cours - I et II -

Madeleine Frédéric

Description

Physique – Chapitre 5 -LA RADIOACTIVITEI. Les noyaux atomiques et leur stabilité 1°) La composition des noyaux.AXa- Notation .ZLe noyau d’un atome est constitué de nucléons qui sont :- 19 - des protons, chargés positivement ( leur charge électrique vaut + e = + 1,6.10 C )- et des neutrons, électriquement neutres ( pas de charge électrique )Le noyau d’un atome se note AXZavec :- X : le symbole de l’élément chimique de numéro atomique Z- A : le nombre de nucléons ( appelé nombre de masse)- Z : le nombre de protons ( appelé numéro atomique). Le nombre N de neutrons de ce noyau est : N = A – Z.b- Isotopie.Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z :les noyaux d’atomes ou d’ions monoatomiques d’un même élément chimiquecomportent le même nombre de protons.On appelle isotopes des noyaux d’un même élément chimique qui comportent le mêmenombre Z de protons et qui diffèrent par le nombre de neutrons (et donc de nucléons A ).Remarque : On appelle nucléide l'ensemble des noyaux de même numéro atomique Z et de même nombre de masse A. 2°) La stabilité des noyaux.La cohésion d'un noyau est due à une interaction qui s'exerce entre les nucléons.Cette interaction, forte et attractive,est plus intense que l'interaction électrique répulsive qui s'exerce entre les protons.Les noyaux de plus de 100 éléments chimiques connus actuellement sont répertoriés dansun diagramme (N, Z) donnant Z en fonction de N ( ...

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• Langue: Français

Extrait

Physique – Chapitre 5 -

I.

Les noyaux atomiques et leur stabilité

1°)

La composition des noyaux.

a-

Notation

X

A

Z

.

Le noyau d’un atome est constitué de

nucléons

qui sont :

-

des

protons

, chargés positivement ( leur charge électrique

vaut

+ e = + 1,6.10

- 19

C

)

-

et des

neutrons

, électriquement neutres ( pas de charge électrique )

Le

noyau d’un atome

se note

avec :

-

X

: le symbole de l’élément chimique de numéro atomique Z

-

A

: le nombre de nucléons ( appelé

nombre de masse

)

-

Z

:

le nombre de protons ( appelé

numéro atomique

).

Le nombre N de neutrons de ce noyau est :

N = A – Z

.

b-

Isotopie.

Remarque :

On appelle

nucléide

l'ensemble des noyaux

de même numéro atomique Z et de même nombre de masse A.

X

A

Z

Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z :

les noyaux d’atomes ou d’ions monoatomiques d’un même élément chimique

comportent le même nombre de protons.

On appelle

isotopes

des

noyaux d’un même élément chimique

qui comportent le

même

nombre Z de protons

et qui

diffèrent par le nombre de neutrons

(et donc de nucléons A ).

LA

RADIOACTIVITE

2°)

La stabilité des noyaux.

La cohésion d'un noyau est due à une interaction qui s'exerce entre les nucléons.

Cette interaction, forte et attractive,

est plus intense que l'interaction électrique répulsive qui s'exerce entre les protons.

Les noyaux de plus de 100 éléments chimiques connus actuellement sont répertoriés dans

un

diagramme (N, Z) donnant Z en fonction de N

( voir le diagramme ci-dessous ) :

1-

chaque noyau y est représenté par un point

2-

l'ensemble des points représentatifs

des

noyaux stables

constitue "

la vallée de stabilité

"

-

pour les noyaux légers ( Z < 20 )

,

ce domaine se situe très près de la première bissectrice

Z = N.

-

pour les noyaux plus lourds, ce domaine s'écarte de la première bissectrice,

avec N > Z.

3-

les noyaux dont les points représentatifs sont

en dehors de la vallée de stabilité

sont

instables

( leur étude sera développée à partir du paragraphe II ) .

Remarque :

Attention : le livre, page 81, vous présente le diagramme (Z, N) ).

II. La radioactivité

1°)

La découverte de la radioactivité

Recherche documentaire

2°)

Définition d’un noyau radioactif

3°)

Quelques propriétés des désintégrations

Les désintégrations radioactives sont :

-

spontanées

: elles ont lieu sans intervention extérieure

-

indépendantes des conditions de pression et de température

-

aléatoires

( TP Physique N°4 ) :

la date à laquelle une désintégration a lieu n’est pas prévisible

4°)

Les lois de conservation

Application :

Pour un noyau père

X

A

Z

qui se désintègre en donnant un noyau fils

Y

'

A

'

Z

et en émettant une particule

p

a

z

:

- la conservation du nombre de nucléons donne l’égalité :

A = A’ +

a

- et la conservation de la charge électrique donne l’égalité :

Z =

Z ’ + z

Remarque :

Ces lois se nomment aussi «

lois de Soddy » ,

du nom du physicien britannique Frederick Soddy

Un noyau radioactif est un

noyau atomique instable

qui

se désintègre spontanément

:

-

en donnant un

noyau plus stable, d’un élément chimique différent

et

-

en émettant

une particule

(

α

,

β

–

ou

β

+

) et, généralement,

un rayonnement

γ

Au cours d’une transformation nucléaire, il y a :

conservation du nombre de nucléons

et conservation de la charge électrique.

5°)

Radioactivité

α

,

β

–

ou

β

+

,

émission

γ

et équations des réactions nucléaires.

