La radioactivité

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I - Rappels de 2^nde : le noyau atomique

1) De quoi la matière est-elle constituée ?

La matière (un cristal, un être vivant, le sang qui coule dans nos veines ou l'air que nous respirons) est constituée de petits "grains de matière", les atomes.
Ceux-ci sont constitués d'un noyau, chargé positivement autour duquel "gravitent" des particules élémentaires chargées négativement, les électrons.

Dans la plupart des livres, on représente l'atome comme ceci :

Cette représentation, bien que très pratique, est malheureusement trop éloignée de la réalité.

En effet, le diamètre d'un atome est de l'ordre de 0,1 nm, soit 10^-10m, tandis que celui de son noyau est approximativement de 1 fm, soit 10^-15m.
Le noyau est donc environ 100 000 fois plus petit que l'atome.
En admettant que le Soleil soit un noyau atomique, les électrons seraient en orbite bien au-delà de Pluton, à environ 70 milliards de km !

Un atome est essentiellement constitué de vide : on dit qu'il a une "structure lacunaire".

2) Le noyau atomique

En plus d'être relativement petit, le noyau d'un atome est également un édifice incroyablement dense.
En effet, il concentre plus de 99,9 % de la masse de l'atome dans un volume minuscule.
Sa densité est telle, qu'il faudrait concentrer près de la moitié de la masse de l'humanité dans un cm³ pour l'obtenir !

Pour représenter un noyau atomique, on utilise la notation ^A_ZX où :

- X est l'élément auquel le noyau appartient
- A est le nombre de masse, qui correspond au nombre de nucléons (protons + neutrons)
- et Z est le numéro atomique, ou nombre de charge, qui correspond quant à lui au nombre de protons

Le nombre de neutrons N est donc A - Z

Certains noyaux sont qualifiés d'isotopes. Cela signifie qu'ils possèdent le même nombre de protons mais des nombres de masse différents.
Exemples : l'hydrogène (A = 1), le deutérium (A = 2) et le tritium (A = 3) sont tous les trois des isotopes de l'hydrogène et possèdent donc tous un proton.

Ainsi, alors qu'il existe actuellement 118 éléments, classés dans le tableau périodique de Mendeleïev, il existe plus de 1000 noyaux différents !

II - Stabilité / instabilité des noyaux

1) La cohésion du noyau

Celle-ci est assurée par l'interaction forte, qui lie les différents quarks du noyau entre eux et qui prédomine devant la répulsion électromagnétique des protons. La cohésion est donc liée à la proportion des protons et des neutrons dans le noyau.
Lorsque la cohésion n'est plus assurée, on dit de lui qu'il est instable

Tous les noyaux connus à ce jour, stables ou instables, sont classés dans ce qu'on appelle le diagramme (N,Z) de Segré :

Sur ce document, on constate que la plupart des noyaux sont instables, tandis qu'une faible part d'entre eux sont regroupés dans ce qu'on appelle la "vallée de la stabilité" (en noir)

2) La radioactivité

Elle peut être naturelle ou artificielle, lorsque les noyaux instables sont crées en laboratoire.

Dans un ensemble de noyaux radioactifs, la désintégration d'un noyau plutôt qu'un autre est un processus totalement aléatoire
L'activité, noté A, d'un échantillon radioactif est le nombre moyen de désintégrations par seconde. Son unité est le Becquerel, de symbole Bq.
Un Becquerel correspond à une désintégration par seconde.
L'activité d'un échantillon diminue toujours avec le temps, mais sa vitesse de décroissance varie selon l'élément radioactif en question.

III - Réactions nucléaires spontanées

1) Lois de conservation

On peut résumer une réaction nucléaire comme ceci :

1) Il y a conservation des charges électriques : Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄
2) Il y a conservation du nombre de masse : A₁ + A₂ = A₃ + A₄

Remarque : Contrairement aux transformations physiques et chimiques, il n'y a pas conservation des éléments chimiques lors d'une transformation nucléaire : X₁ X₂ X₃ X₄

Il existe trois types de réactions nucléaires spontanées.

