Chapitre 12: La physique nucléaire

12.1 La structure du noyau Le noyau d’un atome est constitué de protons et de neutrons, qui sont tous les deux des nucléons. Z est le numéro atomique, il est égal au nombre de protons. N est le nombre de neutrons. A est le nombre de masse. A = Z + N C’est le nombre total de nucléons. Un nuclide est un noyau qui a un nombre donné de protons et de neutrons. Les isotopes d’un élément donné sont des atomes dont les noyaux ont le même nombre de protons, mais des nombres différents de neutrons. Rayon d’un noyau:

12.2 L’énergie de liaison et la stabilité du noyau La force nucléaire est une force d’attraction de courte portée (2 fm) qui est la même pour tous les nucléons. La masse d’un noyau est inférieure à la somme des masses de ses nucléons d’un certaine quantité Δm qui est appelé le défaut de masse dont l’équivalent est l’énergie de liaison L’énergie de liaison moyenne par nucléon est

Exemple: l’énergie de liaison du 13C ?

12.3 La radioactivité Particules alpha : particules de charge +2e qui sont des noyaux d’hélium Particules bêta : des électrons ou des positrons. Rayons gamma : ondes électromagnétiques très courtes Neutrons n: particule sans charge ayant la masse d’un proton La désintégration alpha: Un noyau est théoriquement instable par rapport à la désintégration α ou β si sa masse est supérieure à la somme des masses des produits. Q est l’énergie de désintégration. c2 = 931,5 MeV/u

12.3 (suite) La désintégration bêta: La désintégration bêta fait intervenir l’émission d’un électron ou d’un positron ainsi qu’un neutrino.

12.4 La désintégration radioactive Chaque atome a une probabilité constante de se désintégrer en un temps donné. Le nombre de désintégration par unité de temps est donc proportionnel au nombre total d’atomes pouvant se désintégrer. La constante de proportionnalitéλ est la constante de désintégration. Il en découle que le nombre d’atomes restant N décroît exponentiellement en fonction du temps. Par définition, le temps de demi-vie T½ est le temps nécessaire pour que la moitié des atomes se soient désintégrés (il en reste donc la moitié). Le taux de désintégration R est le nombre de désintégrations par unité de temps. Il est souvent plus facile d’utiliser R qui est directement mesurable, contrairement à N.

12.4 (suite) La datation radioactive Le 14C est constamment produit par les rayons cosmiques dans la haute atmosphère et ainsi son abondance dans l’atmosphère est constante: Lorsqu’un organisme vivant meurt, son abondance en 14C commence à diminuer car il n’absorbe plus le CO2 de l’atmosphère.

12.4 Exemple E25 Un os ancien contient 80 g de carbone et a un taux de désintégration de 0,75 Bq. Quel est son âge? On suppose que le rapport en nombre des isotopes dans l’atmosphère est 14C/12C =1,3 x 10-12 et qu’il est resté constant. La demi-vie du 14C est de 5730 ans.

12.5 Les réactions nucléaires Une réaction nucléaire dans laquelle une collision entre une particule a et un noyau X produit un noyau Y et une particule b. La réaction est exothermique si Q > 0 et endothermique si Q < 0. Il s’agit d’une transmutation induite artificiellement contrairement à la radioactivité qui fait intervenir une transmutation spontanée des atomes.

12.6 La fission La fission est le processus par lequel un noyau lourd de divise en deux fragments de grandes tailles. Le modèle de la goutte d’eau permet d’expliquer ce phénomène. La fission peur être spontanée ou être induite par l’absorption d’un neutron. Si la fission libère de neutrons, ceux-ci peuvent alors induire des fissions dans d’autres atome. Ce processus peut se répéter et donner lieu à une réaction en chaîne. Il y a dégagement d’énergie car l’énergie de liaison par nucléon de l’atome qui fissionne est plus faible que l’énergie de liaison par nucléon des noyaux produits (Fig. 12.2).

12.7 La fusion La fusion est le processus par lequel deux noyaux légers se combinent pour donner un noyau plus lourd. Pour fusionner, les deux noyau doivent surmonter la forte barrière de potentiel crée par la répulsion électrostatique (200 keV = 2 GoK). Il y a dégagement d’énergie car l’énergie de liaison par nucléon des atomes qui fissionnent est plus faible que l’énergie de liaison par nucléon du noyau produit (Fig. 12.2). Un ensemble de réactions appelé chaîne proton-proton ont lieu à l’intérieur du soleil à une température plus faible (1.5 MoK). Cette réaction est extrêmement lente et ne peut être utile sur terre.