Noyau atomique et radioactivité
Transformations nucléaires
Noyau atomique et radioactivité
Introduction
Au cœur de chaque atome se trouve le noyau, une structure extrêmement petite et dense qui contient l'essentiel de la masse de l'atome. Certains noyaux sont instables : ils se transforment spontanément en émettant des rayonnements. C'est le phénomène de radioactivité, découvert par Henri Becquerel en 1896. Comprendre la radioactivité est indispensable pour saisir les enjeux de l'énergie nucléaire, de l'imagerie médicale et de la datation en géologie.
Le noyau atomique
Composition
Le noyau est constitué de nucléons :
- Protons (charge positive $$^A_Z X$$1) : leur nombre $$^A_Z X$$2 est le numéro atomique (il définit l'élément chimique)
- Neutrons (charge nulle) : leur nombre est noté $$^A_Z X$$3
Le nombre total de nucléons est le nombre de masse :
$$A = Z + N$$
Notation symbolique
Un noyau est noté :
$$^A_Z X$$
où $$^A_Z X$$4 est le symbole de l'élément chimique.
Exemples :
- Hydrogène : $$^A_Z X$$5 (1 proton, 0 neutron)
- Carbone 12 : $$^A_Z X$$6 (6 protons, 6 neutrons)
- Uranium 238 : $$^A_Z X$$7 (92 protons, 146 neutrons)
Isotopes
Définition
Deux noyaux sont isotopes s'ils ont le même numéro atomique $$^A_Z X$$8 (même élément chimique) mais un nombre de masse $$^A_Z X$$9 différent (nombre de neutrons différent).
Exemples d'isotopes du carbone :
Isotope Protons ($$^A_Z X \longrightarrow ^{A-4}_{Z-2} Y + ^4_2 He$$0) Neutrons ($$^A_Z X \longrightarrow ^{A-4}_{Z-2} Y + ^4_2 He$$1) Masse ($$^A_Z X \longrightarrow ^{A-4}_{Z-2} Y + ^4_2 He$$2) Stabilité $$^A_Z X \longrightarrow ^{A-4}_{Z-2} Y + ^4_2 He$$3 6 6 12 Stable $$^A_Z X \longrightarrow ^{A-4}_{Z-2} Y + ^4_2 He$$4 6 7 13 Stable $$^A_Z X \longrightarrow ^{A-4}_{Z-2} Y + ^4_2 He$$5 6 8 14 Radioactif
Les isotopes d'un même élément ont les mêmes propriétés chimiques (même nombre d'électrons) mais des propriétés nucléaires différentes.
Stabilité et instabilité nucléaire
Vallée de stabilité
Les noyaux stables se trouvent dans une zone appelée vallée de stabilité sur un diagramme $$^A_Z X \longrightarrow ^{A-4}_{Z-2} Y + ^4_2 He$$6 en fonction de $$^A_Z X \longrightarrow ^{A-4}_{Z-2} Y + ^4_2 He$$7 :
- Pour les noyaux légers ($$^A_Z X \longrightarrow ^{A-4}_{Z-2} Y + ^4_2 He$$8) : $$^A_Z X \longrightarrow ^{A-4}_{Z-2} Y + ^4_2 He$$9 (autant de neutrons que de protons)
- Pour les noyaux lourds : $$^{238}_{\;92} U \longrightarrow ^{234}_{\;90} Th + ^4_2 He$$0 (il faut davantage de neutrons pour compenser la répulsion entre protons)
Noyaux instables
Un noyau qui se trouve en dehors de la vallée de stabilité est radioactif : il se désintègre spontanément pour se rapprocher de la stabilité en émettant un rayonnement.
Les trois types de radioactivité
Radioactivité alpha ($$^{238}_{\;92} U \longrightarrow ^{234}_{\;90} Th + ^4_2 He$$1)
Un noyau lourd émet un noyau d'hélium $$^{238}_{\;92} U \longrightarrow ^{234}_{\;90} Th + ^4_2 He$$2 (particule $$^{238}_{\;92} U \longrightarrow ^{234}_{\;90} Th + ^4_2 He$$3) :
$$^A_Z X \longrightarrow ^{A-4}_{Z-2} Y + ^4_2 He$$
Exemple : désintégration de l'uranium 238 :
$$^{238}_{\;92} U \longrightarrow ^{234}_{\;90} Th + ^4_2 He$$
Caractéristiques : rayonnement peu pénétrant (arrêté par une feuille de papier), mais très ionisant.
Radioactivité bêta moins ($$^{238}_{\;92} U \longrightarrow ^{234}_{\;90} Th + ^4_2 He$$4)
Un neutron du noyau se transforme en proton avec émission d'un électron $$^{238}_{\;92} U \longrightarrow ^{234}_{\;90} Th + ^4_2 He$$5 :
$$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z+1} Y + ^{\;\;0}_{-1} e$$
Exemple : désintégration du carbone 14 :
$$^{14}_{\;6} C \longrightarrow ^{14}_{\;7} N + ^{\;\;0}_{-1} e$$
Caractéristiques : concerne les noyaux avec un excès de neutrons.