A une transformation nucléaire qui met en jeu des noyaux atomiques est associée

une réaction nucléaire dont l’équation prend en compte les lois de conservation.

a-

La radioactivité

α

La radioactivité

α

est caractéristique des

noyaux lourds

( principalement,

les noyaux caractérisés par A > 200 et Z > 82 )

qui comportent trop de nucléons.

La particule émise

, appelée

particule

α

, est un

noyau d’hélium

He

4

2

( chargé positivement ).

L’équation d’une réaction nucléaire pour une émission

α

s’écrit :

Z’ = Z

– 2

:

dans la classification périodique des éléments, l’élément chimique Y

du noyau fils se situe

deux cases avant

celle de l’élément chimique X du noyau père.

Dans le diagramme (N,Z), les noyaux pères, radioactifs

α

,

se situent principalement au bout de la vallée de stabilité ( cf annexe )

Exemple :

la désintégration du radium ( Pierre et Marie Curie – 1898 – )

Ra

226

88

Rn

222

86

+

He

4

2

Ra et Rn sont respectivement les symboles des éléments chimiques radium et radon.

b-

La radioactivité

β

–

La radioactivité

β

–

est caractéristique des

noyaux trop riches en neutrons

.

La particule émise

, appelée

particule

β

–

, est

un électron

e

0

1

-

( chargé négativement ).

X

A

Z

Y

4

-

A

2

-

Z

+

He

4

2

L’équation d’une réaction nucléaire pour une émission

β

–

s’écrit :

Z’ = Z

+ 1

: dans la classification périodique des éléments, l’élément chimique Y

du noyau fils se situe

une case après

celle de l’élément chimique X du noyau père.

Dans le diagramme (N,Z), les noyaux pères, radioactifs

β

–

,

se situent au-dessous de la vallée de stabilité ( cf annexe )

Origine de l’électron émis :

avec

A’ = A

:

N’ + Z’ = N + Z

et

Z’ = Z + 1

:

N’

= N + Z - Z’ = N + Z – Z –1 =

N – 1

-

un neutron, noté

n

1

0

,

du noyau père se transforme en un proton, noté

p

1

1

,

en émettant un électron

, selon l’équation :

n

1

0

p

1

1

+

e

0

1

-

-

l’électron émis ne provient pas du cortège électronique de l’atome.

Exemple : la désintégration du carbone 14

C

14

6

N

14

7

+

e

0

1

-

c-

La radioactivité

β

+

La radioactivité

β

+

est caractéristique des

noyaux

trop riches en protons

.

La particule émise

, appelée

particule

β

+

, est

un positon

( ou

positron

) ,

e

0

1

+

( chargé positivement ). Il est l’antiparticule de l’électron : il possède la même masse que

l’électron mais présente une charge électrique opposée à celle de l’électron.

X

A

Z

Y

A

1

Z

+

+

e

0

1

-

L’équation d’une réaction nucléaire pour une émission

β

+

s’écrit :

Z’ = Z

– 1

: dans la classification périodique des éléments, l’élément chimique Y

du noyau fils se situe

une case avant

celle de l’élément chimique X du noyau père.

Dans le diagramme (N,Z), les noyaux pères, radioactifs

β

+

,

se situent au-dessus de la vallée de stabilité ( cf annexe )

Origine du positon émis :

avec

A’ = A

:

N’ + Z’ = N + Z

et

Z’ = Z - 1

:

N’

= N + Z - Z’ = N + Z –Z +1 =

N + 1

un proton,

p

1

1

,

du noyau père se transforme en un neutron,

n

1

0

,

en émettant un positon

, selon l’équation :

p

1

1

n

1

0

+

e

0

1

+

Exemple : la désintégration du phosphore 30 ( Irène et Frédéric Joliot-Curie – 1934 - )

P

30

15

Si

30

14

+

e

0

1

+

d-

L’émission

γ

Le rayonnement

γ

est une onde de même nature que celle de la lumière

( c’est-à-dire une onde électromagnétique ).

Par l’une des 3 désintégrations

α

,

β

–

ou

β

+

, le noyau est généralement obtenu dans un

état de grande énergie, un état instable appelé état excité ;

un astérisque, * ,

est ajouté, en haut à droite, de sa notation.

X

A

Z

Y

A

1

-

Z

+

e

0

1

+

X

A

Z

*

Y

'

A

'

Z

+

p

a

z

Quand le noyau fils passe d’un état excité à un état stable de plus basse énergie,

appelé état fondamental, il perd de l’énergie en émettant un rayonnement

γ

,

ce qui s’écrit :

L’émission, ou désexcitation,

γ

accompagne généralement la radioactivité

α

,

β

–

ou

β

+

.

6°)

Remarques.

-

On peut trouver le

terme « rayonnement »

α

,

β

–

ou

β

+

pour désigner

une émission de particules

α

,

β

–

ou

β

+

.

-

Pour assurer la conservation de l’énergie :

-

au cours d’une désintégration

β

–

, un antineutrino, noté

ν

,

est émis simultanément à l’électron ;

-

au cours d’une désintégration

β

+

, un neutrino, noté

ν

,

est émis simultanément au positon.

Neutrino et antineutrino sont des particules sans charge et sans masse.

Cette année, leur écriture dans les équations est sous-entendue.

*

Y

'

A

'

Z

Y

'

A

'

Z

+

γ

ANNEXE A COMPLETER