Syllabus Physique: L’Atome v6.1 PDF

Syllabus Physique L’atome version 6.1, novembre 2024 Bachelier Bloc 1 Pr D. Doumont  Table des matières L’ATOME............................................................................................................................

Syllabus Physique L’atome version 6.1, novembre 2024 Bachelier Bloc 1 Pr D. Doumont  Table des matières L’ATOME...................................................................................................................................... 1 1. Éléments................................................................................................................................3 2. L’atome................................................................................................................................. 3 3. Atome et vide........................................................................................................................ 4 4. Forces atomiques..................................................................................................................6 5. Isotopes................................................................................................................................. 8 6. Unité de masse atomique....................................................................................................11 7. Unités d’énergie.................................................................................................................. 11 8. Loi de conservation de l’énergie totale...............................................................................13 9. Nombres quantiques........................................................................................................... 15 10. Tableau périodique des éléments de Mendeleïev..............................................................15 11. Désintégrations radioactives.............................................................................................15 12. Équivalence masse-énergie et énergie de liaison..............................................................21 13. Réactions nucléaires......................................................................................................... 21 14. Dosimétrie.........................................................................................................................22 15. Historique..........................................................................................................................23 QUESTIONS DE CONNAISSANCE........................................................................................24 1. Questions ouvertes.............................................................................................................. 24 2. Questions à choix multiples................................................................................................ 26 EXERCICES............................................................................................................................... 34 BIBLIOGRAPHIE......................................................................................................................35 Licence © Denis J. G. Doumont, 2024 – [email protected] Cette œuvre, création, site ou texte est sous licence Creative Commons Attribution – Pas d’Utilisation Commerciale – Partage dans les Mêmes Conditions 4.0 International. Pour accéder à une copie de cette licence, merci de vous rendre à l’adresse suivante http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0 This document by Denis J. G. Doumont is licensed under CC BY-NC-SA 4.0. To view a copy of this licence, visit https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0 En bref, vous êtes autorisé à diffuser et à modifier cette œuvre ; vous n’êtes pas autorisé à vous en attribuer la pater- nité ni à en faire un usage commercial ; vous êtes obligé de la partager dans les mêmes conditions. HELHa > Physique > Atome v6.1 3 1. Éléments Toute la matière est composée d’entités simples appelées éléments. Il y a 90 éléments naturels comprenant 1 à 92 protons. Ils se combinent de diverses Voir la définition de proton façons pour former tous les minéraux et organismes vivants. Un élément est plus loin. une substance pure qui ne peut pas être décomposée par des moyens chi- miques en une entité plus simple. Le carbone est l’élément constitutif de la vie. Le technétium (symbole Tc) avec 43 protons et le prométhéum (Pm) avec 61 protons n’existent pas à l’état naturel. Ils peuvent être créés artificielle- ment, ainsi que d’autres éléments chimiques comprenant plus de 92 protons, comme par exemple le plutonium (Pu) avec 94 protons. 2. L’atome Chaque élément est constitué d’un nombre gigantesque d’entités minuscules Le mot atome vient du grec et identiques appelées atomes. Ainsi, l’oxygène ne contient que des atomes atomos, « qui ne peut être d’oxygène. Un atome correspond à la plus petite entité en laquelle un élé- coupé ». ment peut être divisé tout en conservant ses propriétés. Cependant, l’atome est lui-même un assemblage d’entités encore plus pe- Vidéo** 4 min, e-profs, Composition de l’atome – tites, des particules subatomiques. L’atome est constitué d’un noyau central Ecriture symbolique représenté comme une sphère et composé de protons (notés p+) et de neu- trons (notés n0), entouré par un cortège d’électrons (notés e–) gravitant au- tour de lui. Voici ci-dessous une représentation de l’atome du carbone, constitué de six protons, six neutrons et six électrons. Illustration non à l'échelle (tailles des éléments et distances). Toute la chimie organique repose sur l’élément carbone. Il existe beaucoup d’atomes différents, mais ils sont tous formés de protons, neutrons et électrons identiques. La taille d’un atome est d’environ 0,1 nm = 10–10 m = 1 Å. L’ångström (Å) est une unité ◦ Sur un centimètre, on peut aligner cent millions d’atomes. de longueur valant 0,1 La taille du noyau est d’environ 1 fm = 10–15 m. nanomètre, encore souvent utilisée mais pas « officielle ». ◦ Le noyau est donc cent mille fois plus petit que l’atome avec son nuage d’électrons. La masse du proton est mp ≈ 1,673. 10–27 kg. La masse du neutron est mn ≈ 1,675. 10–27 kg. ◦ La masse du neutron est très proche de celle du proton. Le neutron est environ 0,14 % plus lourd que le proton. La masse de l’électron est me ≈ 9,109. 10–31 kg. ◦ La masse de l’électron est 1836 fois plus petite que celle de du pro- ton. Donc, la masse de l’atome est quasiment concentrée dans le noyau. Les électrons sont répartis autour du noyau dans des niveaux d’énergie HELHa > Physique > Atome v6.1 4 distincts appelés orbitales. Un proton a une charge électrique positive qp ≈ 1,602. 10–19 C et un élec- Le symbole « C » représente tron a une charge négative qp ≈ –1,602. 10–19 C égale à celle du proton l’unité de charge électrique, le en valeur absolue. Un neutron a une charge électrique nulle. Coulomb, en hommage au ◦ Le nombre de protons, noté Z, est le même que le nombre d’élec- physicien français Charles- trons : un atome a donc une charge électrique totale nulle. Augustin Coulomb (1736– 1806). C’est le nombre de protons qui détermine la nature de l’élément correspon- dant à l’atome. Par exemple, l’hydrogène a toujours un proton dans chacun de ses atomes, le carbone six protons et l’oxygène huit protons. Ce nombre de protons est appelé numéro atomique. Les atomes des éléments légers contiennent généralement un nombre égal de protons et de neutrons. Les élé- ments plus lourds ont tendance à posséder plus de neutrons que de protons. L’atome d’hydrogène est le seul à ne posséder aucun neutron. A X symbole de l’élément Z XN A Z nombre atomique ou nombre de masse : A=N + Z numéro atomique = nombre de protons N nombre de neutrons : N =A−Z On utilise le terme nucléons pour désigner de manière générale composants du noyau atomique, c.-à-d. les protons et les neutrons. Le nombre de masse A représente donc le nombre de nucléons de l’atome. Voici quelques exemples de répartition des particules subatomiques. Nom de Symbole Nombre de Nombre de Nombre l’élément complet protons (Z) neutrons (N) d’électrons (Z) 1 Hydrogène 1 H 1 0 1 2 Deutérium 1 H 1 1 1 11 Bore 5 B 5 6 5 12 Carbone 6 C 6 6 6 13 Carbone 6 C 6 7 6 14 Carbone 6 C 6 8 6 Un ion est un atome ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons ; il n’est donc pas électriquement neutre. Un cation est un ion chargé positivement (il a perdu un ou plusieurs électrons, un anion est un ion chargé négativement (il a gagné un ou plusieurs électrons). 3. Atome et vide Puisque le noyau a une taille approximative de 10 –15 m et l’atome de 10–10 m, r noyau 10−15 on peut dire que le noyau est cent mille fois plus petit que l’atome. Suppo- = =10−5 r atome 10−10 sons une maquette d’un atome ayant un diamètre de 100 m ; alors le noyau a la taille d’une bille de 1 mm de diamètre au centre de la maquette ! Autre Le rayon moyen de la Terre est métaphore : si un considère qu’un atome a la taille de la Terre, alors son 6 371 km. noyau est une sphère de diamètre 63 m. La matière est en fait constituée de 99,9999999999999 % de vide (13 déci- males) ! Il faut bien comprendre que toutes les illustrations d’atomes dans ce syllabus ne sont pas à l’échelle. Les électrons sont en effet représentés beau- coup trop près. HELHa > Physique > Atome v6.1 5 Soit une bouteille d’eau d’un litre. La masse volumique de l’eau vaut 1 000 Rapport des volumes : kg/m³. Si on enlève tout les espaces vides, alors la masse volumique de la V mat −5 3 =( 10 ) =10 −15 bouteille devient égale à la masse volumique des noyaux atomiques, soit en- V tot viron 2,3. 