Fiche RP Chap 2 PDF

Physique nucléaire : L’énergie : Tout système naturel va chercher à se rapprocher d’un état d’excitation/énergie interne minimum. Si l’énergie n’est pas minimale, le système sera instable et fera donc tout pour se rapprocher d’un état stable. L’énergie interne/potentielle va devenir de l’énergie ci...

Physique nucléaire : L’énergie : Tout système naturel va chercher à se rapprocher d’un état d’excitation/énergie interne minimum. Si l’énergie n’est pas minimale, le système sera instable et fera donc tout pour se rapprocher d’un état stable. L’énergie interne/potentielle va devenir de l’énergie cinétique et inversement car elles deviennent l’une l’autre aux phénomènes d’interaction ou de désintégration en physique nucléaire. Un noyau atomique instable se désintègre en émettant un rayonnement, ce qui le fait atteindre un état plus stable avec une énergie potentielle plus basse. La partie de l'énergie potentielle perdue est convertie en énergie cinétique des particules émises. Ce principe explique les comportements des systèmes nucléaires en termes de recherche de stabilité. L'unité d'énergie "Joule" est utilisée en physique classique et en mécanique mais elle n'est pas pratique pour mesurer les faibles énergies rencontrées en physique des particules. En physique nucléaire, l'unité standard pour mesurer les énergies est l'électron-Volt (eV). Volt c'est la différence de potentiel électrique qui absorbe ou fournit un joule de travail lorsqu'une charge d'un coulomb la traverse. Un eV est l’énergie nécessaire pour qu’un électron passe d’un potentiel de zéro à un potentiel de 155 milles eV. 1 eV = 1,602 x 10-19 Joule. Énergie cinétique E = m x c2 (E = L’énergie libérée, m = Quantité de masse, C 2 = Vitesse de la lumière qui est une constante, = Libéré à grande vitesse). (Unité : Joule). Énergie de masse de l’électron pour ioniser l’atome = 511 keV/c2 1 Le document met en perspective les énergies nécessaires pour libérer des particules et celles observées dans des contextes naturels ou expérimentaux ; ​ 1. Libération d’un électron d’un atome d’hydrogène : Nécessite une énergie de 13,6 eV. ​ 2. Libération d’un proton ou neutron d’un noyau de masse moyenne (ex. fer) : Demande une énergie de 8 MeV (8 millions d’eV). ​ 3. Énergies atteignables par des accélérateurs de particules : Les plus puissants atteignent des énergies de l’ordre de 10¹¹ eV (100 GeV). ​ 4. Énergie des rayons cosmiques : Ils peuvent transporter une énergie allant jusqu’à 10²¹ eV. La radioactivité n’a pas été inventée par les Hommes, certains ont été inventés mais elles sont aussi naturelles à la base, depuis la naissance de l’univers. Donc, il y a de la radioactivité partout. Différence entre chimie et physique nucléaire ; ​ Chimie : Étudie les interactions entre électrons des atomes, responsables des liaisons chimiques (ex. dans la molécule d'eau). Ces processus dépendent uniquement de la configuration électronique des atomes. ​ Physique nucléaire : Étudie la composition interne des noyaux atomiques (protons et neutrons). Les réactions nucléaires sont indépendantes des configurations électroniques et du nombre de neutrons. Exemple d'application : En physique nucléaire, on utilise des isotopes stables donc sur les noyaux (même nombre de protons, mais neutrons différents) pour protéger la thyroïde contre l'iode radioactif. 2 Constitution du noyau : (aller voir les fiches sur les différents modèles de l’atome et la découverte de ce qu’il y a dedans et autour). La matière est formée d’atomes. Chaque atome est constitué d’un noyau (protons + neutrons = nucléons) autour duquel tournent très rapidement des électrons. Les protons et neutrons du noyaux sont collés ensemble grâce à une force de cohésion appelée “Interaction nucléaire”. Représentation d’atome. Dans un atome neutre, le nombre de protons est égal au nombre d’électrons. Il est symbolisé par : la lettre Z et appelé nombre atomique. Le nombre de nucléons est désigné par : la lettre A et appelé nombre de masse. Le nombre N de neutrons est donc : N=A-Z Le noyau d’un atome de symbole chimique X se représente par l’écriture : où A nucléons, Z protons et A-Z neutrons, X symbole chimique. Le noyau, tout comme l'atome, n'est pas un objet solide avec une surface bien définie. Qui plus est, bien que la plupart des nucléides aient une forme sphérique, certains ont une forme notablement ellipsoïdale. Quoi qu'il en soit, des expériences de diffusion d'électrons permettent d'assigner un rayon effectif à un nucléide selon la relation suivante: R=R0. Al1/3 [m] où R0 est égal à 1.2 10-15 m 3 Force nucléaire : Les réactions nucléaires vérifient : ​ la conservation de la charge. ​ la conservation de la quantité totale de mouvement. ​ la conservation de l’énergie. ​ la conservation du nombre de nucléons. La masse des neutrons est plus grande que celle des protons. Le proton peut devenir un neutron. Si les charges sont proches alors la force de répulsion est intense et inversement. 