2) La radioactivité

La radioactivité se produit quand un noyau instable est trop lourd, autrement dit quand il contient trop de nucléons.
Lors d'une réaction nucléaire de type , un noyau père instable se transforme en un noyau fils plus stable et une particule plus petite, un noyau d'hélium (qu'on appelle aussi particule )

L'équation d'une désintégration est la suivante :

Exemple :

3) La radioactivité +

La radioactivité + se produit quand un noyau instable contient trop de protons.
Lors d'une réaction de ce type, un noyau père instable se désintègre pour former un noyau fils plus stable et une particule élémentaire, un positron (ou positon, ou encore particule +)

L'équation d'une désintégration + est :

Exemple :

4) La radioactivité -

La radioactivité - se produit quand un noyau instable contient trop de neutrons.
Lors d'une réaction nucléaire -, un noyau père instable se désintègre pour former un noyau fils plus stable et une particule élémentaire, un électron (aussi appelée particule -)

L'équation d'une désintégration - est :

Exemple :

5) Emission

La plupart du temps, le noyau fils issu d'une de ces précédentes désintégrations est dans son état excité, c'est-à-dire qu'il possède une énergie excédentaire.
Pour revenir à son niveau d'énergie dit fondamental, le noyau va émettre une onde électromagnétique de très haute fréquence (supérieure à 10¹⁸ Hz), que l'on appelle rayon .

On représente cette émission par une équation comme celle-ci :

Exemple

IV - Réactions nucléaires provoquées

Contrairement aux réactions nucléaires spontanées qui sont complètement aléatoires, ces réactions sont voulues et provoquées par l'Homme.
Lors d'une telle réaction, un noyau cible est frappé par un noyau projectile ou une particule.

Ces réactions ont besoin d'un apport d'énergie en provenance de l'extérieur.

1) La fission nucléaire

Il s'agit d'une réaction au cours de laquelle un noyau dit fissile (lourd) est scindé en des noyaux plus légers, la plupart du temps en le bombardant avec un neutron.

On peut résumer une fission nucléaire par une équation de la forme :

D'après les lois de Soddy, nous avons :
- A₁ + 1 = A₂ + A₃ + x,
- Z₁ = Z₂ + Z₃

Exemple :

2) La fusion nucléaire

Durant cette réaction, deux noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd.

On peut généraliser une telle réaction par une équation comme celle-ci :

Exemple :

V - Origine de l'énergie

1) La célèbre équation E = mc²

Cette théorie d'équivalence masse-énergie a été émise par le célèbre physicien Albert Einstein en 1905, dans le cadre de la "relativité restreinte"

Selon lui, la masse serait une "forme d'énergie", et cela se traduit par l'équation E = mc² où :

- E est l'énergie en Joules (J)
- m est la masse en kilogrammes (kg)
- et c est la vitesse de la lumière dans le vide, soit 299 792 458 m.s^-1

Remarque : En physique atomique, pour des raisons pratiques, on a introduit une nouvelle unité plus adaptée : l'électronvolt, que l'on note eV. 1 eV = 1,6 10^-19 J

2) Energie de liaison et défaut de masse

La cohésion nucléaire est assurée par ce qu'on appelle l'énergie de liaison. Cette énergie résulte de la conversion d'une partie de la masse des nucléons en énergie.
De cette façon, la masse de nucléons isolés est toujours supérieure à celle du noyau qu'ils forment ensemble.

L'énergie de liaison, noté El, correspond donc à l'énergie qu'il faut apporter à un noyau au repos pour séparer et empêcher toute interaction entre ses nucléons.

Lors de la formation d'un noyau atomique, la différence de masse entre les nucléons isolés et le noyau est appelée défaut de masse.
Celui-ci est toujours positif et correspond à la masse qui a été convertie en énergie de liaison.

3) Energie libérée lors d'une réaction nucléaire

Lors d'une réaction nucléaire, qu'elle soit spontanée ou provoquée, de l'énergie est libérée sous deux formes :

de l'énergie de rayonnement gamma (onde électromagnétique de très haute fréquence)

de l'énergie cinétique, puisque les particules sont émises avec une très grande vitesse

Cette énergie provient d'une perte de masse. Celui-ci correspond à la différence entre la masse des noyaux au repos après la réaction et celle des noyaux au repos avant la réaction.
Une perte de masse est toujours négative, tandis que l'énergie libérée est, par définition, toujours positive.