1017 kg/m³ ; son volume devient 4,3. 10–12 cm³, soit V vide V tot −V mat 0,000 000 000 0043 mL, soit 4,3 millionième de milliardième de millilitre ! ⇒ = Ce raisonnement est valable pour tous les corps massiques, même les hu- V tot V tot mains. Si on enlevait tout le vide des atomes qui nous constitue, l’ensemble V =1− mat =1−10−15 de l’humanité tiendrait dans un dé à coudre. V tot Est-il impossible d’enlever tout le vide des atomes ? Dans l’avant-dernière ⏟ =0 , 99. ⏟%..9 =99 , 9...9 phase de vie d’une étoile, la matière se condense au point d’atteindre la den- 15 13 sité du noyau des atomes. On appelle ce type d’étoiles des naines blanches. Sirius B est une naine blanche visible comme un Comparaison entre la naine blanche IK Pegasi B (au petit point en bas à gauche de Sirius A, beau- centre), son compagnon de classe A, IK Pegasi A (à coup plus brillante. Photographie prise le 15 oc- gauche) et le Soleil (à droite). Cette naine blanche a une tobre 2003 par le télescope spatial Hubble. température à la surface de 35 500 K. m Détails des calculs. La masse volumique (kg/m³) est par définition ρ= V , où m est la masse (kg) et V le volume (m³). Pour la bouteille d’eau sans vide : m 1 V= ρ = =4,3. 10−18 m 3=4,3. 10−12 cm 3 2,3.10 17 Pour l’humanité, on considère 8 milliards d’humains de masse de masse moyenne 60 kg : 9 m 8. 10. 60 V= ρ = =2,1.10−6 m 3 =2,1 cm 3≈ 2 mL 2,3. 1017 Exercice. Calculez le rayon de la Terre sans vide entre atomes. La masse de 4 la Terre est 5,97. 1024 kg. Le volume d’une sphère est V = π r 3. 3 √ m √ √ √ 3 V 3 3 ρ 3 3 m 3 3. 5,97. 10 24 3 r= = = = =183,7 m 4π 4π 4πρ 4 π. 2,3. 10 17 HELHa > Physique > Atome v6.1 6 4. Forces atomiques Les atomes sont donc essentiellement du vide, d’après les volumes des noyaux et des atomes. Alors pourquoi nous semble-t-elle solide ? N’y a-t-il rien d’autre ? Parlons de la célèbre expérience de Rutherford, dite « de la feuille d’or », Cette expérience a en réalité été en 1909. Elle consiste à bombarder une très fine feuille d’or (de 600 nm menée par deux étudiants d’épaisseur) de particules α (alpha). Une particule α est constituée de deux d’Ernest Rutherfod, Hans Geiger protons et deux neutrons, soit l’équivalent d’un noyau d’hélium. Presque et Ernest Marsden, mais elle est toutes les particules traversent la feuille d’or, sauf 0,01 % d’entre elles dé- souvent appelée expérience de viées sur de grands angles. Rutherford. Ce dernier résultat bouleverse Rutherford, qui écrit : « C’était comme si vous tiriez un obus de quinze pouces sur une mince feuille de papier de soie, qu’il Calibre 15 pouces = 38,1 cm rebondissait et vous revenait dans la figure. » (diamètre maximal de l’obus) Après plus d’un an de réflexion, Rutherford fournit une explication sur le modèle atomique. La charge électrique de l’atome se trouve dans un noyau massif et compact, qui concentre presque toute la masse de l’atome mais n’occupe qu’une place minuscule (une centaine de millionième de millio- nième de son volume total). L’atome est donc vide à quasi 100 %, ce qui ex- plique pourquoi presque toutes les particules α traversent la feuille d’or. Qu’en est-il des particules α qui rebondissent ? Rutherford put déterminer que la particule alpha s’approchait jusqu’à 10–14 m du centre de l’atome (soit un dix millième du rayon de l’atome) avant de rebondir. Ceci suggère que la charge positive des atomes est concentrée dans leur centre, au noyau. En ef- fet, les particules α sont électriquement positives ; celles sur la trajectoire des noyaux sont repoussées par eux selon des forces électromagnétiques (des charges de même signe se repoussent). En résumé, la matière n’est pratiquement que du vide, mais cela n’est que le point de vue des particules. Le volume intérieur des atomes est rempli de champs de forces électriques et magnétiques. Ce sont ces forces qui as- surent la solidité de la matière. Trois types de forces jouent un rôle important dans les noyaux. HELHa > Physique > Atome v6.1 7 4.1. Force forte La force forte est responsable de la cohésion des particules composées de quarks, et indirectement de la cohésion des noyaux atomiques. Sans elle, les noyaux atomiques ne seraient pas stables. En effet, les noyaux sont compo- sés de protons (électriquement positifs) et de neutrons (électriquement neutres). Les protons se repoussent entre eux, donc sans l’interaction forte, les noyaux se dissocieraient. C’est une force très intense et à courte portée (2,5 fm, soit 2,5. 10 –15 m, soit quelques diamètres de noyaux) agissant entre les nucléons. C’est la plus puissante des quatre forces ; elle est environ cent fois plus intense que la force électromagnétique à distance égale. 4.2. Force électromagnétique La force électromagnétique fait se repousser deux charges électriques de La force électromagnétique est même signe (comme les protons) et s’attirer deux charges électriques de inversement proportionnelle au signes opposés (comme un électron et un noyau) ; elle fait se repousser deux carré de la distance. Ainsi, si la aimants de même pôle (nord-nord ou sud-sud) et s’attirer deux aimants de distance entre deux charges pôles opposés (nord-sud) ; elle fait s’attirer certains matériaux dits ferroma- électriques doubles, la force gnétiques et des aimants. Elle est donc attractive ou répulsive. électrique est quatre fois plus Voici l’expression de la force électrique entre deux charges q1 et q2 : faible. La distance entre charges joue donc un grand rôle. |q1 a 2| d F E =k C −⃗ 2 F ⃗ F d q1 q2 où kC ≈ 9. 109 N m2 C2 est la constante électrostatique Notez la similitude remarquable entre les formules de force électrique entre deux charges et force de gravitation entre deux masses. La force électromagnétique est responsable de la plupart des phénomènes quotidiens : électricité et magnétisme, lumière, photosynthèse, réactions chi- miques,… Elle sous-tend les propriétés chimiques des atomes. Elle est plus faible que la force forte, mais devient plus importante à mesure que le nombre de protons augmente dans le noyau. Sa portée est en théorie infinie, mais la force électromagnétique diminue rapidement lorsque la distance aug- mente ; de plus, les charges positives et négatives tendent à se neutraliser. 4.3. Force faible La force faible est responsable de la désintégration radioactive de particules subatomiques (l’effet le plus connu est la radioactivité β) et est à l’origine de la fusion nucléaire dans les étoiles (leur mode de production d’énergie). Elle est beaucoup plus faible que la force forte et la force électromagné- tique ; elle est environ dix mille fois plus faible que la force électromagné- tique. Sa portée est extrêmement faible, environ 10 –17 m, soit cent fois moins que l’interaction forte. 4.4. Force gravitationnelle La force gravitationnelle est une force attractive s'exerçant entre les parti- cules massives. Comme l’interaction électromagnétique, sa portée est infinie mais son intensité diminue rapidement lorsque la distance augmente. C’est de très loin la plus faible des quatre forces. Elle est 10 39 fois plus faible que la force forte (c’est-à-dire mille milliards de milliards de milliards de mil- liards de fois plus faible). Elle est trop faible au niveau atomique pour y être prise en compte. HELHa > Physique > Atome v6.1 8 m1 m2 m1 ⃗ F −⃗ F F =G 2 m2 d d où G = 6,67. 10–11 m3 kg–1 s–2 est la constante universelle de gravitation La force gravitationnelle explique la chute des corps sur Terre ainsi que les Au niveau macroscopique, c’est mouvements stellaires et planétaires. la force que nous ressentons le Soit un corps de masse m à la surface de la Terre. Il subit une force gravita- plus, car la masse de la Terre est tionnelle égale à gigantesque et nous attire. Mais même si on se casse une jambe, mT m on ne se casse jamais un atome, F =G 2 rT et encore moins un noyau. où mT est la masse de la Terre (5,972. 1024 kg) et rT son rayon moyen (6 371 km). Selon la deuxième loi de Newton, on peut aussi écrire : F = ma. Dès lors, G mT 6 ,67. 10− 11. 5,972. 10 24 2 a= 2 = 2 = 9 ,81 m/s r T 6 371 000 Tout corps à la surface de la Terre subit une force gravitationnelle appelée force poids, dirigée vers le centre de la Terre et égale à la masse du corps multipliée par une accélération dite de gravité égale à 9,81 m/s2. La force poids s’écrit donc : ⃗ FP= m ⃗ g où g = 9 ,81 m/s2 4.5. Intensités comparées des forces La force forte est environ cent fois plus grande que la force électromagné- tique, elle-même dix mille fois plus grande que la force faible, elle-même 1033 fois (soit un million de milliards de milliards de milliards de fois) plus grande que la force gravitationnelle. Schématiquement : force forte > force électromagnétique >> force faible >>> force gravitationnelle 5. Isotopes 5.1. Définition Des isotopes sont des noyaux de même nombre atomique Z ayant un nombre de neutrons (N) différents. Le nombre d’électrons reste inchangé, ils ont donc les mêmes propriétés chimiques. Voici par exemple les isotopes de l’hydrogène et du carbone : p e p e p e Les trois isotopes de l’hydrogène sont tellement n n n différents entre eux et tellement importants qu’on leur a donné des noms distincts. 