1 fm (phetometre) = 10-15 4 Nucléides : Un radionucléide est un nucléide instable capable de se transformer spontanément en un autre nucléide (stable ou instable), cette transformation étant conditionnée par une diminution d'énergie. Elle peut aboutir à un élément différent ou au même élément avec un niveau énergétique plus bas. Les radionucléides sont également appelés nucléides radioactifs. La notion d'isotopes (nucléides ayant le même nombre de protons mais un nombre de neutrons variable) a été découverte en 1910 par Frederick Soddy, qui a reçu le prix Nobel en 1921. D'autres classifications incluent ; Les isotones : nucléides avec le même nombre de neutrons mais un nombre de protons différent. Les isobares : nucléides ayant la même masse atomique. La carte des nucléides représente chaque nucléide en fonction du nombre de protons (Z) et de neutrons (N). La radioactivité est le passage d’un noyau d’un état instable vers un état plus stable, l’excédent d’énergie interne étant par-là, restitué sous forme d'énergie cinétique du rayonnement émis. 5 L’instabilité des noyaux : 3 raisons d’instabilité : ​ Trop de protons ou de neutrons. Soit on essaye de se rapprocher de la courbe de stabilité quand on a trop de proton ou neutrons. ​ Noyaux trop légers ou trop lourds. On essaye de réduire la grosseur du noyau en divisant par le haut, on va casser l'atome pour qu'il devienne plus petit. Fusion et fission. C'est le plus petit noyau qui grossit. 6  ​ Excès d’énergie (“états excités”). On est dans un état instable dans la zone verte sur l’image ci-dessous. Quand la particule alpha rentre dans la matière, elle donne de l'énergie puis elle va donner un maximum d'énergie quand elle en a quasiment plus pour détruire la moitié. Dans l'air, la particule alpha fait quelque centimètre et dans l'eau quelques micromètres. Elle est très dangereuse mais peut être très facilement arrêter. C’est un graphique qui représente sur l'axe de x "N" et sur l'axe des "Y". Représentation de l'intérieur du noyau, le nombre de protons en fonction du nombre de neutrons. La courbe a tendance à fléchir vers la droite, ce qui veut dire que plus les atomes sont gros plus il y a de neutrons. Donc à un moment il y aura plus de neutrons que de protons. Il y a des zones en vert très foncé, état d'équilibre des atomes et la nature essaye de tendre vers ce vert foncé. Il y a des atomes qui ont trop d'énergie donc instable et qui ont envie de libérer cette énergie pour revenir à un état plus stable pour obtenir la couleur verte foncée. On peut pas avoir n'importe quoi pour le nombre de neutrons et protons sinon ils n'existe pas, trop de neutrons et pas assez de protons alors ça n'existe pas il n'y a pas assez de colle. On a des noyaux de taille moyenne et la désintégration est Beta et pour les gros atomes c'est la désintégration Alpha. 7 Radioactivité des noyaux : Le noyau a trop d'énergie, il est donc instable et va essayer de devenir plus stable. Le fait que le noyau soit instable va rendre la force de cohésion insuffisante pour maintenir les protons et les neutrons ensemble. Ces noyaux libèrent leur excès d'énergie en émettant des rayonnements, un processus appelé radioactivité. Lors de la désintégration, d'un noyau peut émettre trois types de rayonnements et qui chacun correspondant à une forme spécifique de radioactivité : ​ Alpha. ​ Bêta. ​ Gamma. Un nucléide avec des nucléons suffisamment énergétiques peut subir une désintégration radioactive. Les désintégrations les plus courantes incluent l'émission d'un noyau d'hélium (particule alpha) ou d'un électron (particule bêta). Dans le cas de noyaux lourds, le nucléide peut aussi se diviser en plusieurs noyaux et neutrons (fission nucléaire). Ces transformations modifient la composition des noyaux, souvent laissant le nucléide résultant dans un état énergétique excité. Ce dernier se stabilise en libérant de l'énergie sous forme de photons (particules gamma) ou en transférant de l'énergie aux électrons environnants. La désexcitation ne change pas la composition du noyau. Pour qu'un nucléide subisse une désintégration spontanée, il faut que les composants finaux aient une énergie inférieure à l'état initial, ce qui entraîne une dissipation d'énergie. La désintégration se produit lorsque la force électromagnétique dans le noyau devient suffisamment forte pour surmonter la force forte qui maintient les nucléons ensemble. Si le rapport entre ces deux forces permet aux nucléons de surpasser cette barrière, alors la désintégration radioactive peut se produire. La probabilité de désintégration dépend donc directement de ce rapport de forces entre la force forte et la force électromagnétique. 8  ​ Particule ALPHA : Ce rayonnement est peu pénétrant, il suffit juste d'une feuille de papier pour l’arrêter. Aspects cinématiques : Conservation de : 1)​ P = m. v La quantité de mouvement se conserve. 9  2)​ E = ( m. v2 / 2 ) + m. c2 L’énergie avant la réaction est égale à énergie après la rédaction. Donc l'énergie se conserve. 10  ​ Particule BÊTA- : Ce rayonnement est directement ionisant. 11  ​ Particule BÊTA+ : Ce rayonnement parcourt quelques mètres dans l’air, une feuille d’aluminium ou une vitre en plexiglas les arrête. La particule B+ (positron) n'existe pas dans la matière stable. Après son freinage, un positron de faible énergie rencontre un électron, et les deux s'annihilent. Cette annihilation produit deux photons gamma de 0,511 MeV émis dans des directions opposées. La désintégration B+ se caractérise par un spectre continu d'énergie (entre quelques keV et MeV). La capture électronique (EC, electron capture) est un processus alternatif à la désintégration B+. Ici, un électron de la couche K est absorbé par le noyau, entraînant l'émission d'un neutrino et la création d'une vacance électronique. Cette vacance est comblée par un électron d'une couche supérieure, accompagné de l'émission de rayons X ou d'électrons Auger. Ces deux processus (désintégration B+ et capture électronique) résultent en des transitions nucléaires similaires dans la carte des nucléides. BÊTA+ + BÊTA- = GAMMA 12  ​ Particule GAMMA : Ce sont des rayonnements que nous allons capter. Après une désintégration α (alpha) ou β (bêta), le noyau peut rester dans un état excité avec un excès d’énergie. Il peut libérer cette énergie de deux façons ; 1. Radioactivité gamma (γ) : émission d’un rayonnement électromagnétique très énergétique. 2. Conversion interne : transfert de l’énergie à un électron du nuage électronique, qui est ensuite expulsé avec une énergie cinétique. L’émission gamma se produit presque immédiatement après la désintégration (durée de vie de l’état excité est inférieur à 10-10 secondes). 13  Il y a des appareils qui peuvent trouver quel est le produit radioactif avec lequel on a été contaminé, en fonction du spectre de raies émis. 14 ! Explique et donne moi les similitudes et/ou différences entre les rayonnements alpha, bêta, gamma ? ! Une onde électromagnétique va à la vitesse de la lumière. Décroissance : 15 16 La demi-vie (Tp) est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d'une substance radioactive se désintègrent. Cette décroissance de l'activité radioactive se produit de manière exponentielle ; - Après une période, l'activité est réduite de moitié. - Après deux périodes, elle est réduite à un quart de son niveau initial. - Après dix périodes, l'activité est divisée par mille. C'est un concept clé en radioactivité, illustrant comment la matière radioactive perd de son activité au fil du temps. Ces périodes illustrent différentes facettes de la décomposition et de l'élimination des substances radioactives ; - Période radioactive (T) : Spécifique à chaque radioélément, elle est indépendante de l'origine du temps, de l'âge moyen du radioélément, du nombre initial d'atomes, de la pression et de la température, car elle est une propriété du noyau atomique. - Période biologique (Tb) : Temps nécessaire pour que l'organisme élimine naturellement la moitié de la quantité d'un élément (radioactif ou non) absorbée par voie quelconque. - Période effective (Te) : Dépend de la période biologique et de la période physique due à la désintégration nucléaire. Elle correspond au temps nécessaire pour que l'activité d'un radioélément dans un organe diminue de moitié, en l'absence d'apport. 17 18 Aller voir les exercices dans les notes. 19