Unité de masse atomique
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Bases de Physique Nucléaire Structure de l’atome IAEA Jour 1- Leçon 1 1 Objectifs • Discuter la structure de l'atome, y compris • les neutrons, les protons et les électrons Apprendre davantage sur le numéro atomique, masse atomique, la stabilité nucléaire et noyaux radioactifs ou instables IAEA 2 Contenu • • • • • • Atome Noyau Electron, Energie de liaison Tableau Périodique des Eléments Isotopes Stabilité Nucléaire IAEA 3 Atome L’ atome est Composé de: Protons chargés positivement (+), neutrons sans charges et Electrons chargés négativement (-) IAEA 4 Atome Modèle de Thomson IAEA Modèle de Rutherford 5 Atome Modèle de Bohr IAEA 6 Nucléons Les protons et les neutrons forment (ensemble) le noyau de l’atome. Le noyau détermine l'identité de l'élément et sa masse atomique. Le proton et le neutron ont essentiellement la même masse mais seulement le proton est chargé alors que le neutron n'a pas de charge. IAEA 7 Protons Les protons sont des particules chargés positivement et se trouvent dans le noyau d’un atome. Chaque élément a un numéro atomique unique (un nombre de protons unique). Pour un élément donné, le nombre de protons ne change jamais. Par exemple, l'oxygène a un numéro atomique de 8 ce qui indique que l'oxygène a toujours 8 protons. IAEA 8 Neutrons Les neutrons sont d'autres particules qui se trouvent dans le noyau d'un atome. Contrairement aux protons et électrons. Cependant, les neutrons ne portent aucune charge électrique et sont donc «neutres». Les atomes d'un élément donné ne contiennent pas toujours le même nombre de neutrons. IAEA 9 Electrons Les électrons sont des particules chargées négativement qui tournent au tour du noyau dans des "orbites" semblables à des orbites de la lune autour d'une planète. Le partage ou l'échange d'électrons entre les atomes forment des liaisons chimiques qui permettent de savoir comment de nouvelles molécules et d’autres composés sont formés IAEA 10 ENERGIE DE LIAISON DES ELECTRONS • Les électrons existent dans les «couches» discrètes • • • autour du noyau (similaires aux planètes autour du soleil) Chaque couche représente une énergie de liaison unique tenant les électrons liés au noyau Les couches sont désignées par des lettres(K, L, M, N …) où K, la couche la plus proche du noyau, a la plus grande énergie de liaison, donc les électrons de la couche K sont les plus liés Le nombre maximum d'électrons dans chaque couche: 2 dans la couche K, 8 dans la couche L … IAEA Résumé de l’Atome Particule Symbole Proton p 1.672E-27 Energie (MeV) 938.2 Neutron n 1.675E-27 939.2 0 Electron e 0.911E-30 0.511 -1 IAEA Masse (kg) Charge +1 Unité de masse atomique (uma) • L’échelle de masse atomique était basée à l’origine sur l’hydrogène: 1H= L’atome 1 uma L’atome de 16O = 16 uma L’atome du 12C = 12 uma Où 1 uma est approximativement égal à 1,6605x10-24 g • Maintenant l’échelle est basée sur le 12C - l’atome du 12C = exactement à 12 uma - l’atome de 1H = 1,0078252 uma - l’atome de 16O = 15,9949149 uma IAEA 13 Unité de Masse Atomique (uma) La masse atomique du proton et de neutron est approximativement: Proton = 1.6726 x 10-24 g = 1.0073 uma Neutron = 1.6749 x 10-24 g = 1.0087 uma Donc, le neutron est un peu plus lourd que le proton. IAEA Unité de Masse Atomique (uma) La différence entre la masse du neutron et celle du proton peut se comprendre si l'on suppose que le neutron est seulement un proton associé à un électron formant une particule neutre légèrement plus lourde qu'un seul proton. IAEA 15 Unité de Masse Atomique (uma) La masse atomique de l’électron est approximativement: Electron = 9.1094 x 10-28 g = 0.00055 uma Ainsi, l'électron a une masse beaucoup plus faible que celle du proton ou du neutron, 1837 fois plus petite, soit environ 2000 fois plus petite. IAEA Elements Le nombre de protons dans un atome caractérise l'élément. Pour un atome non chargé, le nombre IAEA d'électrons est égal au nombre de protons. 