1 2 3 H H H Le protium est le plus abondant 1 1 1 (99,985 %), le deutérium est rare (0,015 %) et le tritium radioactif Protium Deuterium Tritium est rarissime. HELHa > Physique > Atome v6.1 9 Les propriétés chimiques d’un atome dépendent uniquement du nombre et de la disposition des électrons dans son nuage. Donc, tous les isotopes d’un même élément ont les mêmes propriétés chimiques. Cependant, la légère dif- férence de masse de leur noyau fait que les propriétés physiques sont légère- ment différentes. Par analogie avec les fruits : pomme ← élément jonagold, boskoop, Grany Smith,… ← isotopes. A 12 14 Les isotopes sont notés par le symbole Z X , par exemple 6 C et 6 C. Sou- vent, on omet d’écrire le numéro atomique Z car il est identique à celui de 12 14 l’élément de base : C et C. Les isotopes de l’hydrogène sont notés 1 2 3 1 2 3 1 H , 1 H et 1 H ou H , H et H , mais on admet aussi l’usage des symboles D et T pour le deutérium et le tritium. HELHa > Physique > Atome v6.1 10 5.2. Diagramme Z-N La figure ci-dessous est un diagramme Z-N des isotopes. La droite tracée est N = Z, l’ensemble des points où le nombre de neutrons égale le nombre de protons. Environ 280 isotopes des éléments naturels sont stables, environ 1 200 autres (naturels et artificiels) sont radioactifs et éphémères. La vallée de la stabilité Un noyau stable est un noyau ayant (en noir) représente les noyaux stables. Au-delà de vingt protons, un noyau une demi-vie au moins égale à 1012 doit avoir plus de neutrons que de protons pour être stable. (mille milliards) années. Tous les noyaux au-delà de 83 protons (Z > 83) sont instables : ils se trans- forment par désintégration α ou β+ (voir plus loin). Tous les éléments au-delà de l’uranium (à partir de Z = 93) sont produits de manière artificielle et sont radioactifs. Quelques éléments ont plus d’une douzaine d’isotopes connus, tels le xénon et l’iode. 5.3. Radio-isotopes L’utilisation de radio-isotopes a permis d’énormes progrès en médecine nu- cléaire, et dans le cadre du diagnostic et dans le cadre de la thérapie. La large gamme de molécules marquées par radio-isotopes permet de choisir la plus appropriée pour l’organe ciblé. Par exemple, la tomographie par émission de positrons (TEP ou PET en anglais) a apporté des avancées notables dans l’étude du cerveau et des maladies cérébrales, sans traumatismes pour le pa- tient. Ou encore, les curiethérapies permettent des traitements ciblés de cer- HELHa > Physique > Atome v6.1 11 taines formes de cancer par irradiation. Complément : le fluor-18. Le fluor-18 est produit au moyen d’un cyclotron. Plusieurs réactions nucléaires permettent de le produire. La plus utilisée est le bombardement de protons d’énergie élevée (plus de 16 MeV) sur une cible 18 1 18 1 constituée d’eau enrichie en oxygène-18 : 8O+ 1p → 9F + 0 n. Cette réaction produit de l’ion fluorure en solution dans l’eau enrichie, qu’on récupère sur résine après piégeage. Une autre réaction de production est le bombardement de deutons d’énergie 20 2 18 4 supérieure à 8 MeV sur une cible constituée de néon-20 : 10 Ne + 1 D → 9F + 2α. Le fluor-18 est très utilisé en médecine nucléaire. 6. Unité de masse atomique On peut s’imaginer l’extrême petitesse d’un atome de carbone lorsqu’on se 6,02. 1023 atomes représentent rend compte que 12 g de carbone contiennent 6,022. 1023 atomes (nombre 602 mille milliards de milliards d’Avogadro). Un atome a une masse trop petite pour être concevable par d’atomes. notre esprit. Il est plus commode de se référer à la masse de 6,022. 10 23 atomes d’un élément, ce qu’on appelle la masse atomique de cet élément. En effet, la masse de 6,022. 1023 atomes de carbone est 12 g. Il est plus com- mode encore de comparer la masse atomique d’un élément à un douzième de la masse atomique du carbone : on appelle la valeur obtenue la masse ato- mique relative (Ar). Par exemple, la masse atomique relative du carbone vaut 12 (sans unités), celle de l’hydrogène vaut 1 et celle de l’oxygène vaut 16. Une quantité de 6. 1023 atomes est appelée une mole d’atomes (symbole : mol). La mole est l’unité de quantité de matière utilisée en chimie. Plus exactement, l’unité de masse atomique (u.m.a.) a été définie jusqu’en En biochimie, on utilise comme 2019 comme un douzième de la masse du noyau de l’isotope 12C, soit unité de masse le Dalton (Da) ou 1 u. m. a. = 1,660 538 921. 10–27 kg. son multiple kDa : En 2019, le nombre d’Avogadro a été fixé exactement à : 1 Da = 1 u.m.a. Un dalton vaut à peu près la N A=6,022 140 76.1023 mol−1. masse d’un atome d’hydrogène. L’unité de masse atomique a été redéfinie en fonction de ce nombre. On parle désormais d’unité de masse atomique unifiée, notée « u » : 1 1 u= ≈1,660 539066 60.10−27 kg. 1 000 N A 7. Unités d’énergie 7.1. Joule Il est nécessaire à présent de définir les unités d’énergie. L’unité d’énergie dans le Système International (SI) est le Joule (symbole J). Le joule est le travail produit par une force motrice d’un newton dont le point d’application se déplace d’un mètre dans la direction de la force : 1 J = 1 N. 1 m. 7.2. Électron-volt Au niveau atomique, les énergies en jeu sont tellement petites par rapport au joule qu’on préfère utiliser l’électronvolt (symbole eV, unité hors SI). Un Le concept de différence de électronvolt est l’énergie cinétique acquise par un électron accéléré dans le potentiel est expliqué dans le vide depuis le repos par une différence de potentiel d’un volt : chapitre sur l’électricité. HELHa > Physique > Atome v6.1 12 E p =q U ⇒ 1 eV≈1,602.10−19 C.1 V=1,602.10−19 J. Comme il s’agit d’une unité très petite, ses multiples sont souvent utilisés : kilo-électronvolt (keV), méga-électronvolt (MeV), giga-électronvolt (GeV). L’intérêt de cette unité est de pouvoir déterminer tout de suite l’énergie des La tension électrique est un électrons depuis la valeur de la tension. Par exemple, des électrons accélérés synonyme de différence de par une tension de 10 000 V ont une énergie cinétique de 10 000 eV, ou potentiel. 10 keV. 7.3. Kilowatt-heure Au niveau domestique, on utilise le kilowatt-heure (symbole kWh). Un kWh vaut 3,6 millions de joules ou 3,6 mégajoules : 6 1 kWh=1 000 W. 1 h=1000 W. 3 600 s=3 600 000 J=3 ,6. 10 J. Un kWh correspond à l’énergie consommée ou produite par un appareil de puissance mille watts pendant une heure. Le prix moyen du kWh TTC en Belgique en décembre 2023 est de 0,4350 € taxes comprises et en juin 2024 de 0,3354 € [src], l’un des plus chers d’Eu- rope et aussi un des plus variables puisqu’il a baissé de 23 % au cours des douze derniers mois. [src] Pour connaître l'énergie consommée par un appareil électrique, il faut multi- plier sa puissance (en kilowatts) par sa durée d'utilisation (en heures), si sa puissance est constante. Par exemple, un vélo électrique doté d’une batterie de 600 Wh (quantité d’énergie) et d’un moteur de 300 W (puissance) peut rouler au maximum deux heures avec l’assistance électrique. Son chargeur de 150 W permet de recharger la batterie en quatre heures. Exemple. Un ordinateur portable a une puissance de 75 W. On l’utilise 4 h par jour, 250 jours par an. Combien cela coûte-il ? Il consomme par jour : 75 W. 4h = 300 Wh. Il consomme par an : 300. 250 = 75 000 Wh = 75 kWh. Coût total annuel : 75. 0,3354 = 25,155 €. Exemple. Un sèche-linge de classe C a une puissance de 2 500 W. On l’uti- lise deux heures, deux fois par semaine. Quel est le coût annuel ? Il consomme par semaine : 2,5 kW. 4h = 10 kWh. Il consomme par an (50 semaines) : 10. 50 = 500 kWh. Coût total annuel : 500. 0,3354 = 167,70 €. Le séchoir est un des appareils domestiques les plus énergivores ! Voici un tableau de comparaison de la consommation électrique de séchoirs selon leur classe d’énergie, en considérant 160 utilisations par an et un coût de 0,34 € par kilowatt-heure dépensé. Classe Coût par utilisation Consommation par an Coût par an A+++ 0,37 € 175 kWh 59,50 € A++ 0,50 € 235 kWh 79,90 € A+ 0,66 € 309 kWh 105,06 € B 1,19 € 561 kWh 190,74 € C 1,23 € 577 kWh 196,18 € 7.4. Calorie Au niveau alimentaire, on utilise encore comme unité d’énergie la calorie (symbole cal, unité hors SI). Une calorie est censée représenter la quantité HELHa > Physique > Atome v6.1 13 d’énergie nécessaire pour élever de 1°C la température d’un gramme d’eau liquide : 1 cal = 4,18 J La calorie est une ancienne unité d’énergie définie par le scientifique Nicolas Clément en 1824. Elle représentait la quantité d’énergie nécessaire pour éle- ver de 1°C la température d’un kg d’eau liquide. Elle avait pour valeur : 1 cal = 4 184 J. La notion « moderne » de calorie a été introduite par les scientifiques Pierre-Antoine Favre et Jean Thiébault Silbermann en 1852. Sa valeur est mille fois plus petite que celle définie par Nicolas Clément. On parle parfois de grande calorie pour désigner la première définition de la ca- lorie et de petite calorie pour en désigner la définition actuelle. Remarquons que la définition de calorie est imprécise : élever l’eau de 1°C mais de quelle à quelle température ? sous quelle pression atmosphérique ? de l’eau dégazée, déminéralisée ?