Les transformations nucléaires. - Le cours de physique

re
Chapitre 10. Cours.
1 S
Les transformations nucléaires.
Les transformations nucléaires concernent le noyau de l'atome. Ces transformations ne sont pas des
transformations chimiques, elles vont à l'encontre du principe de Lavoisier sur la conservation des éléments
chimiques.
I. La radioactivité.
On dit d'un noyau qu'il est radioactif ou instable lorsqu'il peut spontanément se transformer en un autre noyau
(dans le cas contraire il est dit non radioactif ou stable). Lors de cette transformation, il émet une particule.
La radioactivité est un exemple de transformation nucléaire :
- inéluctable : on est sûr que le noyau radioactif va se transformer ;
- imprévisible : on ne sait pas quand le noyau radioactif va se transformer, on ne peut que donner des lois
statistiques ne dépendant que du noyau considéré ;
- spontané : le noyau se transforme indépendamment des conditions expérimentale (pression, température …).
Interprétation : le noyau atomique est trop gros pour la portée de l'interaction forte, ou il n'y a pas assez de
neutrons pour "diluer" les protons qui se repoussent ou l'interaction faible est à l'origine de la transformation.
e
La radioactivité naturelle a été découverte par Becquerel à la fin du XIX siècle.
Lorsqu'il s'agit d'un type de noyau radioactif créé par l'Homme et n'existant pas naturellement sur Terre, on
parle de radioactivité artificielle (découverte par les époux Joliot-Curie en bombardant des noyaux avec des
particules qui se sont ajoutées à ces noyaux).
Lors des réactions nucléaires il y a conservation de la charge électrique totale et du nombre de nucléons .
La radioactivité α s'accompagne de l'émission d'une particule α ou noyau d'hélium 4 42 He (de charge +2) :
A
Z
X
4
2
He
Y ; 2 protons et 2 neutrons sont libérés sous forme de noyau d'hélium.
A-4
Z-2
Exemple : compléter l'équation
226
88
Ra
4
2
He
... . Réponse
226
88
Ra
-
4
2
He
222
86
Rn .
-
La radioactivité β s'accompagne de l'émission d'une particule β ou électron
A
Z
X
0
1
e
Y ; 1 neutron est changé en 1 proton et 1 électron n
1
0
A
Z+1
Exemple : compléter l'équation
14
6
C
0
1
e
... . Réponse
14
6
C
0
1
+
e
0
1
14
7
e
1
1
0
1
e (charge -1) :
p.
N.
+
La radioactivité β s'accompagne de l'émission d'une particule β ou positron ou antiélectron 01 e (charge +1) :
A
Z
X
0
1
e
Y ; 1 proton est changé en 1 neutron et 1 positron 11 p
A
Z-1
Exemple : compléter l'équation
30
15
P
0
1
e+... . Réponse
30
15
P
0
1
e
30
14
0
1
e
1
0
n.
Si .
En 1914, lors de l'étude des radioactivités β, les scientifiques se sont rendu-compte que de l'énergie semblait
disparaitre, contredisant apparemment le principe de conservation de l'énergie. Le physicien Pauli a supposé en
1930 qu'il devait exister une autre particule qui n'avait pas été détectée et qu'il a nommé le neutrino ν :
A
0
0
A
A
X
e Z-1
e Z-1
Y 00 ν .
Y est en fait AZ X
Z
1
1
Cette particule a pu être mise en évidence expérimentalement en 1956.
L'émission γ n'est pas de la radioactivité mais c'est l'émission d'une particule γ ou photon γ ou rayonnement γ.
Il s'agit d'un rayonnement électromagnétique (comme la lumière) très énergétique, de très faible longueur
d'onde (λ < 0,001 nm). Ceci est dû au fait que le noyau père X donne un noyau fils Y généralement excité (noté
*
Y ) qui, en se désexcitant, émet un rayonnement γ :
A *
A
Y
Y+γ .
