Les transformations nucléairesCours

I

Les transformations nucléaires spontanées (ou naturelles) : les désintégrations radioactives

A

Les noyaux radioactifs

1

Les isotopes

Un élément chimique existe sous la forme de plusieurs isotopes.

Isotopes

Deux atomes sont isotopes s'ils ont : 

  • Le même numéro atomique Z : ils correspondent donc au même élément chimique et ont les mêmes propriétés chimiques.
  • Un nombre de masse A différent : leur noyau ne contient pas le même nombre de neutrons et leur masse est différente.
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Les atomes de carbone _6^{12}\ce{C} (dont le noyau est composé de 6 protons et 6 neutrons) et carbone _6^{14}\ce{C} (dont le noyau est composé de 6 protons et 8 neutrons) sont isotopes.

2

La radioactivité

Parmi les isotopes d'un élément chimique, seuls certains sont stables. Les autres se désintègrent spontanément : ils sont radioactifs.

Radioactivité

La radioactivité est le phénomène associé à la désintégration spontanée des noyaux instables.

Parmi les isotopes du carbone, seul le carbone 12  \ce{_6^{12}C} est stable alors que les carbones 13  \ce{_6^{13}C} et 14  \ce{_6^{14}C} sont radioactifs.

La stabilité des noyaux est liée à leur composition : certains sont radioactifs car ils comportent un excès de protons et d'autres de neutrons.

Les phénomènes de radioactivité ne concernent que le noyau des atomes, c'est pourquoi on parle de transformations « nucléaires ».

B

Les lois de conservation

Lois de conservation du nombre de masse et du nombre de charge (loi de Soddy)

Lors d'une réaction nucléaire, il y a conservation du nombre de charge Z et du nombre de masse (de nucléons) A.

Pour une désintégration :

_{Z}^{A}X \ce{->} _{Z'}^{A'}Y^{*} + _{Z''}^{A''}P

Les lois de Soddy permettent d'écrire :

  • d'après la loi de conservation du nombre de masse : A = A' + A" ;
  • d'après la loi de conservation du nombre de charge : Z = Z' + Z".
C

Le bilan d'une désintégration radioactive

Désintégration radioactive

La désintégration radioactive est une réaction nucléaire spontanée au cours de laquelle un noyau radioactif donne naissance à un noyau plus stable.

La radioactivité est un phénomène :

  • Spontané : Elle se déclenche sans intervention extérieure.
  • Aléatoire : On ne peut pas prévoir l'instant de la désintégration.
  • Inéluctable : Un noyau instable se désintègrera tôt ou tard.
  • Indépendant de la pression et de la température.

La désintégration radioactive du noyau instable, appelé noyau père et noté _{Z}^{A}X, s'accompagne de l'émission :

  • d'un noyau fils, _{Z'}^{A'}Y. Généralement, il est obtenu dans un état excité et alors noté _{Z'}^{A'}Y^{*}  ;
  • d'une particule, _{Z''}^{A''}P  ;
  • d'un rayonnement électromagnétique γ, émis lors de la désexcitation du noyau fils.

 

Le bilan de la désintégration peut donc s'écrire :

_{Z}^{A}X \ce{->} _{Z'}^{A'}Y + _{Z''}^{A''}P + \gamma

Ou en indiquant que le noyau fils est formé dans un état excité, sachant qu'en se désexcitant il émettra un rayonnement γ :

_{Z}^{A}X \ce{->} _{Z'}^{A'}Y^{*} + _{Z''}^{A''}P

 

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On distingue trois types de désintégration qui se différencient par la nature de la particule émise :

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D

Les dangers des phénomènes radioactifs

Le danger des désintégrations radioactives provient de l'émission des particules mais aussi surtout du rayonnement gamma qui a un fort pouvoir de pénétration et qui est ionisant.

Les effets induits par les phénomènes radioactifs dépendent de la source d'irradiation (nature, énergie, etc), du mode d'exposition (temps, débit, distance), et de la cible (tissus ou organes touchés). Ces effets peuvent être des brûlures, des cancers, des malformations fœtales, etc.

II

Les transformations nucléaires provoquées

A

La fusion nucléaire

Les réactions de fusion nucléaire se produisent au cœur des étoiles, où la température et la pression très élevées permettent de vaincre la répulsion entre les noyaux. Ceux-ci peuvent alors s'assembler pour former un noyau plus lourd.

Fusion

La fusion est une réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux légers s'associent et forment un noyau plus lourd.

Une des réactions de fusion nucléaire ayant lieu au cœur du Soleil est la fusion de deux isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, produisant de l'hélium :

_{1}^{2}\text{H} + _{1}^{3}\text{H} \ce{->} _{2}^{4}\text{He}^{*} + _{0}^{1}n

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Ce sont les fusions nucléaires qui confèrent aux étoiles leur énergie.

Chaque seconde, le Soleil transforme 600 millions de tonnes d'hydrogène (ou de ses isotopes) en hélium libérant une immense quantité d'énergie dont une partie se propage jusqu'à la Terre sous forme de rayonnement.

B

La fission nucléaire

Fission

La fission est une réaction nucléaire au cours de laquelle l'impact d'un neutron sur un noyau lourd provoque son éclatement en deux noyaux plus légers.

Dans les centrales nucléaires, une des fissions exploitées est celle de l'uranium 235, provoquée par l'impact d'un neutron :

_{0}^{1}n + _{92}^{235}\text{U} \ce{->} _{38}^{94}\text{Sr}^{*} + _{54}^{139}\text{Xe}^{*} + 3 _{0}^{1}n

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Les neutrons émis peuvent à leur tour atteindre un noyau cible, rendant possible une réaction en chaîne, mise à profit dans les centrales nucléaires.

Les réactions de fissions nucléaires libèrent beaucoup d'énergie et sont ainsi exploitées dans les centrales nucléaires. Les noyaux fils étant souvent radioactifs, il existe des déchets dangereux (parfois pendant des millions d'années) qu'il faut gérer.

La fission d'un gramme d'uranium 235 produit pratiquement autant d'énergie que la combustion de 69 kg de pétrole.

Récapitulatif

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