… Ainsi, la calorie à 4°C (de symbole cal 4) représente la quantité d’énergie nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau dégazée de 3,5°C à 4,5°C à pression atmosphérique standard (101325 Pa) et vaut 4,204 J ; la calorie à 15°C (cal 15) représente la quantité d’énergie nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau dégazée de 14,5°C à 15,5°C à pression atmosphérique standard et vaut 4,1855 ± 0,0005 J ; la calorie à 20°C (cal20) représente la quantité d’énergie nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau dégazée de 19,5°C à 20,5°C à pression atmosphérique standard et vaut 4,182 J. La calorie moyenne (cal moy) représente le centième de la quantité d’énergie nécessaire pour élever la tem- pérature d’un gramme d’eau dégazée entre 0°C et 100°C à pression atmo- sphérique standard et vaut 4,190 J. En thermochimie, on retient le coefficient de conversion suivant : 1 calth = 4,184 J. L’Union internationale des sciences de la nutrition retient quant à elle le coefficient de conversion suivant : 1 cal = 4,182 J. Voilà pourquoi nous avons retenu la valeur 4,18 J ci-dessus. Les apports en énergie conseillés par jour sont de 2 500 kcal pour les hommes et 2 000 kcal pour les femmes. Voici quelques valeurs de dépenses énergétiques : Dépense énergétique (kcal) Tâche par heure pour une personne de 60 kg de 80 kg Regarder la télévision 60 80 Marche calme 4 km/h 175 230 Marche soutenue 6 220 300 km/h Course à pied 9 km/h ~450 ~600 8. Loi de conservation de l’énergie totale Un concept fondamental pour la suite du cours est la loi de conservation de Un système isolé est un système l’énergie. C’est un principe physique selon lequel l’énergie totale d’un sys- qui échange ni matière ni énergie tème isolé est invariante au cours du temps. Donc, lors d’un phénomène phy- avec son environnement. Par sique, l’énergie totale initiale du système isolé est égale à l’énergie totale fi- exemple, un thermos. nale ; l’énergie passe d’une forme à l’autre, sans création ni disparition d’énergie. Ce principe est largement vérifié expérimentalement. Par exemple, une balle qui tombe (chute libre) possède initialement une énergie potentielle de pesanteur. En tombant, elle acquiert de la vitesse : son énergie potentielle devient graduellement de l’énergie cinétique (énergie de mouvement). Juste avant de toucher le sol, toute son énergie potentielle s’est transformée en énergie cinétique. HELHa > Physique > Atome v6.1 14 De même, le pendule simple oscille sous l’effet de la pesanteur. À tout mo- ment, son énergie cinétique se convertit en énergie potentielle ou inverse- ment. Un autre exemple est le barbecue : il transforme l’énergie fossile du charbon en énergie thermique (chaleur) pour cuire des aliments. Un autre exemple est la centrale nucléaire. Dans le réacteur nucléaire ont lieu des millions de fissions nucléaires par seconde, émettant une forte cha- leur. On fait passer de l’eau dans des canalisations à côté du réacteur : l’éner- gie thermique est alors convertie en énergie interne de pression gazeuse. On fait ensuite passer cette vapeur d’eau à très haute pression dans des turbines : Voir le chapitre sur l’électro- l’énergie de pression est convertie en énergie mécanique d’un axe rotatif. magnétisme pour comprendre Enfin, cette énergie mécanique est convertie en énergie électrique via un im- comment convertir de l’énergie mense alternateur. À chaque étape, il y a des pertes d’énergie. mécanique en énergie électrique. HELHa > Physique > Atome v6.1 15 9. Nombres quantiques Un atome présente des niveaux d’énergie correspondant à des états élec- Vidéo* 4 min, triques stationnaires. L’était de plus basse énergie est appelé état fondamen- e-profs, Configuration tal et il existe des états excités de plus haute énergie. électronique de l’atome La configuration électronique d’un atome est représentée par quatre nombres quantiques. Le nombre quantique principal n = 1, 2, 3,… détermine le niveau d’énergie et définit la couche occupée par les électrons. Le nombre quantique orbital l est lié à un moment angulaire et définit le type de sous-couche : 0≤l≤n−1 où l = 0, 1, 2, 3,… correspond aux sous-couches s, p, d, f,… Le moment magnétique m définit l’orientation de l’orbitale, avec −l≤m≤l. Le spin s définit l’orientation de l’électron dans un champ magnétique, 1 avec s=±. 2 Le principe d’exclusion de Pauli énonce que deux électrons de même orientation de spin ne peuvent pas occuper la même orbitale. 10. Tableau périodique des éléments de Mendeleïev Le chimiste russe Dmitri Mendeleïev (1834-1907) a classé les éléments en colonnes et lignes par ordre de masse atomique croissante. Les propriétés chimiques des atomes sont principalement dépendantes du nombre d’élec- trons sur la couche externe. Donc, les éléments d’une même colonne présentent des propriétés chimiques semblables les éléments d’une même ligne présentent le même nombre de couches électroniques occupées (même période du tableau) parcourir une ligne revient à remplir la couche électronique de façon à minimiser l’énergie totale de l’atome. 11. Désintégrations radioactives L’interaction nucléaire responsable de la cohésion des noyaux, ne peut pas Vidéo*** 5 min, Unisciel, compenser à l’infini la force électrique répulsive entre protons. Ainsi, lors- KEZAKO: Qu'est ce que la qu’il y a beaucoup de protons, les noyaux sont moins liés et deviennent in- radioactivité? stables. Ils se transforment par désintégration et désexcitation en émettant spontanément une ou plusieurs particules ou un rayonnement électro-magné- tique. C’est un phénomène physique naturel. La désintégration α consiste en l’émission d’une particule α composée 2 de deux protons et deux neutrons, soit un noyau d’hélium 4 He. La désintégration β+ consiste en l’émission de positrons et de neutrinos. La désintégration β– consiste en l’émission d’électrons et d’antineutri- nos. La désintégration γ consiste en l’émission de rayonnement électroma- gnétique de très haute énergie. HELHa > Physique > Atome v6.1 16 11.1. Demi-vie ou période La désintégration radioactive suit une loi de décroissance exponentielle en Vidéo*** 4 min, e-profs, fonction du temps : Radioactivité : Décroissance radioactive et demi-vie N (t )= N 0. e−λ t , où N0 est le nombre de noyaux initialement présents λ (lambda) est la constante radioactive exprimant la probabilité de désin- tégration d’un noyau par unité de temps e… représente la fonction exponentielle de base e ≈ 2,718. La période ou demi-vie (notée t1/2) est le temps nécessaire à la désintégra- tion de la moitié des noyaux initialement présents : t1/2 est telle que 1 ln 2 0,693 N (t 1/2 )= N 0. On peut montrer que t 1/2 = ≈. 2 λ λ Voici quelques exemples. Isotope Demi-vie 18 Ne : néon 18 1,7 seconde 18 F : fluor 18 110 minutes 99m Tc : technétium 99m 6,0 heures 123 I : iode 123 13,2 heures 201 Tl : thallium 201 72,9 heures 14 C : carbone 14 5 730 ans 235 U : uranium 235 703,8 millions d’années Si la moitié de la masse se désintègre en une demi-vie, alors est-ce que toute la masse se désintègre en un temps double ? Non. Prenons l’exemple de /!\ C’est une erreur fréquente ! l’isotope 18F, de demi-vie 110 minutes : le temps pour que toute la masse de 18 F se désintègre n'est pas de 220 minutes. En effet, Soit la masse initiale de l’échantillon à t0 = 0. À t1 = 110 minutes, la moitié de la masse initiale de l’échantillon s’est désintégrée (50 %). À t2 = 220 minutes, la moitié de la masse restante en t1 s’est désintégrée (et non pas la moitié de la masse initiale). ◦ De t1 à t2, c’est donc la moitié de la moitié de la masse initiale (25 On peut voir sur le graphe ci- %) qui s’est désintégrée. dessus que 2t1/2 correspond à ◦ À t2, 75 % de la masse initiale s’est désintégrée, il reste 25 % de la N0/4 : après deux demi-vies, il masse initiale. reste un quart du nombre de noyaux initialement présents. HELHa > Physique > Atome v6.1 17 À t3 = 330 minutes, la moitié de la masse restante en t2 s’est désintégrée. ◦ De t2 à t3, c’est donc 12,5 % de la masse initiale qui s’est désinté- grée. ◦ À t3, 87,5 % de la masse initiale s’est désintégrée, il en reste 12,5 %. Et ainsi de suite. On peut calculer que 99 % de la masse de 18F se désintègre en douze heures environ. Détail du calcul. La constante radioactive du 18F vaut λ = 1,05. 10–4 s–1. −λt N (t )= N 0. e 1 − λt ⇔ N = N 0. e 100 0 −λ t ⇔ 0,01=e ⇔ ln 0,01=ln ( e ) −λ t ⇔ ln 0,01=−λ t −ln 0,01 −ln 0,01 ⇔ t= = = 43860 s=12 h 11 min λ 1,05. 10 −4 11.2. Désintégration α Un noyau résidant sous la vallée de stabilité peut occasionnellement émettre une particule alpha (α). Un exemple typique de désintégration α est celle de l’uranium 238 en thorium 234 : 238 234 92 U→ 90 Th +α+ 4,3 MeV La particule α comprend deux protons et deux neutrons : elle correspond en fait à un noyau d’hélium. On peut donc également écrire : 238 234 92 U→ Th + 42 He + 4,3 MeV 90 En général, la désintégration α peut s’écrire ainsi : A A− 4 Z X→ Z− 2 Y+ 42 He +Q où X est le noyau-père, Y le noyau-fils et Q l’énergie de désintégration, ici l’énergie cinétique totale du noyau-fils et de la particule α. Dans toute désintégration, il y a conservation de la charge électrique, du nombre de nucléons (A), de la quantité de mouvement, du moment cinétique et de la masse-énergie. Les demi-vies correspondant aux désintégrations α varient de 10 –3 s à 1010 (dix milliards) ans. Exemple. Le gaz radioactif radon 222 est un risque quotidien courant. Il est produit dans le sol par la désintégration α du radium 226 et émane des sous- sols. Écrivez-en l’équation de désintégration. 226 222 88 Ra → Rn + 42 He +Q 86 Le radon est un gaz rare (ou gaz noble) radioactif, incolore, inodore, le plus souvent d’origine naturelle. 