II) Réaction nucléaire spontanée 6°) Diagramme de Segré

III) Réaction nucléaire provoquée 1°) La fission nucléaire Réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau lourd, dit  « fissile », est scindé en deux noyaux plus légers sous l’impact d’un neutron. Exemple: 23592U + 10n → 13954Xe + 9438Sr + 3 10n 3 neutrons sont libérés: réaction en chaîne. Exemples d’applications : Les Centrales nucléaires (problèmes de déchets et de sécurité) La bombe A (Pas la meilleur des inventions humaine…).

III) Réaction nucléaire provoquée 2°) La fusion nucléaire Réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux légers s’unissent pour donner un noyau plus lourd. Cette fusion nécessite des températures très élevées. Cette condition existe dans les étoiles, comme le Soleil. Exemple: 21H + 31H → 42He + 10n Exemples d’applications : Étoiles : Ce n’est pas une application humaine, mais la fusion de noyaux d’hydrogène (principalement), illumine l’espace et donne matière et vie. La bombe H (la bombe A ne devait pas être suffisamment forte…). Le tokamak ou ITER : Fusion de noyaux de deutérium. Cette réaction, environ 5 fois plus énergétique que la fission de l’uranium à masse égale, et le gigantesque réservoir de deutérium dans les océans assurerait à l’humanité 1 milliard d’années d’autonomie d’énergie. Mais certains doutent qu’il ne fonctionne un jour.

Equation d’Einstein IV) Bilan d’énergie Lors d’une réaction nucléaire, la masse des produits obtenus est inférieure à la masse des réactifs. La masse manquante est appelée « perte de masse »: | ∆m| = | mproduits – mréactifs | Une perte de masse correspond à une libération d’énergie Equation d’Einstein Un corps de masse m au repos, a une énergie totale : Elibérée = | ∆m| x c2 c : célérité de la lumière: 3.108 m.s-1. E en joule : J m en kg Cette énergie est libérée sous forme : -d’énergie cinétique des noyaux et des particules créés; -d’énergie du rayonnement γ .