Z
Z
re
Chapitre 10. Cours.
1 S
Voir livre doc 4 p136.
N
8
3
Li
9
4
Be
7
3
Li
8
4
Be
Li
7
4
Be
6
3
1
0
n
10
5
B
stable
8
5
émetteur
B
3
1
H
He
émetteur
2
1
H He
émetteur
1
1
H
4
2
3
2
5
8
3
Li 94 Be
4
7
3
Li 48 Be
3
6
3
Li
-
2
1
1
0
n
Be
B
stable
8
5
émetteur 
B
3
1
H 42 He
émetteur -
2
1
H 23 He
émetteur +
1
1
0
7
4
10
5
H
Z
0
1
2
3
4
5
-1
L'activité A, en becquerel (Bq) ou s , est le nombre moyen de désintégrations ayant lieu par seconde :
A
nombre moyen de désintégrations radioactives
Δt
Elle dépend du type de noyaux radioactifs et est proportionnelle au nombre de noyaux radioactifs restant.
Quelques ordres de grandeur d'activités à connaitre :
eau du robinet 0,1 à 1 Bq/kg
aliment 100 Bq/kg
7
terre 1 000 Bq/kg
uranium 238 10 Bq/kg
être humain 100 Bq/kg (soit 10 000 Bq)
II. Les réactions nucléaires provoquées.
Les noyaux lourds peuvent gagner en stabilité en devenant des noyaux plus légers.
La fission est une réaction nucléaire provoquée (non spontanée) au cours de laquelle un noyau lourd (se fissure)
se casse en deux noyaux, généralement suite à la collision avec un neutron.
84
Exemple : 235
U 01 n
Br 148
La 3 01 n
92
35
57
Ce type de réaction est utilisés dans les centrales nucléaires pour produire de l'électricité et dans les bombes A.
Les noyaux légers peuvent gagner en stabilité en devenant des noyaux plus lourds.
La fusion est une réaction nucléaire provoquée (non spontanée) au cours de laquelle deux noyaux légers
fusionnent (se collent) en un seul noyau.
3
Exemple : 21H 11H 23He* puis 23He*
He γ
2
On amorce généralement la fusion en rapprochant les noyaux grâce à de très hautes températures car les noyaux
ont alors assez d'agitation microscopique pour permettre des collisions suffisamment violentes.
Ce type de réaction est utilisée dans les bombes H (amorcées par des bombes A).
L'équivalent masse-énergie, postulé par Einstein en 1905, indique que tout corps possède une énergie due à sa
masse, appelée énergie de masse E masse (en J) : Emasse m .c 2 .
Lors des réactions nucléaires, la masse totale des corps diminue. L'énergie libérée est alors :
Elibérée
Δm .c 2
| Δm | .c 2
vue son origine, cette énergie est parfois appelée énergie nucléaire
avec E libérée l'énergie libérée en J, Δm la variation de la masse (finale - initiale) en kg (appelé défaut de masse) et
c = 3,00×108 m.s-1 la célérité de la lumière dans le vide.
Remarque : la masse d'un noyau est inférieure à la somme des masses des nucléons qui le forment !!!
Exemple : Déterminer l'énergie libérée par la réaction de fusion 21H
particule
2
1
H
3
1
-27
0
H
-27
1
H
4
2
4
2
masse (en kg)
3,34358×10
5,00736×10
-29
Δm = m finale - m initiale = (m 4 He m 1 n ) (m 2 H m 3 H ) =-3,135×10 kg
2
3
1
He
1
0
n
He
1
0
-27
6,64466×10
n
-27
1,67493×10
1
E libérée = -Δm.c2 = 3,135×10-29 × (3,00×108)2 = 2,82×10-12 J
L'énergie libérée lors d'une réaction nucléaire est de l'ordre de 10
7
combustion du pétrole est de l'ordre de 10 J par kg.
12
14
à 10
J par kg ; Celle libérée par la