11.3. Désintégration β+ Un noyau en dessous de la vallée de stabilité se désintègre habituellement en émettant un positron (radioactivité β+) par transformation d’un proton en un neutron, ou se désintègre occasionnellement en émettant une particule alpha (radioactivité α). Le positron (ou positon), aussi appelé anti-électron, est l’antiparticule asso- ciée à l’électron : il possède le même spin et la même masse que l’électron, HELHa > Physique > Atome v6.1 18 0 mais une charge électrique élémentaire positive +e. Il est noté +1 e ou e+ ou β+. Le positron est une particule stable dans le vide et instable dans la ma- tière : quand un positron de basse énergie entre en collision avec un électron de basse énergie, tous deux s’annihilent et leur masse est convertie en éner- gie sous forme de deux photons gamma. Cette propriété est utilisée en scinti- graphie au PET-scan, voir l’introduction de ce syllabus. Les mesures de désintégrations bêta vers les années 1920 violent la loi de conservation de l’énergie totale. Les physiciens comprennent dans les années 1930 que la désintégration β+ émet une autre particule emportant une partie Neutrino est un mot italien utilisé de l’énergie : on l’appelle le neutrino, noté νe. C’est une particule électrique- pour la première fois par Enrico ment neutre, se déplaçant à la vitesse de la lumière (c) et de masse non nulle Fermi, presque en plaisantant ; il mais extrêmement petite (au moins 19 000 fois moins que celle de l’élec- signifie « petit neutron ». tron), donc très difficile à détecter. Le symbole « ν » représente la La désintégration β+ se produit donc quand un proton se désintègre en un treizième lettre de l’alphabet grec, neutron en émettant un positron et un neutrino : se prononce « nu » et correspond au n latin. p + → n 0 + e+ + νe Dans le cas d’un noyau radioactif, la désintégration prend la forme suivante : A A Z X→ Z−1 Y + +10e +νe +Q où Q est l’énergie cinétique totale des trois particules émergentes de la désin- tégration. Par exemple, voici l’équation de désintégration β + du carbone 11 en bore 11 : 11 6 C → 115 B+ +10e + νe +0,96 MeV On peut compter parmi les isotopes émetteurs de positron la plupart des iso- topes plus légers que les isotopes stables, notamment le carbone 11, le potas- sium 40, l'azote 13, l'oxygène 15, le fluor 18 ou l'iode 121. Exemple. Écrivez les équations de désintégration β + du sodium 22 et de l’azote 13. 22 11 Na → 22 0 10 Ne + +1e +ν e +Q 13 7 N → 136 C + +10 e +ν e+Q 11.4. Désintégration β– Un noyau au-dessus de la vallée de stabilité se désintègre habituellement en émettant un électron (radioactivité β –) par transformation d’un neutron en un proton. Là aussi, les mesures violent la loi de conservation de l’énergie to- tale. Louis de Broglie suggère en 1934 l’existence d’une antiparticule asso- ciée au neutrino : l’antineutrino, notée ν̄e. Comme le neutrino, c’est une par- ticule électriquement neutre, se déplaçant à la vitesse de la lumière (c) et de masse non nulle mais extrêmement petite. La distinction entre neutrino et an- tineutrino est au niveau de leur hélicité : tous les neutrinos ont une hélicité En physique des particules, gauche et tous les antineutrinos une hélicité droite. l’hélicité est la projection du spin sur la direction de la quantité de La désintégration β– se produit donc quand un neutron se désintègre en un mouvement. On dit d’une particule proton en émettant un électron et un antineutrino : que son hélicité est droite (positive) n 0 → p + + e − + ν̄e ou gauche (négative) selon que son spin est orienté dans le même sens Dans le cas d’un noyau radioactif, la désintégration prend la forme suivante : ou dans le sens opposé à son A X→ A Y +−10 e + ν̄e +Q mouvement. Z Z+1 ⃗p h=⃗ S. ‖⃗p‖ HELHa > Physique > Atome v6.1 19 Par exemple, voici l’équation de désintégration β+ de l’isotope radioactif co- balt 60 en nickel 60 stable : 60 27 Co → 60 0 28 Ni + −1 e + ν̄ e Exemple. Écrivez les équations de désintégration β – du tritium et du car- bone 14. 3 1 H → 32 He + −10 e + ν̄e +Q 14 6 C → 147 N + −10e + ν̄e +Q Les demi-vies correspondant aux désintégrations β varient de quelques se- condes à plusieurs années. Notons qu’un neutron seul (libre) se désintègre par voie β – avec une demi- vie de 11 minutes. La désintégration β+ n’existe pas pour un proton libre. 11.5. Capture électronique La capture électronique est un autre mécanisme par lequel un proton peut se transformer en neutron. Le noyau-père absorbe un de ses propres électrons orbitaux, qui interagit alors avec un proton selon la réaction suivante : p + + e − → n+ νe La capture électronique suit donc l’équation suivante : A Z X+ −10 e → Z−1A Y + νe +Q Par exemple, le béryllium 7 se transforme en lithium 7 : 7 4 Be + −10 e → 73 Li + νe 11.6. Désintégration γ Après une désintégration α ou β, un noyau-fils peut momentanément être dans un état excité, c’est-à-dire avec un nucléon dans un niveau d’énergie plus haut que l’état fondamental. Alors, le noyau se relaxe rapidement pour Le symbole « γ » représente la atteindre la plus basse configuration énergétique possible. La différence troisième lettre de l’alphabet grec, d’énergie (de l’ordre de 1 keV à 1 MeV) est émise sous forme d’un ou plu - se prononce « gamma » et sieurs photons gamma (γ). correspond au g latin. Par exemple, un neutron lent peut être absorbé par un noyau d’uranium 238 qui devient un noyau excité 239U*. Ce dernier émet un photon γ en revenant à son état fondamental : n + 238 U → 239 U* → 239 U+γ Les rayonnements γ font partie du spectre des ondes électromagnétiques, tout comme la lumière et les rayons X. Les photons γ ont cependant une énergie en général très supérieure aux photons lumineux et X. Les demi-vies correspondant aux désintégrations γ sont en général très courtes, de l’ordre de 10–13 s. La désintégration γ est également utilisée comme procédé de pasteurisation à froid (avec les rayons X et faisceaux d’électrons) pour la conservation de certains aliments. Les doses sont suffisamment faibles pour ne pas rendre les aliments radioactifs ni les dégrader. HELHa > Physique > Atome v6.1 20 11.7. Chaîne de désintégration Une chaîne de désintégration, ou chaîne radioactive, ou série radioactive, ou désintégration en cascade, ou encore filiation radioactive, est une succession de désintégrations d'un radio-isotope jusqu'à un élément chimique de noyau atomique stable et donc non radioactif (généralement le plomb), élément le plus lourd possédant des isotopes stables. Différents modes de désintégration peuvent se produire : radioactivités α, β – et β+, capture électronique, émission de neutron et émission de proton. Il y a deux grands types de chaînes de désintégration. Le premier concerne les éléments lourds (de poids atomique supérieur au plomb). Elles sont rela- tivement lentes et comprennent des éléments subissant une désintégration α. Voici par exemple la famille radioactive du thorium-232. 232 90Th 1.41e+10 228 90 Th 1.9 Années Années Thorium β⁻ α 228 89 Ac 6.1 α Heures Actinium β⁻ 228 88Ra 5.7 224 88 Ra 3.6 Années Jours Radium α Francium 220 86 Rn 55 Secondes Radon α Astate 216 84 Po 0.14 212 84 Po 3e-07 Secondes Secondes Polonium β⁻ α 212 83 Bi 61 α Minutes Bismuth β⁻ Actinides Métaux Alcalins 212 82 Pb 10.6 α 208 82 Pb Stable Métaux alcalino-terreux Heures Plomb Halogènes β⁻ Métalloïdes Gaz Nobles Métaux pauvre 208 81 Tl 3.1 Métaux de transition Minutes Thallium HELHa > Physique > Atome v6.1 21 Certains éléments subissent non pas une désintégration mais une fission nu- cléaire : un noyau lourd (tels l’uranium ou le plutonium) se scinde en deux ou quelques noyaux plus légers, en émettant deux ou trois neutrons et une grande quantité d’énergie. Ces produits de fission subissent alors des chaînes de désintégration. C’est le deuxième type de chaîne de désintégration. Elle est beaucoup plus rapide que celle du du premier type. Les noyaux perdent des neutrons en excès généralement via des désintégrations β, parfois par l'émission d'un neutron. 11.8. Forces en jeu Les demi-vies des désintégrations β sont très longues par rapport à celles des désintégrations γ. Cela indique que la force responsable de la désintégration β est faible comparée aux forces électromagnétiques de la désintégration γ. C’est la raison pour laquelle on appelle cette force l’interaction faible. La désintégration α résulte d’une d’une interaction nucléaire forte. Pourtant, ce processus est beaucoup plus lent que les désintégrations β. Ceci est dû à un phénomène de physique quantique appelé effet tunnel. Nous n’entrerons pas ici dans les détails. 12. Équivalence masse-énergie et énergie de liaison On observe que la masse d’un noyau est inférieure à la somme des masses de chacun de ses nucléons. Où est passée la masse manquante ? Elle n’a pas disparu mais s’est transformée en énergie. C’est ce qu’exprime la célèbre formule d’Einstein : E =mc 2. Cette formule associe à un corps de masse m une énergie E égale à sa masse multipliée par le carré de la vitesse de la lumière dans le vide. La disparition c ≈ 300 000 km/s d’une partie de la masse correspond donc à l’apparition d’une énergie égale à cette perte de masse multipliée par c2. Cette quantité d’énergie sert de « ci- ment » pour tenir ensemble les nucléons : on l’appelle énergie de liaison. Elle correspond à l’énergie qu’il faut fournir au noyau pour le dissocier en nucléons isolés. L’énergie de liaison par nucléon (équivalente à une perte de masse par nu- cléon) n’est pas identique pour tous les noyaux ! Elle est faible pour les noyaux légers, augmente jusqu’au noyaux de masse moyenne (par exemple le fer-56), puis décroît pour les noyaux plus lourds. Ainsi, les atomes les plus liés sont ceux de masse moyenne. Leur perte de masse est plus grande par nucléon. Donc, toutes les transformations de noyaux tendant à produire des noyaux de masse moyenne vont libérer de l’énergie nucléaire. Ces transfor- mations sont appelées réactions nucléaires. 