La radioactivité

La radioactivité
Introduction :
Les réactions chimiques font changer la structure électronique de l’atome.
Les réactions nucléaires quant à elles altèrent directement la structure du noyau de
l’atome.
I)
Classification périodique des éléments :
a. La structure de l’atome
L’atome est constitué d’un noyau chargé positivement du point de vue électrique. Ce
noyau est constitué lui-même de particules appelées nucléons. (protons et neutrons)
Autour de ce noyau gravitent des électrons formant le cortège électronique.
Proton
Neutron
électron
Masse (kg)
1,673.10-27
1,675.10-27
9,11.10-31
Charge (C)
1,6.10-19
0
-1,6.10-19
Classification périodique selon Mendeleïev
Par définition, l’unité de masse correspond au douzième de la masse d’un atome de
carbone 12, soit :
u = 1,6605402.10-27 kg
Le nombre de masse de l’atome correspond aussi à la masse d’une mole de l’atome
considéré. La masse d’un atome est : m = A.u
D’où A = m/1,6605402.10-27= m x 6.022.1023
Ce nombre correspond à la constante d’Avogadro : N.
b. Différents noyaux
1. Noyaux isotopes
Un même élément peut exister sous la forme de plusieurs nucléides ayant des
nombres de masse différents : ce sont des noyaux isotopes.
Les isotopes ont les mêmes propriétés chimiques. Exemple : dans la nature, il existe
deux types de nucléides de chlore, le 35Cl et le 37Cl. Dans le tableau périodique comme il y a
trois fois plus de 35Cl, on fait une moyenne et on a indiqué 35.5Cl.
2. Noyaux isobares
Ce sont des noyaux qui ont la même masse A mais des nombres de charges Z
différents. Ils différent par leur nombre de neutrons N et de protons.
3. Noyaux isotones
Ce sont des noyaux qui ont des nombres de neutrons identiques mais des nombres de
charges différents, donc leurs nombres de masse A sont différents.
Remarque : Pour les nombres Z ou N égaux à des valeurs particulières que sont 2, 8,
20, 50, 82 et 126, les éléments chimiques correspondant possèdent un nombre
anormalement élevés d’isotones et d’isotopes naturels.
Ex : l’étain (Z = 50) possède 10 isotopes.
II)
Réactions nucléaires
a. Lois de conservation
Lors d’une réaction nucléaire, aucune particule élémentaire ne disparaît. Il y a donc
conservation du nombre de masse A et du numéro atomique Z.
Remarque : la conservation de l’énergie totale est aussi vérifiée en radioactivité.
Ces lois seront utilisées pour déterminer les valeurs de A’ et Z’ pour le ou les noyaux
fils engendrés par une réaction nucléaire sur le nucléide père.
b. Réactions spontanées
1. Radioactivité α
Elle concerne la désintégration d’un noyau lourd (Z ≥ 83) et consiste en l’émission
d’une particule α : noyau d’hélium. (Ion He2+)
L’équation de cette désintégration s’écrit :
A
ZX
Æ
A-4
Z-2Y
+
4
2He
+ γ
Le noyau fils est d’abord obtenu dans un état excité. Son retour à l’état fondamental
(stable) s’effectue très rapidement : 10-14s et s’accompagne d’un rayonnement γ.
L’énergie de la radiation émise correspond à la différence d’énergie entre les deux
niveaux d’énergie du noyau fils Et = E2 – E1.
2. La radioactivité βLa particule β- correspond à un électron. β- = 0-1e.
Ce type de radioactivité correspond à l’émission d’un électron.
Il y a aussi apparition d’un antineutrino 00 ¯V¯.
L’équation de la réaction s’écrit :
A
ZX
Æ
A
Z+1Y
+
0 e
-1
+ γ +
0
0¯V¯
Les noyaux père et fils sont isobares.
3. La radioactivité β+
La particule β+ correspond à un positron (antiparticule de l’électron). β+ =
Il y a aussi apparition d’un neutrino 00V.
L’équation de la réaction s’écrit :
A
ZX
Æ
A
Z-1Y
+
0
1e
Les nucléides β+ sont instables (artificiels).
