Cette leçon comporte 3 volets concernant les transformations d'un noyau atomique: radioactivité, fission nucléaire, fusion thermonucléaire 

 Radioactivité

 Découverte en 1896 par le français Henri Becquerel la radioactivité naturelle affecte le noyau des atomes.

Plaque photo pourtant non insolée mais placée à proximité d'un sel d'uranium (26-27 février 1896).

Becquerel remarqua que la tache sur la plaque photo avait la même forme que la roche d'uranium posée par dessus et il comprit alors que des radiations avaient traversé l'étui protecteur de la plaque photo.

Ecouter le son d'un compteur de Geiger

A - Structure de l'atome:

Caractéristiques des particules élémentaires:

Dans un noyau, le nombre de protons est noté Z. Ce nombre est appelé numéro atomique: C'est ce numéro qui permet de ranger l'atome dans la classification périodique des éléments.

Voir une classification périodique des éléments.

Voir l'abondance des éléments

Dans un noyau, le nombre total de nucléons (c'est à dire le nombre de protons augmenté du nombre de neutrons) est noté A. Ce nombre est appelé nombre de masse. C'est, approximativement, la masse molaire de l'élément chimique correspondant, puisqu'on s'est arrangés, en choisissant le nombre d'Avogadro, pour qu'une mole de nucléons ait une masse de 1 gramme:

6,023 x 10^-23 (nombre d'Avogadro) x 1,67x10^-24(masse d'un nucléon) = 1 g

On représente un noyau par un symbole dans lequel X désigne l'élément chimique:

Dans un noyau, le nombre de neutrons, souvent  noté N, s'obtient par différence:

Un élément chimique est l'ensemble des atomes de même Z.

Un nucléide est l'ensemble des atomes de même Z et de même A.

Sont qualifiés d'isotopes d'un élément chimique, l'ensemble des nucléides de même numéro atomique Z.

Tous les isotopes d'un élément chimique sont rangés dans la même case d'une classification périodique des éléments.

Exemples:

Dans un atome, il y a le même nombre d'électrons et de protons. L'atome possède donc aussi Z électrons. L'atome est électriquement neutre. Si ce n'est pas le cas, ce n'est plus un atome mais un ion ( cation s'il y a un défaut d'électrons  ---> charge globale positive, anion s'il y a un excès d'électrons ---> charge globale négative).

B - La radioactivité alpha ( )

Puisqu'elle affecte le nombre ou la nature des particules du noyau, la radioactivité naturelle agit sur A, Z ou sur ces 2 grandeurs.

Un noyau est dit radioactif s'il émet un hélion ou noyau d'hélium 4 que l'on appelle particule . Il se transforme en un noyau fils qui a 4 nucléons dont 2 protons de moins que le noyau père.L'élément fils se trouve donc 2 cases avant l'élément père dans la classification périodique des éléments.

Particule alpha ou hélion ou noyau d'hélium 4  (2 protons et 2 neutrons)

L'équation nucléaire générale est la suivante:

par exemple l'isotope 210 du polonium devient du plomb 206:

ou encore

Loi de conservation du nombre de nucléons: le nombre total de nucléons est le même à gauche et à droite de la flèche, soit, pour l'exemple suivant  ( 238 = 234 + 4 )

Loi de conservation de la charge:  (92  =  90  +  2 ) dans l'exemple suivant

Ce rayonnement est arrêté par 6 cm d'air ou par une feuille de papier.

 C - La radioactivité béta moins ( )

Un noyau est radioactif    s'il libère un électron ( charge -e, masse ~ 0 ). Le symbole de l'électron est:

L'équation générale est:

Même nombre A de nucléons ; un proton de plus, un neutron de moins.

La radioactivité béta moins est la qualité des noyaux qui ont trop de neutrons par rapport aux protons.

 Le noyau fils a le même nombre de masse que le noyau père mais il se trouve une case plus loin dans la classification périodique des éléments.

L'électron ne  vient pas du nuage électronique mais est créé par le noyau instable, ce qui s'accompagne d'une profonde modification de ce noyau.

Exemples:

 Ce rayonnement est arrêté par une feuille d'aluminium.

D - La radioactivité béta plus ( )

Un noyau est radioactif   s'il libère un positon ou "électron positif" dont le symbole est:

Equation générale:

Même nombre A de nucléons ; un proton de moins, un neutron de plus.

La radioactivité  béta plus  est la qualité des noyaux qui n'ont pas assez de neutrons par rapport aux protons.

