Chapitres
Vocabulaire nécessaire au cours
Isomère nucléaire
Des isomères nucléaires sont des atomes qui partagent le même noyau mais dans états énergétiques différents. C’est à dire qu’ils comportent un spin et une énergie d’excitation spéciaux. Dans leur état d’énergie le plus bas, on dit qu’ils atteignent l’état fondamental.
Capture électronique
La capture électronique, aussi appelée désintégration ε, est un processus de physique radioactive lors duquel un noyau d’atome qui est en manque de neutrons absorbe un électron de la couche électronique de son atome
Produit de désintégration
On appelle produit de désintégration le nucléide descendant d’un désintégration radioactive d’un nucléide précédent
Fission spontanée
La fission spontanée est un phénomène de désintégration radioactive selon lequel un noyau lourd d’un atome se divise pour former au moins deux noyaux plus petits
Période radioactive
On appelle période radioactive le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d’un isotope radioactif se désintègre de manière naturelle. Cette période n’est influencée en aucun cas par les conditions de l’environnement, que ce soit la température, la pression ou encore le champ magnétique, elle est propre à l’isotope en question. Statistiquement, on peut dire que la période radioactive est le temps à l’issue duquel le noyau de l’atome a 50 % de chances de s’être désintégré.
Bombe H
Une bombe H, connue sous les noms de bombe à hydrogène, bombe à fusion ou encore bombe thermonucléaire est une bombe nucléaire qui tire son énergie de la fusion de noyaux légers comme ceux de l’hélium ou du deutérium par exemple.
Bombe A
Une bombe A, connue également sous le nom de bombe atomique, bombe nucléaire ou encore bombe à fission est une bombe nucléaire qui tire son énergie de la fission d’éléments radioactifs comme le plutonium ou l’uranium. Ce fut les premières bombes atomiques ayant servi d’armes nucléaires lors de la Seconde Guerre mondiale, mais aussi les seules bombes ayant été utilisés lors de conflits. Little Boy et Fat Man, les bombes nucléaires de l’armée américaine ayant touché respectivement Hiroshima et Nagasaki en sont deux exemples.
Rappel sur l'atome
L'atome a une structure particulière, les scientifiques sont passés par différents stades avant d'arriver à décrire celle-ci. Le noyau d'un atome est constitué de protons et de neutrons, il est donc électriquement positif. Ce noyau est entouré d'électrons qui gravitent autour de celui-ci, la partie la plus extérieure de l'atome est donc électriquement positif. Dans le cas d'un atome, ces deux parties électriques se compensent et donnent un atome électriquement neutre, ce n'est pas forcément le cas pour les ions. Ces deux parties sont séparées par du vide. En effet, on dit souvent de l'atome qu'il a une structure lacunaire. De plus, la taille du noyau est très petite comparé à celle de l'atome entier.
Noyau et isotopes
Le noyau d'un atome correspondant à un élément X, comportant A nucléons et Z protons, est noté AZX.
Exemple : 126C.
A : nombre de masse = nombre de nucléons.
Z : numéro atomique = nombre de protons.
( A – Z ) = nombre de neutrons.
Un élément est caractérisé par un même Z ( numéro atomique ) et un même symbole, mais peut différer par son nombre A ( nombre de masse ). On les appelle isotopes. Deux isotopes appartiennent néanmoins au même élément.
Exemple : 126C et 146C.
Ils ont chacun le même nombre de protons ( 6 ) mais ont un nombre de neutrons différents ( 6 pour le premier et 8 pour le deuxième ).
Remarque : Ce qui diffèrent entre deux isotopes, c'est le nombre de neutrons. Ces isotopes sont qualifié de noyau instable. On dit qu'ils sont radioactif.
Description
L'atome est électriquement neutre. Il est composé d'un noyau, et d'électrons.
Le noyau est composé de nucléons représenté par un A, qui eux mêmes sont composés de neutrons N et de protons Z, ainsi A=N+Z .
Un noyau est représenté par avec X qui est le symbole de l'élément chimique de numéro atomique Z ( classé dans le tableau de classification périodique des éléments chimiques ).
Z correspond aussi au nombre d'électrons. ( il y a un nombre égal de protons et d'électrons pour que le noyau soit de charge neutres )
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La masse d'un atome
La masse des électrons est négligeable devant celle du noyau.
On dit que la masse d'un atome est concentrée dans son noyau
La charge électrique d'un atome
C'est la somme de la charge électrique + des particules du noyau et celle – des électrons.
Cette somme est nulle : On dit que l'atome est électriquement neutre.
Les charges électriques étant les même, il y a autant d'électrons qui gravitent autour du noyau que de particules le constituant.
Exemple : L'atome de fer a 26 électrons et 26 particules + dans son noyau.
La taille d'un atome
Elle est infiniment petite.