13. Réactions nucléaires Il y a deux types de réactions nucléaires libératrices d’énergie : la fission et la fusion. La fission consiste à casser un noyau lourd (par exemple uranium 235 ou plutonium 239) en deux noyaux de taille moyenne, en le bombardant par un neutron. L’énergie de fission est dégagée sous forme d’énergie thermique. La fission produit aussi la libération de deux ou trois neutrons, lesquels peuvent provoquer à leur tour la fission d’autres noyaux lourds, et ainsi de suite. On obtient alors une réaction en chaîne à croissance exponentielle (une fission peut en provoquer deux autres, qui vont en provoquer quatre, puis huit, puis HELHa > Physique > Atome v6.1 22 Voir en prérequis seize, etc.) En réalité, une telle réaction en chaîne non contrôlée produit une mathématiques : libération d’énergie énorme dans un temps très court : c’est le principe de la exponentielles et logarithmes. bombe nucléaire de type A. Dans les réacteurs, la réaction en chaîne est stabilisée : une grande partie des neutrons sont capturés par des barres de cadmium ou de bore afin d’éviter une croissance exponentielle. L’énergie thermique est convertie en une énergie interne de pression ga- zeuse ; on fait circuler de l’eau à travers des canalisations près du réacteur à cet effet. Cette énergie est à son tour transformée en énergie mécanique via des turbines. Enfin, via un générateur, l’énergie mécanique est convertie en énergie électrique. C’est le principe des centrales nucléaires. La fusion consiste à assembler deux noyaux très légers en un noyau de taille moyenne. Cette réaction produit beaucoup plus d’énergie thermique que la fission. Mais ce domaine est encore au stade de la recherche, il n’existe pas encore d’applications industrielles de la fusion pour la production d’électrici- té. En effet, cette réaction est difficile à réaliser car l’interaction forte liant les nucléons n’agit qu’à très faible distance, la force électrique répulsive em- pêche donc les noyaux positifs de s’approcher assez près les uns des autres. Deux noyaux fusionnent lorsqu’ils se trouvent dans un état d’agitation ther- mique extrême. Ainsi, la fusion existe naturellement dans les environne- ments extrêmement chauds que sont les étoiles, comme le Soleil. La tempé- rature au cœur du Soleil est de plusieurs dizaines de millions de degrés, ce qui permet la fusion de noyaux légers tels ceux d’hydrogène en hélium : 2 3 4 1 1 D + 1T → 2 He + 0 n Ces réactions de fusion libèrent énormément d’énergie, ce qui explique la très haute température en surface du Soleil, environ 5 700°C. Dans des étoiles plus massives que le Soleil, des températures plus hautes permettent la fusion de noyaux plus lourds que ceux d’hydrogène. Ces réactions pro- duisent, entre autres, des noyaux de carbone, oxygène, et même de fer. Les scientifiques cherchent à maîtriser les réactions de fusion pour récupérer cette fabuleuse énergie. La réaction la plus étudiée est celle des isotopes de l’hydrogène, deutérium et tritium. Mais de nombreuses difficultés techniques surgissent pour atteindre des températures très élevées, des densités suffi- santes de noyaux et des probabilités élevées de fusion. Les expériences ac- tuelles à faible concentration d’isotopes consistent à maintenir l’échantillon en lévitation grâce à des champs magnétiques et à le chauffer à plus de cent millions de degrés. Les expériences à forte concentration d’isotopes consiste à contenir le mélange d’isotopes d’hydrogène dans une microbille que l’on irradie très rapidement avec des faisceaux lasers très puissants. 14. Dosimétrie Les rayonnements énergétiques peuvent transformer la matière qu’ils tra- versent. Ce pouvoir destructeur peut être utilisé pour attaquer des cellules cancéreuses (c’est le principe de la radiothérapie), stériliser la nourriture, créer des mutations biologiques utiles,… L’ionisation des atomes et molé- cules fait partie des effets les plus importants des rayonnements sur les sys- tèmes biologiques. Un rayonnement peut arracher un électron d’un atome donné, qui sera ensuite capturé par un autre atome : un ion positif et un ion négatif sont créés. La présence de ces paires d’ions dans les cellules vivantes peut modifier la chimie normale de la cellule et occasionner des effets très destructeurs, dont le cancer. La dosimétrie traite la mesure des quantités de rayonnements reçues, appe- lées la dose délivrée au système. HELHa > Physique > Atome v6.1 23 Le sievert (Sv) est l’unité de mesure utilisée pour donner une évaluation de l’impact biologique des rayonnements ionisants sur l’homme. 1 Sv = 1 J/kg : énergie (J) absorbée par unité de masse corporelle (kg). 1 mSv = 1 millisievert = 0,001 Sv. Le becquerel (Bq) est l’unité de mesure SI de l’activité d’une matière radio- active ; un becquerel correspond à une désintégration par seconde. 1 MBq = 1 mégabequerel = un million de désintégrations par seconde. 15. Historique Le mot atome vient du grec atomos, « qui ne peut être coupé ». Cette idée d’une particule de matière indivisible date du V e siècle avant Jésus-Christ, des penseurs grecs Leucippe et Démocrite. Il faudra attendre plus de 2 500 ans avant d’approfondir cette connaissance. En 1897, Joseph John Thomson découvre l’électron. Il imagine en 1904 que les atomes sont des sphères remplies d’une substance électriquement positive et fourrée d’électrons négatifs, comme un pain aux raisins. En 1911, Ernest Rutherford constate que des particules projetées sur de la matière la traversent comme si c’était du vide, sauf quelques rares particules qui sont déviées ou même rebondissent. Il découvre ainsi l’existence du noyau atomique qui concentre presque toute la masse de l’atome dans un vo- lume environ cent mille fois plus petit que l’atome. L’atome n’est donc plus une particule indivisible, mais le nom est conservé. On découvre ensuite que la charge électrique positive du noyau est portée par plusieurs particules, les protons. Et en 1932, James Chadwick découvre le neutron, particule électriquement neutre du noyau. Le neutron est stable à l’intérieur du noyau atomique ; lorsqu’il est seul, il se désintègre en proton et électron. En 1969, des physiciens bombardent des noyaux avec des électrons très ac- célérés, de manière à pénétrer au cœur des protons et neutrons (nucléons). Et l’histoire de Rutherford se répète : certains électrons rebondissent de façon apparemment bizarre. Ce ne peut être que sur des particules encore plus pe- tites. Ainsi sont découverts les quarks, constituants des nucléons. Chaque nu- cléon contient trois quarks. Y a-t-il des particules encore plus petites à l’intérieur des quarks ? Peut-être, mais pour le découvrir, il faudrait des accélérateurs de particules encore plus puissants. Car plus on veut voir petit, plus le « microscope » doit être gros. HELHa > Physique > Atome v6.1 24 Questions de connaissance 1. Questions ouvertes C1. Définissez : a) élément + un exemple g) ion b) atome h) cation c) proton + notation i) anion d) neutron + notation j) positron (ou positon) e) nucléon k) neutrino + notation f) électron + notation l) antineutrino + notation a) Un élément est une substance pure qui ne peut pas être décomposée par des moyens chimiques en une entité plus simple. Ex. oxygène, cuivre, fer,… b) L’atome est la plus petite entité en laquelle un élément peut être divisé tout en conservant ses propriétés. c) Le proton, noté p+, est une particule élémentaire présente dans le noyau et de charge électrique positive. d) Le neutron, noté n0, est une particule élémentaire présente dans le noyau et électriquement neutre. e) Un nucléon est une particule élémentaire composant le noyau, c.-à-d. les protons et les neutrons. f) L’électron, noté e–, est une particule élémentaire de charge électrique né- gative en orbite autour du noyau. g) Un ion est un atome ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. h) Un cation est un atome ayant perdu un ou plusieurs électrons, chargé po- sitivement. i) Un anion est un atome ayant gagné un ou plusieurs électrons, chargé né- gativement. j) Le positron est l’anti-particule associée à l’électron : il a les mêmes ca- ractéristiques que l’électron mais sa charge électrique est positive. Il est instable dans la matière. k) Le neutrino, noté νe, est une particule élémentaire électriquement neutre et de masse extrêmement petite. l) L’antineutrino, noté ν̄e , est l’anti-particule associée au neutrino, de mêmes caractéristiques mais d’hélicité opposée. C2. Énoncez les quatre forces fondamentales et décrivez-les brièvement. Comparez leurs intensités. La force forte agit entre les nucléons et assure la cohésion des noyaux atomiques. La force électromagnétique est une force attractive ou répulsive s'exer- çant entre corps chargés électriquement. Elle sous-tend les propriétés chimiques des atomes et est responsable de la plupart des phénomènes quotidiens : chimie, électricité, magnétisme,… La force faible est responsable de la désintégration radioactive β et est à l’origine de la fusion nucléaire dans les étoiles. La force gravitationnelle est responsable de l’attraction des masses. Intensités : force forte > force électromagnétique >> force faible >> Le symbole >> signifie : force gravitationnelle. beaucoup plus grand que. N.B. Cette question peut être posée en parties par exemple sous la forme : « HELHa > Physique > Atome v6.1 25 Décrivez brièvement les forces forte et faible. Comparez leurs intensités. » C3. À propos des isotopes. a) Définissez cette notion. b) Citez les isotopes l’hydrogène : noms, notations, nombre de particules subatomiques. c) Caractérisez les propriétés chimiques et physiques des isotopes d’un même élément, en justifiant. a) Les isotopes sont des atomes de même nombre de protons et électrons mais avec un nombre de neutrons différents. 