Radioactivité bêta plus ($$^{238}_{\;92} U \longrightarrow ^{234}_{\;90} Th + ^4_2 He$$6)
Un proton du noyau se transforme en neutron avec émission d'un positon $$^{238}_{\;92} U \longrightarrow ^{234}_{\;90} Th + ^4_2 He$$7 :
$$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z-1} Y + ^{0}_{1} e$$
Exemple : désintégration du fluor 18 :
$$^{18}_{\;9} F \longrightarrow ^{18}_{\;8} O + ^{0}_{1} e$$
Caractéristiques : concerne les noyaux avec un excès de protons.
Lois de conservation (lois de Soddy)
Lors d'une réaction nucléaire, deux grandeurs se conservent :
- Conservation du nombre de masse $$^{238}_{\;92} U \longrightarrow ^{234}_{\;90} Th + ^4_2 He$$8 :
$$\sum A_{\text{réactifs}} = \sum A_{\text{produits}}$$
- Conservation du numéro atomique $$^{238}_{\;92} U \longrightarrow ^{234}_{\;90} Th + ^4_2 He$$9 (conservation de la charge) :
$$\sum Z_{\text{réactifs}} = \sum Z_{\text{produits}}$$
Application : ces lois permettent d'identifier un noyau fils inconnu dans une équation de désintégration.
Si $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z+1} Y + ^{\;\;0}_{-1} e$$0, alors :
$$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z+1} Y + ^{\;\;0}_{-1} e$$1 et $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z+1} Y + ^{\;\;0}_{-1} e$$2, donc $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z+1} Y + ^{\;\;0}_{-1} e$$3 (plomb 206).
Demi-vie radioactive
Définition
La demi-vie $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z+1} Y + ^{\;\;0}_{-1} e$$4 d'un isotope radioactif est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux radioactifs initialement présents se sont désintégrés.
Loi de décroissance
Le nombre de noyaux radioactifs restants à l'instant $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z+1} Y + ^{\;\;0}_{-1} e$$5 est :
$$^A_Z X$$0
où $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z+1} Y + ^{\;\;0}_{-1} e$$6 est le nombre initial de noyaux.
Exemples de demi-vies
| Isotope | $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z+1} Y + ^{\;\;0}_{-1} e$$7 | Application |
|---|---|---|
| $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z+1} Y + ^{\;\;0}_{-1} e$$8 | $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z+1} Y + ^{\;\;0}_{-1} e$$9 ans | Datation archéologique |
| $$^{14}_{\;6} C \longrightarrow ^{14}_{\;7} N + ^{\;\;0}_{-1} e$$0 (iode 131) | $$^{14}_{\;6} C \longrightarrow ^{14}_{\;7} N + ^{\;\;0}_{-1} e$$1 jours | Traitement de la thyroïde |
| $$^{14}_{\;6} C \longrightarrow ^{14}_{\;7} N + ^{\;\;0}_{-1} e$$2 | $$^{14}_{\;6} C \longrightarrow ^{14}_{\;7} N + ^{\;\;0}_{-1} e$$3 ans | Datation géologique |
| $$^{14}_{\;6} C \longrightarrow ^{14}_{\;7} N + ^{\;\;0}_{-1} e$$4 (radon 222) | $$^{14}_{\;6} C \longrightarrow ^{14}_{\;7} N + ^{\;\;0}_{-1} e$$5 jours | Risque sanitaire (gaz naturel) |
Remarque : après $$^{14}_{\;6} C \longrightarrow ^{14}_{\;7} N + ^{\;\;0}_{-1} e$$6 demi-vies, il reste $$^{14}_{\;6} C \longrightarrow ^{14}_{\;7} N + ^{\;\;0}_{-1} e$$7 noyaux radioactifs. Après environ 10 demi-vies, l'activité est divisée par $$^{14}_{\;6} C \longrightarrow ^{14}_{\;7} N + ^{\;\;0}_{-1} e$$8, et on considère que l'échantillon est pratiquement inactif.
L'essentiel à retenir
- Le noyau $$^{14}_{\;6} C \longrightarrow ^{14}_{\;7} N + ^{\;\;0}_{-1} e$$9 contient $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z-1} Y + ^{0}_{1} e$$0 protons et $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z-1} Y + ^{0}_{1} e$$1 neutrons.
- Des isotopes ont le même $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z-1} Y + ^{0}_{1} e$$2 mais un $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z-1} Y + ^{0}_{1} e$$3 différent.
- Un noyau instable se désintègre par radioactivité : $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z-1} Y + ^{0}_{1} e$$4, $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z-1} Y + ^{0}_{1} e$$5 ou $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z-1} Y + ^{0}_{1} e$$6.
- Les lois de Soddy imposent la conservation de $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z-1} Y + ^{0}_{1} e$$7 et de $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z-1} Y + ^{0}_{1} e$$8.
- La demi-vie $$^A_Z X \longrightarrow ^{\;\;A}_{Z-1} Y + ^{0}_{1} e$$9 est le temps pour que la moitié des noyaux se désintègrent.