Cours

Réactions nucléaires spontanées ou radiactivité naturelle
 C'est en 1896 que le physicien français Henri Becquerel découvre accidentellement que des sels d'uranium
peuvent voiler des plaques photographiques. Il en a conclu que les sels d’uranium émettaient un rayonnement
provenant des atomes. Ce phénomène naturel porte le nom de radioactivité.
 En étudiant ce phénomène, Pierre et Marie Curie parviennent à isoler deux nouveaux éléments radioactifs, le
radium et le polonium, ce qui leur vaut le prix Nobel de physique en 1903.
 En 1934, Irène et Frédéric Joliot-Curie découvrent la radioactivité artificielle.
I Quelques rappels sur les noyaux atomiques.
1. Comment les caractériser ?
 Un atome est constitué :
d' un...........................ch arg é ................................constitué de .........................
(................................ ..................................)
d' un nuage électroniq ue (chargé............................................)
Particules élémentaires
Neutrons
Protons
Charge électrique
Nulle
+e
électrons
-e
Masse
mn = mp = 1,67 x 10-27 kg
mn = mp = 1,67 x 10-27 kg
me =
mp
1800
= 9,1 x 10-31 kg
 Un atome est électriquement ……………………………………………………………………
La représentation d'un noyau atomique est :
A
Z
X est le ....................................................................................
X
Z est le .......................................................; c'est le nombre de .......................
A est le .......................................................; c'est le nombre de .......................
Le nombre de neutrons est donc N = ....................................
2. Définitions :
Elément chimique : ensemble des entités (atomes, ions…) de même numéro atomique Z .
Nucléide : noyau atomique caractérisé par son nombre de protons, son nombre de neutrons et par son état
d’énergie nucléaire.
Exercice : Quelle est la constitution du nucléide
13
6
C ?...............................................................................................................
Chaque élément est caractérisé par son numéro atomique Z.
Des atomes qui ont le ……………… numéro atomique ……. mais un nombre de masse ……………………………………… sont
appelés ……………………
Exemples : Isotopes de l'élément H: 1 H, 1 H et
1
2
3
1
H;
Isotopes de l'élément C:
12
6
C,
13
6
Un élément englobe donc plusieurs familles de nucléides.
3. Unité de masse atomique :
Elle est égale à un douzième de la masse d’un atome de l’isotope 12 de l’élément carbone.
- 1 -
C et
14
6
C
II Réactions nucléaires spontanées :
1. Noyaux radioactifs et radioactivités :
Noyaux radioactifs : ce sont des noyaux ………………………….. Un noyau radioactif se transforme en un autre noyau
(stable ou pas) . On dit qu’il ……………………………………….. ;
La radioactivité correspond à la désintégration (décomposition) spontanée et aléatoire de noyaux (naturels ou
artificiels) instables. Elle s’accompagne de l'émission de particules
,
-
,
+
et d'un rayonnement .
Ces rayonnements sont invisibles et dangereux pour l’homme.
2. Les différentes réactions nucléaires spontanées :
a. Lois de conservation : lois de Soddy
A
Z
La désintégration d'un noyau se traduit par une équation-bilan du type
X
noyau
père
A'
Z'
Y
noyau
fils
a
z
p
particule
émise
Au cours de cette désintégration il y a :
- conservation du nombre de nucléons, soit .................................................
conservation du nombre de charge, soit .....................................................
conservation de l’énergie.
-
b. La radioactivité
:
Elle concerne les nucléides lourds (A>200), qui comportent donc un grand nombre de nucléons.
Elle correspond à la production de noyaux d'hélium
Equation de la désintégration
:
A
Z
4
2
He .
.................................................................
X
Exemples : Complétez les équations suivantes.
226
88
Ra
Rn + ..........................
212
84
Po
Pb + ..........................
;
 Vitesse des particules :
 L’énergie libérée lors d’une désintégration
se retrouve ………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
 Dans la classification, ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
c. La radioactivité - :
Elle concerne les nucléides présentant un excès de neutrons.
Elle correspond à la production d'un électron
Equation de la désintégration
-
:
A
Z
X
0
1e
0
et d’un antineutrino 0
.................................................................
Antineutrino : ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
Exemples : Complétez les équations suivantes.
14
6
C
N + ..........................
;
60
27
Co
- 2 -
Ni
+ ..........................
 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
d. La radioactivité
+
.
Elle ne concerne que les nucléides artificiels présentant un excès de protons.
Elle correspond à la production d’un positon (ou anti électron)
Equation de la désintégration
+
A
Z
:
X
0
0
1e et d’un neutrino 0
.................................................................
Neutrino : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Positon : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
Exemple : Complétez l'équation suivante.
30
15
Si
P
+
..........................
e. Capture électronique :
Elle est peu fréquente, il faut que le noyau ait un excès de protons.
Elle correspond à la capture d’un électron par le noyau et à la production d’un neutrino (l’électron provenant du
nuage électronique, généralement de la couche interne)
A
0
ZX -1e .................................................................
 A la suite de cette désintégration, le noyau et son cortège électronique se réarrangent en émettant
………………………….………………………………
 Ce mode de radioactivité est difficile à détecter ;
40
Exemple : Complétez l'équation suivante. 19K
f. Le rayonnement
0
-1e
……………………………………………
:
Les radioactivités et s'accompagnent de la production de noyaux
fils instables ou excités; ces noyaux ont une énergie supérieure à
celle de l'état fondamental (état stable).
Le retour d'un noyau excité à l’état fondamental s'accompagne de
la libération d'énergie sous forme d'un rayonnement
électromagnétique de très courte longueur d'onde ( < 10-13 m). Il
se propage donc à la vitesse de la lumière.
Equation de l'émission
A
Z
Y*
:
.................................................................
Exercice : Complétez l'équation suivante.
222
86
Rn*
.........................................................
3. Vallée de la stabilité :
La stabilité des noyaux résulte de la compétition entre l’interaction forte, responsable de l’attraction des nucléons
et de l’interaction électromagnétique responsable de la répulsion entre les protons
- 3 -
L’interaction forte est intense mais de courte protée ( 10-15 m).
Un noyau possédant trop de particules de même type est instable.
 Le diagramme (N,Z) possède plusieurs zones
dont une centrale appelée
…………………………………………………
……………………………………………………………………………………………...
Jusqu’à Z = 20, ………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………...
Pour Z > 20, ………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………...
III Activité d’une source- loi de décroissance radioactive :
1. Caractère aléatoire d’une désintégration radioactive :
Les désintégrations radioactives sont :
 Aléatoires : il est impossible de prévoir l’instant de désintégrations
 Spontanées : elles se déclenchent sans aucune interaction extérieure
 Inéluctables : un noyau instable se désintègre tôt ou tard
 Indépendantes des paramètres de pression et de température contrairement aux réactions chimiques.
La désintégration radioactive est un phénomène aléatoire. On ne peut pas « à l’échelle microscopique », dire quand
un noyau va se désintégrer. Néanmoins, « à l’échelle macroscopique », (sur un grand nombre de noyaux), on a pu
établir cette loi d’évolution.
2. Loi de décroissance radioactive :
Définition : Le nombre, dN, de désintégrations nucléaires spontanées qui se produisent dans une quantité donnée
de matière pendant un temps infiniment petit, dt, est proportionnel au nombre de noyaux radioactifs N(t) et au
temps dt selon la relation :
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