1 2 3 b) Les isotopes de l’hydrogène sont 1 H , 1 H et 1 H : protium (un proton et un électron), deutérium (un proton, un électron, un neutron), tritium ( un proton, un électron, deux neutrons). c) Les propriétés chimiques des isotopes d’un même élément sont les mêmes car elles dépendent uniquement du nombre et de la disposition des électrons dans son nuage. Les propriétés physiques des isotopes d’un même élément sont légère- ment différentes à cause de la légère différence de masse de leur noyau. C4. À propos de la désintégration radioactive. a) Définissez : désintégration radioactive. Justifiez-en l’existence. b) Définissez : becquerel + symbole. c) Définissez : demi-vie ou période. Donnez la demi-vie de l’isotope 18F. d) Caractérisez l’évolution du nombre de noyaux radioactifs N(t) en fonc- tion du temps et représentez-la graphiquement, en indiquant la demi-vie t1/2. e) Quelle quantité de noyaux reste-t-il après deux demi-vies ? Expliquez et illustrez sur le graphe t–N(t). f) Définissez : désintégration α + exemple. g) Définissez : désintégration β+ + équation. h) Définissez : désintégration β– + équation. i) Définissez : désintégration γ. a) La désintégration radioactive est l’émission spontanée par des noyaux atomiques d’une ou plusieurs particules et de rayonnement électroma- gnétique. Plus un noyau contient de protons, plus la force électrique répulsive entre protons augmente, plus le noyau devient instable, ce qui conduit à une désintégration. b) Le becquerel (Bq) est l’unité de mesure SI de l’activité d’une matière ra- dioactive ; un becquerel correspond à une désintégration par seconde. c) La période ou demi-vie est le temps nécessaire à la désintégration de la moitié des noyaux initialement présents. Le fluor 18 a une demi-vie de 110 minutes. d) L’évolution du nombre de noyaux radioactifs suit une décroissance ex- ponentielle. HELHa > Physique > Atome v6.1 26 e) Après une demi-vie (t1/2), il reste la moitié des noyaux initialement pré- sents. Après une deuxième demi-vie, il reste la moitié des noyaux pré- sents au temps t1/2, donc un quart du nombre initial de noyaux. f) La désintégration α consiste en l’émission d’une particule α (alpha) contenant deux protons et deux neutrons, équivalant à un noyau d’hé- lium. Par exemple, le radium dans le sol se désintègre en radon et particule α. g) La désintégration β+ se produit lorsqu’un proton se transforme en un neutron en émettant un positron et un neutrino : p + → n 0 +e + + νe. h) La désintégration β– se produit lorsqu’un neutron se transforme en un proton en émettant un électron et un antineutrino : n 0 → p + + e − + ν̄e. i) La désintégration γ consiste en l’émission d’un ou plusieurs photons γ (gamma), rayonnement électromagnétique très énergétique. 2. Questions à choix multiples 2.1. Concepts fondamentaux Q Qu’est-ce qu’un élément ? A) La plus petite entité indivisible de la matière. Rép. E B) Une particule élémentaire composant le noyau. C) Un atome ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. D) Un atome de même nombre de protons et électrons mais avec un nombre de neutrons différents que l’atome de référence. E) Une substance pure qui ne peut pas être décomposée par des moyens chimiques en une entité plus simple. Q2. Qu’est-ce qu’un atome ? A) Une particule élémentaire composant le noyau. Rép. C B) La plus petite entité indivisible de la matière. C) La plus petite entité en laquelle un élément peut être divisé tout en conservant ses propriétés. D) Un élément ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. E) Un élément de même nombre de protons et électrons mais avec un nombre de neutrons différents que l’atome de référence. Q3. Qu’est-ce qu’un nucléon ? A) La plus petite entité indivisible de la matière. Rép. B B) Une particule élémentaire composant le noyau. C) Un atome ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. D) Un atome de même nombre de protons et électrons mais avec un nombre de neutrons différents que l’atome de référence. HELHa > Physique > Atome v6.1 27 E) Une substance pure qui ne peut pas être décomposée par des moyens chimiques en une entité plus simple. Q4. Qu’est-ce qu’un proton ? A) Une particule élémentaire présente dans le noyau et de charge électrique Rép. A positive. B) Une particule élémentaire présente dans le noyau et de charge électrique négative. C) Une particule élémentaire présente dans le noyau et de charge électrique neutre. D) Une particule élémentaire de charge électrique positive en orbite autour du noyau. E) Une particule élémentaire de charge électrique négative en orbite autour du noyau. Q5. Qu’est-ce qu’un neutron ? A) Une particule élémentaire présente dans le noyau et de charge électrique Rép. C positive. B) Une particule élémentaire présente dans le noyau et de charge électrique négative. C) Une particule élémentaire présente dans le noyau et de charge électrique neutre. D) Une particule élémentaire de charge électrique positive en orbite autour du noyau. E) Une particule élémentaire de charge électrique négative en orbite autour du noyau. Q6. Qu’est-ce qu’un électron ? A) Une particule élémentaire présente dans le noyau et de charge électrique Rép. E positive. B) Une particule élémentaire présente dans le noyau et de charge électrique négative. C) Une particule élémentaire présente dans le noyau et de charge électrique neutre. D) Une particule élémentaire de charge électrique positive en orbite autour du noyau. E) Une particule élémentaire de charge électrique négative en orbite autour du noyau. Q7a. Quel est le nombre de protons et d’électrons de l’atome neutre du chlore 35 Rép. A 17Cl ? A) 17 protons, 17 électrons D) 18 protons, 17 électrons B) 17 protons, 18 électrons E) 18 protons, 35 électrons C) 18 protons, 17 électrons Q7b. Quel est le nombre de protons et de neutrons de l’atome neutre de liti- hum 73 Li ? Rép. A A) 3 protons, 4 neutrons D) 7 protons, 3 neutrons B) 4 protons, 3 neutrons E) 7 protons, 7 neutrons C) 3 protons, 7 neutrons HELHa > Physique > Atome v6.1 28 Q7c. Quel est le nombre de neutrons et d’électrons de l’atome neutre de phosphore 31 Rép. B 15P ? A) 15 neutrons, 16 électrons D) 31 neutrons, 16 électrons B) 16 neutrons, 15 électrons E) 16 neutrons, 31 électrons C) 31 neutrons, 15 électrons Q7d. Quel est le nombre de nucléons et d’électrons de l’atome neutre d’oxy- gène 168 O ? Rép. D A) 8 nucléons, 8 électrons D) 16 nucléons, 8 électrons B) 8 nucléons, 16 électrons E) 16 nucléons, 16 électrons C) 8 nucléons, 24 électrons Q7e. Quel est le nombre du nucléons et d’électrons de l’atome neutre de fluor 199 F ? Rép. C A) 9 nucléons, 9 électrons D) 9 nucléons, 10 électrons B) 10 nucléons, 9 électrons E) 9 nucléons, 19 électrons C) 19 nucléons, 9 électrons Q8a. Quel est le symbole complet de l’azote : Z = 7 et N = 7 ? 7 14 21 7 14 Rép. B A) 7 N B) 7 N C) 7 N D) 7 A E) 7 A Q8b. Quel est le symbole complet du sodium, 11 protons et 12 neutrons ? 12 23 12 23 23 Rép. D A) 11 So B) 11 So C) 11 Na D) 11 Na E) 12 Na Q8c. Quel est le symbole complet du phosphore, 15 électrons et 31 nu- cléons ? Rép. B 16 31 31 46 46 A) 15 P B) 15 P C) 16 P D) 15 P E) 16 P Q8d. Quel est le symbole complet du potassium , Z = 19 et N = 20 ? 19 20 39 20 39 Rép. C A) 19 K B) 19 K C) 19 K D) 20 P E) 20 P 2.2. Ions Q9. Qu’est-ce qu’un ion ? A) La plus petite entité indivisible de la matière. Rép. C B) Une particule élémentaire composant le noyau. C) Un atome ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. D) Un atome de même nombre de protons et électrons mais avec un nombre de neutrons différents que l’atome de référence. E) Une substance pure qui ne peut pas être décomposée par des moyens chimiques en une entité plus simple. Q10. Qu’est-ce qu’un cation ? A) La plus petite entité indivisible de la matière. Rép. D B) Une particule élémentaire composant le noyau. C) Un atome de même nombre de protons et électrons mais avec un nombre de neutrons différents que l’atome de référence. D) Un atome ayant perdu un ou plusieurs électrons, chargé positivement. E) Un atome ayant gagné un ou plusieurs électrons, chargé négativement. HELHa > Physique > Atome v6.1 29 Q11. Qu’est-ce qu’un anion ? A) La plus petite entité indivisible de la matière. Rép. E B) Une particule élémentaire composant le noyau. C) Un atome de même nombre de protons et électrons mais avec un nombre de neutrons différents que l’atome de référence. D) Un atome ayant perdu un ou plusieurs électrons, chargé positivement. E) Un atome ayant gagné un ou plusieurs électrons, chargé négativement. Q12a. Quel est le nombre de protons, neutrons et électrons de l’ion Cl –, sa- chant que l’atome neutre du chlore est 35 Rép. D 17Cl ? + 0 – A) 17 p , 17 n , 17 e D) 17 p+, 18 n0, 18 e– + 0 – B) 17 p , 18 n , 16 e E) 17 p+, 17 n0, 19 e– C) 17 p+, 18 n0, 17 e– Q12b. Quel est le nombre de protons, neutrons et