Cours Réactions Nucléaires - BTS 1ère Année

Cours Détaillé: Réactions Nucléaires - BTS 1ère Année
SÉANCE 1: STRUCTURE DU NOYAU ATOMIQUE ET ISOTOPIE
I. Constitution du Noyau Atomique
1.1 Rappels sur l'atome (30 minutes)
- L'atome est constitué d'un noyau central (10⁻¹⁵ m) entouré d'électrons (10⁻¹⁰ m)
- Comparaison dimensionnelle: Si le noyau était une balle de tennis (6 cm), les électrons orbitent
à 6 km
- Masse concentrée: 99,97% de la masse dans le noyau
Activité introductive:
- Demander aux étudiants de schématiser un atome d'hélium
- Calculer le rapport des dimensions noyau/atome
- Réalisation d'une échelle des puissances de 10
2. Caractéristiques du noyau (45 minutes)
- Numéro atomique Z : Détermine l'élément chimique et le nombre d'électrons
- Exemple: Z=6 → Carbone, Z=92 → Uranium
- Relation avec le tableau périodique
- Nombre de masse A : Nombre total de nucléons
- A = Z + N (où N = nombre de neutrons)
- Notation scientifique: `ᴬZX` ou `X-A`
- Exemple complet: `²³⁸₉₂U` signifie:
Z = 92 protons
A = 238 nucléons
N = 238 - 92 = 146 neutrons
Exercice pratique:

Compléter le tableau:
| Élément | Z | A | N | Notation |
|---------|---|---|---|----------|
| Hélium | 2 | 4 | ? | ? |
| Carbone | 6 | 14| ? | ? |
| Uranium | 92|235| ? | ? |
3. Forces nucléaires (45 minutes)
- Interaction faible :
- Interaction gravitationnelle (attractive) :
- Loi de gravitation : F = G·(m₁m₂)/r²
- Force électrostatique (répulsive):
- Loi de Coulomb: F = k·(q₁q₂)/r²
- Entre protons: répulsion très forte à courte distance
- Interaction forte (attractive) :
- Portée très courte: ~1,5×10⁻¹⁵ m
- Intensité: 100× plus forte que l'interaction électromagnétique
- S'exerce entre tous les nucléons (protons-protons, neutrons-neutrons, protons-neutrons)
- S'annule au-delà de 2,5×10⁻¹⁵ m
II. Notion d'Isotope
1. Définition et exemples
- Définition formelle : Atomes ayant même Z mais des N différents
- Conséquence : Même configuration électronique → mêmes propriétés chimiques
- Exemples détaillés :
a) Hydrogène (Z=1):
- ¹H: 1 proton, 0 neutron (99,985%)
- ²H (Deutérium): 1 proton, 1 neutron (0,015%)
- ³H (Tritium): 1 proton, 2 neutrons (radioactif)
b) Carbone (Z=6):
- ¹²C: 6 protons, 6 neutrons (98,89%) - référence pour la masse atomique

- ¹³C: 6 protons, 7 neutrons (1,11%) - stable
- ¹⁴C: 6 protons, 8 neutrons (traces) - radioactif (T=5730 ans)
c) Uranium (Z=92):
- ²³⁴U: 0,005% - radioactif
- ²³⁵U: 0,72% - fissile
- ²³⁸U: 99,27% - fertile
2. Propriétés et importance (30 minutes)
- Propriétés chimiques identiques : Mêmes réactions, mêmes composés
- Propriétés physiques légèrement différentes :
- Masse différente
- Point de fusion/ébullition légèrement différents
- Diffusion différente
- Propriétés nucléaires différentes :
- Stabilité variable
- Radioactivité possible
- Section efficace de réaction différente
Applications pratiques :
- Datation au carbone 14 (archéologie)
- Traceurs isotopiques (médecine, hydrologie)
- Combustibles nucléaires (enrichissement en ²³⁵U)
Activité de synthèse :
- Identifier les isotopes dans une liste de noyaux
- Recherche documentaire: "Utilisation des isotopes en médecine au Cameroun"
- Calcul des abondances naturelles
III. Notion d'Isobare
IV. Notion d'Isotone
V. Notion d'Isomère nucléaire
SÉANCE 2: RADIOACTIVITÉ NATURELLE ET ARTIFICIELLE (2h)
I. Radioactivité Spontanée

1. Découverte historique (30 minutes)
Développement chronologique :
- **1896**: Henri Becquerel découvre la radioactivité naturelle de l'uranium
- **1898**: Pierre et Marie Curie découvrent le polonium et le radium
- **1903**: Prix Nobel de physique partagé entre Becquerel et les Curie
- **1911**: Rutherford propose le modèle planétaire de l'atome
Expérience historique reconstituée:
- Plaque photographique enveloppée dans du papier noir
- Sel d'uranium placé dessus
- Observation: la plaque est impressionnée malgré l'absence de lumière
- Conclusion: émission de rayonnements pénétrants
2. Types de désintégration (60 minutes)
Les lois de conservation (nombre de charge, de masse, énergie et quantité de movement)
a) Désintégration α (alpha) :
- Émission d'un noyau d'hélium ⁴₂He
- Caractéristiques:
* Masse: 4 u
* Charge: +2e
* Energie: 4-9 MeV
* Pouvoir pénétrant: faible (arrêté par une feuille de papier)
* Exemple: ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He
b) Désintégration β⁻ (bêta moins) :
- Transformation: n → p + e⁻ + ν̄ (antineutrino)
- Caractéristiques:
* Émission d'un électron
* Energie: 0-4 MeV (spectre continu)
* Pouvoir pénétrant: moyen (arrêté par quelques mm d'aluminium)
* Exemple: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e + ν̄
c) Désintégration β⁺ (bêta plus) :

- Transformation: p → n + e⁺ + ν (neutrino)
- Caractéristiques:
* Émission d'un positron (anti-électron)
* Annihilation e⁺ + e⁻ → 2γ (511 keV chacun)
* Exemple: ²²₁₁Na → ²²₁₀Ne + ⁰₁e + ν
d) Désintégration γ (gamma):
- Émission d'un photon de haute énergie
- Caractéristiques:
* Pas de changement de Z ou A
* Désexcitation du noyau
* Energie: 10 keV - 10 MeV
* Pouvoir pénétrant: élevé (nécessite plomb ou béton)
* Exemple: ⁹⁹₄₃Tc* → ⁹⁹₄₃Tc + γ
Tableau comparatif:
| Type | Particule | Charge | Masse | Arrêté par | Energie typique |
|------|-----------|--------|-------|------------|-----------------|
| α | ⁴He | +2e | 4 u | Papier | 5 MeV |
| β⁻ | e⁻ | -e | 1/1840| Aluminium | 1 MeV |
| β⁺ | e⁺ | +e | 1/1840| Aluminium | 1 MeV |
| γ | photon | 0 | 0 | Plomb | 1 MeV |
II. Radioactivité Provoquée
1. Réactions nucléaires induites (45 minutes)
- Principe: Bombardement d'une cible par des projectiles
- Première réaction artificielle (Rutherford, 1919):
¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H
- Notations:
* Cible: noyau au repos
* Projectile: particule accélérée
* Produits: noyau résiduel + particules émises