10 Eléments les plus abondants Elément Symbole Protons % par rapport à la masse de la terre Oxygène O 8 46.6 Silicon Si 14 27.7 Aluminum Al 13 8.1 Fer Fe 26 5.0 Calcium Ca 20 3.6 Sodium Na 11 2.8 Potassium K 19 2.6 Magnesium Mg 12 2.1 Titanium Ti 22 0.4 Hydrogène H 1 0.1 IAEA 18 Tableau Périodique des Eléments En 1869, le chimiste russe Dmitri Mendeleev décrit d'abord un classement des éléments chimiques connus maintenant sous le nom du tableau périodique. Le tableau périodique affiche tous les éléments chimiques systématiquement dans l'ordre croissant de numéro atomique (nombre de protons dans le noyau). IAEA 19 Tableau Périodique des Eléments Séries de Lanthanides Eléments Terre rare IAEA Séries des Actinides 20 IAEA 21 Exemple d’Elément – le Zirconium Configuration des couches électroniques: 40 Zr Zirconium 91.2 K L M N O 1s-2 2 2s-2 2p-6 8 3s-2 3p-6 3d-10 18 4s-2 4p-6 4d- 2 10 5s-2 2 10 + 18 + 12 = 40 K L M N O IAEA 22 Exemple d’Elément – le Zirconium Nom: Zirconium Symbole: Zr Numéro Atomique : 40 Masse Atomique : 91.224 uma Point de fusion: 1852.0 °C Point d’ébullition: 4377.0 °C Nombre de Protons/Electrons: 40 Nombre De Neutrons: 51 Classification: Métaux de transition Etat ordinaire: Solide Densité @ 293 K: 6.49 g/cm3 Couleur: Blanc argenté IAEADate de découverte: 1789 Découvreur: Martin Klaproth 23 Isotopes Les atomes d’un même élément qui ont le même nombre de protons et un nombre de neutrons différent dans le noyau sont appelés isotopes. La notation typique Xy = symbole de l’élément d’un isotope s’écrit A Xy A = masse atomique (neutron + protons) Z ainsi: Z = numéro atomique (protons) IAEA 24 Les Isotopes Le nombre de protons et d’électrons reste le même Mais le nombre de neutrons varie IAEA 25 Les Isotopes Le Nombre de protons égal au nombre de neutrons Il existe de nombreux isotopes. La plupart ont plus de neutrons que de protons. Certains sont stables, mais la plupart sont instables (radioactifs). IAEA 26 La Stabilité Nucléaire • Un nucléide stable ou non radioactif est celui dont les atomes ne varient pas • Si l'on trace les noyaux stables, une tendance intéressante (indiquée dans la diapositive suivante) • Le graphique de la diapositive suivante montre un graphique représentant le nombre de neutrons N en fonction du numéro atomique Z pour les noyaux stables IAEA 27 La ligne de Stabilité N>Z IAEA 28 La Stabilité Nucléaire Pour les gros noyaux stables, N est environ 1,5 x Z Dans le noyau, les protons et les neutrons sont liés entre eux grâce à une interaction forte. Si cette interaction n'existait pas, les noyaux ne pourraient pas être stables et seraient dissociés sous l'effet de la répulsion électrostatique des protons entre eux. Le noyau est maintenu par une force mal comprise, c’est la force nucléaire IAEA 29 La Stabilité Nucléaire La force nucléaire est une force à portée extrêmement courte EIle agit sur une distance maximale d'environ deux fois le diamètre du proton La force nucléaire est responsable de l'énergie de liaison qui maintient le noyau atomique IAEA 30 Les Noyaux instables Les noyaux qui ne se trouvent pas dans la zone de stabilité ont tendance à être instables ou “radioactifs” Ils sont appelés “radionucléides” Quelques radionucléides ne tombent sur la ligne de stabilité, mais leur taux de décroissance est si lent que, à toutes fins pratiques, ils sont stables IAEA 31 Les Noyaux instables Les radionucléides sont soumis à un processus appelé transformation ou désintégration radioactive Dans ce processus, le noyau émet des particules pour ajuster son rapport N / Z IAEA 32 Exemple de Certains Radionucléides d'origine naturelle 235U et 238U 60Co, 137Cs, 90Sr se trouvent dans les centrales nucléaires 192Ir utilisé en radiographie 99mTc utilisé en médecine nucléaire 131I utilisé dans les conditions de traitement de la thyroïde IAEA 33 Résumé • Les atomes sont constitués de trois particules de base: • Les protons et les neutrons se mettent ensemble pour former le noyau - la partie centrale de l'atome 1. Les protons portent une charge positive 2. Les neutrons sans charge 3. Les électrons portent une charge négative et tournent autour du noyau IAEA 34 Où trouver plus d’information Cember, H., Johnson, T. E, Introduction to Health Physics, 4th Edition, McGraw-Hill, New York (2009) International Atomic Energy Agency, Postgraduate Educational Course in Radiation Protection and the Safety of Radiation Sources (PGEC), Training Course Series 18, IAEA, Vienna (2002) IAEA 35