+ γ +
0
0V
0 e
1
c. Réactions provoquées
1. La fission
Elle consiste en la cassure d’un noyau lourd sous l’impact d’un neutron. Son résultat
est l’obtention de deux noyaux plus légers ainsi que l’émission d’autres neutrons
(susceptibles de casser à leur tour des noyaux Æ réactions en chaînes).
L’équation de cette réaction s’écrit :
A
ZX
+
1
0n
Æ
A’
Z’Y’
+
A’’
Z’’Y’’
+ (2 ou 3) 10n
2. La fusion
La fusion est la réunion de plusieurs noyaux légers qui donnent naissance à un noyau
plus lourd.
Elle se produit de façon naturelle dans le soleil et les étoiles et de façon artificielle
(très brèves) en laboratoire.
III)
Activité d’un échantillon.
Considérons un échantillon de n nucléides radioactifs. Tous les nucléides ne réagissent
pas en même temps. La loi de variation du nombre de nucléides en fonction du temps est de
type exponentiel négatif.
Plus le temps passe, moins il reste de nucléides qui n’ont pas réagit, mais moins il y a de
nucléides qui réagissent.
Il faut un temps infini pour que tous les noyaux disparaissent.
On peut mettre cette évolution sous la forme :
A = A0e-λt
où λ est une constante propre au nucléide considéré.
Ne pouvant définir le temps mis pour que tout l’échantillon disparaisse, on définit la
période radioactive appelée aussi demi-vie du nucléide.
Si l’on considère que T est le temps mis pour que la moitié des nucléides de l’échantillon
aient réagi :
A(t) = A0e-λt et A(T) = A0/2
D’où : e-λT = ½ Æ -λT = ln(½) = ln(1) - ln(2) = -ln(2)
Î λ = ln(2)/T
A caractérise le nombre de disparitions à la seconde et s’exprime en Becquerel.
IV)
Énergie nucléaire
Lors d’une réaction nucléaire, l’énergie se libère sous deux formes :
Cinétique pour les particules crées, qui sont émises avec une certaine vitesse.
Rayonnante : le rayonnement γ est un rayonnement électromagnétique de très
courte longueur d’onde et d’énergie très élevée.
Cette énergie provient de la perte de masse entre les noyaux pères et fils.
Ainsi, lors de la réaction, il y a une perte de masse :
∆m = mi - mp
Cette perte de masse correspond, comme l’a démontré Einstein à une énergie E0 :
E0 = mc²
Lorsque le nucléide passe d’une masse m à une masse m’ = m – ∆m, le nucléide passe d’une
énergie E’ = E0 – ∆E, d’où ∆E = ∆mc².
Chaque nucléide libère de l’énergie, à l’échelle atomique, on utilise couramment une unité
d’énergie mieux adaptée que le Joule : l’électronvolt (eV).
1 eV = 1.6.10-19 J
Remarques : les défauts de masse étant très petits, il convient de prendre des nombres
très précis pour les masses. Ainsi, si dans le tableau de classification périodique A est
donné de façon arrondie dans tous les problèmes de réactions nucléaires, on fera intervenir
des nombres de masse avec plusieurs chiffres après la virgule.
Énergie de liaison :
La masse d’un noyau est toujours inférieure à l’énergie des nucléons séparés, ainsi :
m(AZX) < Zmp + (A – Z) mn.
La différence de masse est donc ∆m = [Zmp + (A – Z) mn] – m(AZX)
Ce défaut de masse correspond à une énergie EL = [Zmp + (A – Z) mn] – m(AZX). c²
Stabilité des noyaux :
-
pour 50 < A < 75, la courbe présente un maximum très aplati qui correspond aux
nucléides les plus stables. (EL/A ≈ 8.7 MeV)
pour A > 100 la courbe décroît lentement : les nucléides correspondants sont lourds
et moins stables.
Fusion :
Pour faire fusionner des noyaux légers, il faut fournir 1 à 3 MeV par nucléon. S’il se forme
des noyaux plus lourds, on récupère une énergie de l’ordre de 7 MeV par nucléon.
Fission :
Pour casser un nucléon, il faut fournir une certaine énergie. S’il se forme des nucléons
proches du maximum de la courbe, on récupère une énergie supérieure à celle nécessaire à
la fission. Cette réaction n’est intéressante que pour les noyaux lourds.
Ces deux réactions libèrent de l’énergie mais chacune ne peut se faire que dans une zone
bien précise de la courbe d’Aston.