Le diamètre d'un atome vaut en moyenne 10-1 nm ( 1 nm = 10 -9 m ).
Le diamètre du noyau vaut en moyenne 10-6 nm.
Le noyau est 100 000 fois plus petit que l'atome.
Entre les électrons et le noyau, il n'y a que du vide... Beaucoup de vide !
On parle de la structure lacunaire de l'atome.
Les liaisons de l'atome
Dans un solide moléculaire les atomes sont liés par des liaisons covalentes : les deux atomes mettent en commun leurs électrons célibataires pour créer un doublet liant.
Quand les deux atomes sont identiques, la paire d’électron qui relie les deux atomes est répartie équitablement entre les deux atomes. On dit alors que la molécule est apolaire.
Quand deux atomes qui mettent leurs électrons en jeu sont différents et qu’il existe une différence d’électronégativité significative entre ces deux atomes, la liaison est dire polarisée et on appelle ce type de molécule, molécule polaire.
Une liaison covalente est dite polarisée si les deux atomes qui sont liés ont des électronégativités très différentes. En effet, dans ce cas, un des deux atomes aura tendance à attirer les électrons, ce qui a pour effet de polariser la liaison. Plus la différence d’électronégativité est grande et plus la polarisation de la liaison sera importante. Il se forme ainsi une sorte de dipôle électrique.
Le décalage des électrons conduit à noter une charge partielle négative δ– sur l’atome le plus électronégatif et une charge partielle positive δ+ sur le moins électronégatif
La stabilité des structures électroniques est aussi impactée par l'électronégativité.
L’électronégativité d'un élément est sa capacité à attirer les électrons lors de la création de liaisons chimiques avec d'autres éléments
On peut trouver l'électronégativité d'un élément grâce à sa position dans le tableau périodique des éléments.
En effet il existe un lien entre la période et l'électronégativité.
Par exemple, en lisant le tableau de gauche à droite, sur une période, l'électronégativité augmente. Il en va de même si on lit le tableau de bas en haut par colonne.
La classification périodique des éléments, aussi appelée tableau de Mendeleïev, du nom de son créateur. C’est un chimiste russe qui en 1869 créa un tableau dont le but était de regrouper tous les éléments chimiques connus par points communs (groupes et familles par exemple). Il a souvent été ajusté et mis à jour depuis cette époque.
Sa dernière révision date de 2016 par l’UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée), une ONG suisse qui a pour but l’évolution de la physique-chimie. Le tableau périodique compte à ce jour 118 éléments.
La structure atomique
Composition du noyau
Le noyau d'un atome se compose d'éléments que l'on appelle les nucléons. Ce sont eux qui définissent le nombre de masse d'un atome.
Le nombre de masse d’un atome est le nombre de nucléons qu’il contient. Il s’agit donc de la somme du nombre de protons et du nombre de protons qui constituent le noyau de l’atome
Dans ces nucléons se trouvent des protons dont la charge est positive et des neutrons à charge neutre. Ces deux composants sont très fortement liés entre eux.
Le rayon d'un nucléon est d'environ 10-15 m alors que l'atome tout entier a un diamètre avoisinant les 10-10 m.
La radioactivité
DÉFINITION : Un noyau radioactif est un noyau instable ( noyau père ) qui peut se désintégrer spontanément en donnant un autre noyau fils, et en émettant une particule ( noyau d'hélium, électron ou positon ) et un rayonnement γ.
C'est donc l'excès de Neutrons qui rend le noyau instable. La radioactivité est donc la transformation d'un noyau instable en un noyau stable avec l'émission d'un rayonnement. On considère que les noyaux à faible nombre de masse ( A < 20 mais il existe néanmoins des exceptions ) et donc à N=Z sont des noyaux considéré comme relativement stable.
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Ce qu'il faut savoir sur la radioactivité
La radioactivité correspond à un phénomène physique au cours duquel des noyaux atomiques considérés comme instables, on les appelle alors radionucléides ou encore radioisotopes, se transforment, et ce de façon spontanée, en d'autres atomes tout en émettant par la même occasion des particules de matières comme des électrons, des noyaux d'hélium ou encore des neutrons et en émettant de l'énergie sous la forme de photons et d'énergie cinétique. On appelle cela une désintégration.
On appelle alors l'émission de particules, qu'elles soient matérielles ou immatérielles, rayonnement et on est capable de parler de rayonnements ionisants car l'énergie des particules est telle qu'elle est capable d'entraîner la ionisation de la matière traversée. Il existe alors différents types de rayonnement que l'on listera un peu plus tard.
La radioactivité présente des effets sur les organismes subissant des rayonnements ionisants, on parle alors d'irradiation. Cependant, ces effets dépendent du niveau, mais aussi de la durée de l'exposition, qui peut être aiguë ou encore chronique, de la nature du rayonnement mais également de la localisation de la radioactivité. En effet, les effets ne seront pas les mêmes si l'exposition est interne que si l'exposition était externe ou encore en surface.
Les rayonnements provoqués par les substances radioactives sont très largement utilisés dans les différentes industrie, notamment en ce qui concerne le contrôle de pièces manufacturées, les soudures, l'usure ou même à faible dose en médecine afin de déterminer un diagnostic ou dans une visée thérapeutique afin de soigner les cancers. Dans tous les cas, il est évident qu'il est nécessaire de suivre des mesures de prévention, de protection mais également de contrôle qui resteront adaptés au niveau de radioactivité observé.
La radioactivité bêta
La radioactivité bêta est un type de désintégration radioactive où une particule bêta (électron ou positron) est émise. On parle de radioactivité bêta + quand un positron est émis mais on parle de radioactivité – quand c’est un électron qui est émis.
La radioactivité alpha
La radioactivité alpha est un rayonnement provoqué par une désintégration alpha qui est une désintégration radioactive où un noyau atomique éjecte une particule alpha qui se transforme en un autre noyau dont le nombre de masse est diminué de 4 et le numéro atomique de 2 à cause de la particule alpha manquante qui est analogue au noyau d’hélium 4.
La radioactivité gamma
La radioactivité gamma est un rayonnement provoqué par une désintégration gamma. Le plu souvent, ces désintégrations accompagnent des désintégrations alpha ou bêta. En effet, quand il émet un rayon alpha ou bêta, le noyau devient excité. Lors de l’émission d’un rayonnement électromagnétique gamma, le noyau peut donc redescendre à un état plus stable.
Un peu d'histoire
Comme beaucoup d'autres découvertes scientifiques, le phénomène de radioactivité a été découvert complètement par hasard.
Le premier à l’avoir mis en évidence, c’est Henri Becquerel. Celui-ci faisait des recherches sur les liens potentiels entre les rayons X et la fluorescence. Pour cela, il utilisait une préparation de sel phosphorescent d’uranium.
Tout d’abord, il déposa ce sel sur des plaques photographiques enveloppées dans du papier noir.
Ensuite, il exposa cette préparation au soleil puis développa les plaques.
Les photographies montrent l’image des cristaux de sel d’uranium. Henri Becquerel en déduit que cette image a été créée par les rayons X découverts quelques temps plus tôt par Wilhelm Conrad Röntgen, un physicien allemand.
Le raisonnement de Becquerel est simple : il pense que l’énergie solaire est absorbée par l’uranium avant d’être réémise sous forme de rayons X.
Pour confirmer ses hypothèses, il souhaita poursuivre ses expériences. Mais ces expériences impliquaient la présence du Soleil qui se montra timide plusieurs jours durant.
Henri Becquerel a donc été contraint de repousser ses expérimentations et rangea ses plaques photographiques imprégnées de sel d’uranium dans un placard.
Quelques jours plus tard, il les ressortit et décida de les développer bien qu’il ne s’attende pas à trouver grand chose.
En conclusion, la radioactivité a été découverte en 1896 par Henri Becquerel lors d'une étude concernant l'uranium et cette découverte sera confirmée plus tard par Marie Curie après une étude du radium.
Marie Skłodowska-Curie est une physicienne et chimiste d’origine polonaise. Elle est très connue pour sa découverte de la radioactivité naturelle et des éléments 84 et 88 : le polonium et le radium. Elle reçut de multiples prix et distinctions pour ses recherches. Elle reçut en 1903 le prix Nobel de physique et en 1911 le prix Nobel de chimie. C’était la première femme à recevoir ce genre de distinction et encore à ce jour elle est la seule à en avoir reçu deux
La majorité de ses isotopes se désintègre très rapidement par fission spontanée.
Les différents types de désintégration
Une réaction nucléaire spontanée peut être modélisée par une équation qui obéit aux deux lois suivantes :
- La somme des nombres de charge des noyaux formés est égale à la somme des nombres de charge des noyaux détruits.
- La somme des nombres de nucléons des noyaux formés est égale à la somme de nucléons des noyaux détruits.
Autrement dit, dans une réaction, il y a conservation de A et de Z.
AZX → A'Z'Y* + azP
( A = A' + a ; Z = Z' + z )
On distingue trois types de désintégrations radioactives :
La radioactivité α
DÉFINITION : La radioactivité α est l'émission de noyaux d'hélium 42He par certains noyaux. Les noyaux d'hélium sont aussi appelés particules ou rayons α.
( Noyau Père ) AZX → 42HE + A'Z'Y* ( Noyau fils )Les noyaux émetteurs α ont des nombres de masse et de charge élevés ( A > 200 ; Z > 82). La radioactivité α se traduit par une réaction nucléaire représentée par l'équation :
A' et Z' sont reliés à A et à Z par les règles de conservation du nombre de nucléons et de la charge électrique. Ainsi, A = A'+4 et Z = Z' +2. On obtient alors :
AZX → 42HE + A-4Z-4Y*
Exemple : 23892U → 23490Th* + 42He.
REMARQUE : Le noyau fils se situe deux cases avant dans le tableau périodique des éléments.
La radioactivité β-
DÉFINITION : La radioactivité β-, encore appelée rayonnement β-, est l'émission d'électrons par certains noyaux.
L'électron est représenté par la notation 0-1e.La désintégration β- est le propre des nucléides instables trop riches en neutrons ; elle résulte de la désintégration, dans le noyau, d'un neutron qui se transforme en un proton avec émission d'un électron.
La réaction nucléaire β- est représentée par l'équation :
AZX → 0-1e + A'Z'Y*
AZX → 0-1e + AZ+1Y*
Exemple : 6027Co → 6028Ni* + 0-1e
La radioactivité β+
DÉFINITION : La radioactivité β+, encore appelée rayonnement β+, est l'émission de positrons (antiparticule) par certains noyaux.
La radioactivité β+ se produit avec des nucléides obtenus artificiellement au laboratoire. C'est pourquoi on la qualifie de radioactivité artificielle, elle est caractéristique des noyaux trop riches en protons. Elle résulte de la désintégration, dans le noyau, d'un proton qui se transforme en un neutron avec émission d'un positron.
Le positron, noté 0+1e est une particule de masse égale à celle de l'électron mais de charge opposée. La réaction nucléaire β+ est représentée par l'équation :
AZX → 0+1e + A'Z'Y*
AZX → 0+1e + AZ-1Y*
Exemple : 3015P → 3014Si* + 0+1e
Mais d'où d'où viennent l'électron et le position ?
La particule 0-1e qui obéit à la désintégration β- : le noyau fils a un proton de plus que le noyau père qui a un neutron de plus.
10X → 11Y + 0-1e + γ
La particule 01e qui obéit à la désintégration β+ : le noyau fils à un proton de moins que le noyau père. Le noyau fils a donc un neutron de plus que le noyau père.
10X → 01Y + 1-1p + γ
L'émission de rayons γ
Lors d'une réaction nucléaire, le noyau père qui est instable expulse une particule et donne un noyau fils dans l'état excité Y*. Cette énergie en trop est libérée sous forme de rayons γ ( gamma ).
Y* → Y + γ
La décroissance radioactive
Quelque soit le radioisotope, il a autant de chance qu'un autre radioisotope de la même espèce de se désintégrer à un instant t. Il faut néanmoins savoir que la désintégration ne dépend pas des condition physico-chimique dans lesquels le nucléide étudié se trouve. En effet, on parle de la loi de désintégration radioactive comme étant une loi statique.
La loi s'énonce ainsi :
Soit N(t) le nombre de radionucléides d'une espèce donnée présents dans un échantillon à un instant t quelconque.
Puisque la probabilité de désintégration d'un radionucléides quelconque ne dépend ni du milieu qui l'entour, ni de la présence d'autres espèces de radionucléide, le nombre total de désintégration, noté dN, pendant un intervalle de temps dt est proportionnel au nombre N de radionucléide de la même espèce présents mais aussi proportionnel à la durée dt de l'intervalle de réaction.
On obtient alors la formule : 
On peut observer le signe - puisque le nombre N de radionucléides diminue au cours du temps.
Si on intègre l'expression obtenue précédemment, on trouve alors la loi de décroissance exponentielle du nombre N(t). Ainsi, si on note N0 le nombre de radionucléides présents à l'instant t = 0, on obtient l'expression suivante :
Si on note t1/2 la demie vie de l'élément étudié, il est possible d'obtenir l'expression suivante :
Activité d'une source
La notion d'activité est étroitement liée avec la décroissance radioactive. En effet, l'activité d'une source correspond à l'expression du nombre de désintégrations par secondes d'un atome composé d'un certain nombre de noyaux radioactifs. Cette grandeur s'exprime habituellement en becquerels de symbole Bq. On peut donc en déduire un taux de désintégration des noyaux atomiques.
Cependant, l'utilisation de cette unité pose parfois des problèmes. En effet, le becquerel est une unité petite. Par exemple, un élément radioactif dont la durée de demi-vie est d'un million d'années, une mole de cet élément aura une activité de 20 x 109 Bq.
Pour un échantillon de noyaux radioactifs, le temps de demi-vie est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux présents à un instant t se soit désintégrée.
Pour rappel, il faut des millions de Becquerels pour que cela devienne dangereux pour l'Homme.
Dans le cas où les radioisotopes sont dans un mélange, plus la demi-vie de celui-ci est courte et plus son activité massique sera forte.
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