électrons de l’ion Mg 2+, sa- 24 Rép. A chant que l’atome neutre du magnésium est 12 Mg ? A) 12 p+, 12 n0, 10 e– D) 14 p+, 12 n0, 12 e– + 0 – B) 12 p , 12 n , 12 e E) 14 p+, 12 n0, 14 e– + 0 – C) 12 p , 12 n , 14 e Q12c. Quel est le nombre de protons, neutrons et électrons de l’ion S 2–, sa- 32 Rép. C chant que l’atome neutre du soufre est 16S ? A) 16 p+, 16 n0, 14 e– D) 14 p+, 16 n0, 16 e– + 0 – B) 16 p , 16 n , 16 e E) 14 p+, 16 n0, 18 e– + 0 – C) 16 p , 16 n , 18 e Q12d. Quel est le nombre de protons, neutrons et électrons de l’ion Fe 3+, sa- 56 Rép. A chant que l’atome neutre du magnésium est 26Fe ? A) 26 p+, 30 n0, 23 e– D) 23 p+, 33 n0, 26 e– B) 26 p+, 30 n0, 29 e– E) 23 p+, 33 n0, 29 e– + 0 – C) 23 p , 33 n , 23 e 2.3. Forces fondamentales Q13. Les quatre forces fondamentales sont : A) gravité, frottements, force électromagnétique, forces fictives Rép. C B) gravité, frottements, force électromagnétique, interaction gamma (γ) C) gravité, force électromagnétique, interaction forte, interaction faible D) gravité, frottements, force électromagnétique forte, force électromagné- tique faible E) aucune de ces réponses Q14. Quelle est la bonne description de la force forte ? A) Elle est responsable de l’attraction des masses. Rép. C B) Elle est responsable de la désintégration radioactive γ. C) Elle agit entre les nucléons et assure la cohésion des noyaux atomiques. D) Elle est une force attractive ou répulsive s'exerçant entre corps chargés électriquement. E) Elle est responsable de la désintégration radioactive β et est à l’origine de la fusion nucléaire dans les étoiles. Q15. Quelle est la bonne description de la force faible ? Rép. E HELHa > Physique > Atome v6.1 30 A) Elle est responsable de l’attraction des masses. B) Elle est responsable de la désintégration radioactive γ. C) Elle agit entre les nucléons et assure la cohésion des noyaux atomiques. D) Elle est une force attractive ou répulsive s'exerçant entre corps chargés électriquement. E) Elle est responsable de la désintégration radioactive β et est à l’origine de la fusion nucléaire dans les étoiles. Q16. Quelle est la bonne description de la force électromagnétique ? A) Elle est responsable de l’attraction des masses. Rép. D B) Elle est responsable de la désintégration radioactive γ. C) Elle agit entre les nucléons et assure la cohésion des noyaux atomiques. D) Elle est une force attractive ou répulsive s'exerçant entre corps chargés électriquement. E) Elle est responsable de la désintégration radioactive β et est à l’origine de la fusion nucléaire dans les étoiles. Q17. Quelle est la bonne description de la force gravitationnelle ? A) Elle est responsable de l’attraction des masses. Rép. A B) Elle est responsable de la désintégration radioactive γ. C) Elle agit entre les nucléons et assure la cohésion des noyaux atomiques. D) Elle est une force attractive ou répulsive s'exerçant entre corps chargés électriquement. E) Elle est responsable de la désintégration radioactive β et est à l’origine de la fusion nucléaire dans les étoiles. 2.4. Désintégration radioactive Q18. Qu’est-ce qu’un isotope ? A) La plus petite entité indivisible de la matière. Rép. C B) Une particule élémentaire composant le noyau. C) Un atome de même nombre de protons et électrons mais avec un nombre de neutrons différents que l’atome de référence. D) Un atome ayant perdu un ou plusieurs électrons, chargé positivement. E) Un atome ayant gagné un ou plusieurs électrons, chargé négativement. Q19. Qu’est-ce qu’une désintégration radioactive ? A) Phénomène par lequel un noyau atomique lourd est scindé en deux ou Rép. C plusieurs noyaux plus légers, avec émission de deux ou trois neutrons et A) fission nucléaire d'un dégagement d'énergie très important. B) fusion nucléaire B) Réaction nucléaire dans laquelle deux noyaux atomiques s’assemblent D) fantaisiste E) dissociation en chimie pour former un noyau plus lourd, avec un dégagement d’énergie colos- sal. C) L’émission spontanée par des noyaux atomiques d’une ou plusieurs par- ticules et de rayonnement électromagnétique. D) Une altération du noyau dont une partie de la masse se convertit en éner- gie. E) Réaction au cours de laquelle un composé ionique se dissocie en se dé- composant en ions. HELHa > Physique > Atome v6.1 31 Q20. Qu’est-ce que le becquerel ? A) La quantité d’énergie nécessaire pour élever d’1°C un gramme d’eau Rép. C sous la pression atmosphérique standard. A) calorie B) Une mesure de l’activité d’une matière radioactive ; un becquerel corres- C) curie pond à une désintégration par seconde. D) mole E) électronvolt C) Une mesure de l’activité d’une matière radioactive ; un becquerel corres- pond à 37. 109 désintégrations par seconde. D) Une quantité de 6. 1023 atomes. E) L’énergie cinétique acquise par un électron accéléré dans le vide depuis le repos par une différence de potentiel d’un volt. Q21. Qu’est-ce que la demi-vie d’un isotope ? A) Le temps nécessaire à la désintégration de la moitié des noyaux initiale- Rép. A ment présents ; après deux demi-vies, il reste 25 % des noyaux initiale- ment présent. B) Le temps nécessaire à la désintégration de la moitié des noyaux initiale- ment présents ; après deux demi-vies, il ne reste aucun noyau initiale- ment présent. C) Le temps nécessaire à la désintégration de la moitié de la matière de chaque isotope de l’échantillon. D) Le temps nécessaire à la désintégration de la moitié de la matière de la moitié des isotopes de l’échantillon. E) Le temps nécessaire pour que la moitié des isotopes fusionnent entre eux. Q22. Caractérisez l’évolution du nombre de noyaux radioactifs N(t) en fonc- tion du temps : Rép. D N(t) N(t) A) D) t t N(t) N(t) B) E) t t N(t) C) t Q23. Quelle proportion de noyaux reste-t-il après deux demi-vies de désinté- gration radioactive ? Rép. B A) 0 % C) 50 % E) On ne sait pas dire. B) 25 % D) 75 % HELHa > Physique > Atome v6.1 32 Q24. Qu’est-ce que la désintégration α ? A) L’émission d’un ou plusieurs photons γ (gamma), rayonnement électro- Rép. D magnétique très énergétique. B) La transformation d’un neutron en un proton avec émission d’un élec- tron et d’un anti-neutrino. C) La transformation d’un proton en un neutron avec émission d’un positon et d’un neutrino. D) L’émission d’une particule contenant deux protons et deux neutrons, équivalant à un noyau d’hélium. E) La conversion totale d’un noyau atomique en énergie. Q25. Qu’est-ce que la désintégration β+ ? A) L’émission d’un ou plusieurs photons gamma, rayonnement électroma- Rép. C gnétique très énergétique. B) La transformation d’un neutron en un proton avec émission d’un élec- tron et d’un anti-neutrino. C) La transformation d’un proton en un neutron avec émission d’un positon et d’un neutrino. D) L’émission d’une particule contenant deux protons et deux neutrons, équivalant à un noyau d’hélium. E) La conversion totale d’un noyau atomique en énergie. Q26. Qu’est-ce que la désintégration β– ? A) L’émission d’un ou plusieurs photons gamma, rayonnement électroma- Rép. B gnétique très énergétique. B) La transformation d’un neutron en un proton avec émission d’un élec- tron et d’un anti-neutrino. C) La transformation d’un proton en un neutron avec émission d’un positon et d’un neutrino. D) L’émission d’une particule contenant deux protons et deux neutrons, équivalant à un noyau d’hélium. E) La conversion totale d’un noyau atomique en énergie. Q27. Qu’est-ce que la désintégration γ ? A) L’émission d’un ou plusieurs photons gamma, rayonnement électroma- Rép. A gnétique très énergétique. B) La transformation d’un neutron en un proton avec émission d’un élec- tron et d’un anti-neutrino. C) La transformation d’un proton en un neutron avec émission d’un positon et d’un neutrino. D) L’émission d’une particule contenant deux protons et deux neutrons, équivalant à un noyau d’hélium. E) La conversion totale d’un noyau atomique en énergie. Q28. Qu’est-ce qu’un positon ? A) Une particule élémentaire électriquement neutre et de masse extrême- Rép. D ment petite. B) Une particule élémentaire électriquement positive et de masse extrême- ment petite. C) L’anti-particule associée au proton, électriquement positive. D) L’anti-particule associée à l’électron, électriquement positive. E) Une particule élémentaire de charge électrique positive en orbite autour du noyau. HELHa > Physique > Atome v6.1 33 Q29. Qu’est-ce qu’un neutrino ? A) Une particule élémentaire électriquement neutre et de masse extrême- Rép. A ment petite. B) Une particule élémentaire électriquement positive et de masse extrême- ment petite. C) L’anti-particule associée au neutron, électriquement neutre. D) L’anti-particule associée à l’électron, électriquement positive. E) Une particule élémentaire de charge électrique neutre en orbite autour du noyau. Q30. Qu’est-ce qu’un anti-neutrino ? A) L’anti-particule associée au neutron, électriquement neutre. Rép. C B) L’anti-particule associée à l’électron, électriquement positive. C) L’anti-particule associée au neutrino, électriquement neutre et de masse extrêmement petite. D) L’anti-particule associée au neutrino, électriquement positive et de masse extrêmement petite. E) Une particule élémentaire de charge électrique neutre en orbite autour du noyau. HELHa > Physique > Atome v6.1 34 Exercices 1* Complétez le tableau ci-dessous. Nom de Symbole Nombre de Nombre de Nombre l’élément complet protons neutrons d’électrons 16 Oxygène 8 O 24 Magnésium 12 Mg Oxygène : 8 – 8 – 8 35 Chlore 17 Cl