Le noyau fils se trouve juste avant le noyau père dans la classification périodique des éléments.

Exemples:

Ce rayonnement est, lui aussi, arrêté par une feuille d'aluminium. 

Récapitulatif dans un diagramme de Segré (N,Z):

E - La radioactivité ou émission gamma:

Au cours des 3 types précédents de radioactivité, le noyau fils peut se trouver dans un état excité. Ce noyau produit acquiert alors un état plus stable en se désexcitant par émission d'un grain de lumière appelé photon noté  . Le photon n'a ni charge, ni masse. On peut le représenter par:

Equation générale:

Noyaux père et fils sont d'un même élément chimique.

Ce rayonnement est très pénétrant; il peut traverser une épaisse plaque de plomb, un coffre-fort. Le béton l'arrête.

En résumé, les 4 types de radioactivité:

F - Loi de décroissance radioactive:

Soit N (t) la population de noyaux non désintégrés à un instant générique t.

On appelle activité et on la note A le nombre de désintégrations par seconde.  Elle  s'exprime en becquerels ( symbole Bq; 1 Bq = 1 désintégration par seconde ). Elle est proportionnelle au nombre N de noyaux non encore désintégrés.

Loi de décroissance radioactive.

La période ou temps de demi-vie est la durée au bout de laquelle la population a diminué de moitié:

Voici quelques exemples de périodes:

Fission nucléaire induite ou provoquée

A - Définitions de la fission:

La fission nucléaire est la transformation d'un noyau, généralement lourd, sous l'effet du bombardement d'un neutron, qui produit 2 noyaux plus petits et des neutrons (généralement 1,2 ou 3).

Un matériau qui peut subir la fission est qualifié de fissile, c'est le cas de l'uranium 235, isotope de l'uranium, présent à 0,7 % dans la nature.

Cette réaction nucléaire produit une énergie considérable.

Après la réaction, les produits (noyaux fils et neutrons) ont des vitesses d'autant plus grandes que leur masse est faible.

Les neutrons produits peuvent à leur tour percuter des noyaux fissiles  et ainsi de suite, La fission est une réaction en chaîne qu'il convient de controler car elle peut s'emballer et devenir non-maîtrisable.

B - Exemples:

Les noyaux fils ne sont pas toujours les mêmes, voici quelques exemples avec l'uranium 235.

On s'exercera à vérifier les lois de Soddy:

- conservation du nombre de masse ou nombre de nucléons

- conservation du nombre de charge.

A partir d'un neutron thermique incident ces réactions nucléaires libèrent 2 ou 3 neutrons qui, à leur tour, peuvent scinder l'uranium fissile encore présent. Les produits de la réaction peuvent différer selon l'énergie cinétique des neutrons bombardeurs.Si les résidus de la fission sont radioactifs et rentables, on peut les utiliser à nouveau mais le problème se pose pour les déchets radioactifs qui ont des périodes plus ou moins longues et qu'il n'est pas rentable de recycler. C'est un choix de société de produire de l'énergie façon nucléaire. Dans les pays industrialisés nous sommes tous des gros consommateurs d'énergie et il faut dire que 7 grammes d'uranium produisent autant d'énergie que la combustion d'une tonne de charbon ou que 45 tonnes de bois.

C - Schéma d'une centrale nucléaire:

 Fusion thermonucléaire

A - Définition de la fusion:

La fusion est la réaction entre 2 noyaux, généralement petits, qui s'assemblent pour donner un noyau plus lourd.

Cette transformation a besoin de plusieurs millions de degrés pour s'opérer (d'où son qualificatif de thermonucléaire) et elle libère une énergie colossale.

Elle se produit naturellement dans le Soleil et les autres étoiles.

B - Fusion de l'hydrogène en hélium:

Voici un exemple de réactions nucléaires successives:

2 protons ou noyaux d'hydrogène fusionnent en un noyau de deutérium ou hydrogène lourd, ce qui produit un positon:

 1 proton fusionne avec un noyau de deutérium pour donner un noyau d'helium 3 et un photon:

 2 noyaux d'hélium 3 fusionnent en hélium 4 ce qui libère 2 protons:

 Les 2 protons produits peuvent, à leur tour, initier une nouvelle génération de fusion et ainsi de suite: c'est une réaction en chaîne.

(étapes successives)

Autre fusion:

 C'est à dire fusion du deutérium et du tritium en hélium 4 avec libération d'un neutron: