Chapitres
La composition des atomes
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.
Pour comprendre les réactions nucléaires, il faut d'abord se pencher sur l'atome et sa structure. C'est ce que nous allons faire dans cette première partie.
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.
Stabilité
Pour que le noyau et les électrons restent stables entre eux, il faut réunir certaines conditions. Ils sont donc liés par une énergie de liaison. Si ils ne sont pas bien liés entre eux, les atomes deviennent instables et se transforment. Ils sont donc radioactifs.
Les isotopes
Des noyaux isotopes sont des noyaux que renferment le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différents, ils ont le même symbole.
Certains de ces isotopes sont radioactifs.
En résumé, des isotopes sont des atomes qui possèdent le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.
Énergie de liaison
La masse d’un noyau est inferieure à la somme des masses de chacun des nucléons.
Δm : différence de masse se transforme en énergie.
El = Δm * c²
El : l’énergie de liaison, Δm : différence de masse, c : La vitesse de la lumière.
Δm=(Z*mp+(A-Z)*mn)-m noyau
Cette énergie assure la cohésion des constituants des noyaux, on l’appelle l’énergie de liaison. C’est l’énergie qu’il faut fournir à un noyaux pour le dissocier de ses nucléons.
Relation d’équivalence
E=m*c²
E : L’énergie du noyau au repos, m : sa masse, c : vitesse de la lumière.
L’énergie peut se transformer en masse et réciproquement.
Unité de masse et d’énergie
Electron volt (eV) à énergie reçue par un électron accéléré par une tension de 1 volt.
W = U * I * Δt
W = U * e = 1 x 1,6.10-19
1eV = 1,6.10-19 J
1MeV = 106 x 1,6*10-19 = 1,6 x 10-13 J
On peut exprimer les masses dans une autre unité le « u »
1u = 1,66054 x 10-27 kg
Quelle est l’énergie associé à 1u ?
E = m * c²
= 1,5.10-10 J = 937,5 MeV ( (1,5.10-10 ) / ( 1,6.10-13) )
Énergie de liaison par nucléon
L’énergie de liaison par nucléon est une caractéristique d’un noyau et permet de les comparer entre eux.
El/A
La radioactivité et les réactions nucléaires
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 matérielle 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 industries, 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.
Un noyau radioactif est un noyau instable qui va se désintégrer et ainsi se transformer en un autre noyau plus stable ou non.
Cette désintégration est un phénomène aléatoire, spontané et inéluctable ( qu'on ne peut empêcher).
La désintégration s'accompagne de l'émission d'une particule et d'un rayonnement électromagnétique.
L'histoire de la radioactivité
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
Les différentes radioactivités
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.
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.
Radioactivité gamma
La radioactivité gamma est un rayonnement provoqué par une désintégration gamma. Le plus 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.
La demi-vie
La demi-vie d'un isotope se caractérise par la période au bout de laquelle la moitié des atomes d'un certain échantillon initial radioactif se sera désintégré.
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.
Isomère nucléaire
Cette notion est elle aussi importante à maîtriser. Deux isomères ne partageront pas la même décroissance radioactive. Il est donc important de rappeler ce qu'elle signifie.
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.
Transmutation
Parfois, quand le noyau de l'atome est instable et donc radioactif, il est sujet à des transmutations.
La transmutation est le phénomène physique selon lequel un élément se transforme de manière spontanée ou sous l’effet de collision avec un autre élément en un autre élément.
L'activité nucléaire
La notion d'activité est étroitement liée avec la décroissance radioactive. En effet, l'activité est 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.
A titre d'information, il faut des millions de Becquerels pour que cela devienne dangereux pour l'Homme.
Dans le cas où les radio isotopes sont dans un mélange, plus la demi-vie de celui-ci est courte et plus son activité massique sera forte.
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'entoure, 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 : \[ \text { d} N = - \lambda \times N \times \text{ d} t \]
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 :
\[ N \left( t \right) = N _ { 0 } \times e ^{ - \lambda \times t } \]
Si on note t1/2 la demie vie de l'élément étudié, il est possible d'obtenir l'expression suivante :
\[ \lambda = \frac { \ln \left( 2 \right) } { t _ { \frac { 1 } { 2 } } } \]
Datation
On appelle datation radiométrique, ou encore radiochronologique, toute méthode de datation absolue utilisant la variation régulière au cours du temps de la proportion de radioisotopes dans certains corps. Très utilisées par les géologues, la plus connue reste la datation au carbone 14 mais aussi la technique Rubidium/Strontium.
Elle permet de dater les objets anciens en mesurant leur activité. Si on connaît l'activité d'une source à un instant présent, si on connait l'activité initiale on peut en déduire la durée écoulée depuis l'instant initial.
Fission et fusion nucléaire
Fission
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
Plus précisément, la fission est une réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau père lourd se scinde en noyau plus léger sous l'impact d'un neutron. Les noyaux qui peuvent subir la réaction de fission sont des noyaux dits fissiles.
La réaction de fission libère deux ou trois autres neutrons qui vont pouvoir encore à leur tour casser d'autres noyaux, c'est ce qu'on appelle une réaction en chaîne. Elles ne sont pas contrôlées dans les bombes atomiques : 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 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
Fusion
Réaction nucléaire au cours de laquelle des noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd. Le type de réaction qui a lieu sur les étoiles en général est une réaction qui n'est pas contrôlée. Pour amorcer cette réaction, il faut des températures très élevées (thermonucléaires).
Energie libérée lors des réactions nucléaires
Lorsqu'elles se produisent, il y a variation de la masse du système. Cette variation est une perte de masse.
Variation de masse du système :
\[ \Delta m = m _ { f } - m _ { i } \leq 0 \]
La variation d'énergie est donnée par la relation :
\[ \Delta E = \Delta m \times c ^ { 2 } \leq 0 \]
Une autre méthode permet de calculer l'énergie récupérée basée sur les énergies de liaison libérées au cours de la réaction de fusion et de fission.
\[ \Delta E = \sum E _ { l \text { reactif } } - E _ { l \text { produit } } \]
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