UE-4 Rayonnements et Santé - CM1: Noyau atomique Stabilité/instabilité nucléaire PDF

lOMoARcPSD|44946836 UE-4 Rayonnements et Santé CM1: Noyau atomique Stabilité/instabilité nucléaire Sommaire :  Histoire de la radioactivité  Atome et structure nucléaire  Unité d’énergie et équivalence masse-énergie ...

lOMoARcPSD|44946836 UE-4 Rayonnements et Santé CM1: Noyau atomique Stabilité/instabilité nucléaire Sommaire :  Histoire de la radioactivité  Atome et structure nucléaire  Unité d’énergie et équivalence masse-énergie  Stabilité/ instabilité nucléaire 1.1. Histoire de la radioactivité La radioactivité n’a pas été inventé par l’Homme. Il y a les radioisotopes (version instable d'un élément chimique qui émet des rayonnements dangereux lorsqu'il se désintègre) naturels présents sur toute la planète. Exemple :  Dans l’atmosphère (carbone 14, radon 222)  Dans la croûte terrestre (avec l’uranium 238 et uranium 235, radium 226…)  Dans notre alimentation (potassium 40) AS : Dans le corps humain nous avons du potassium 40 Radioactivité : Propriété nucléaire qui va résulter de l’instabilité de certain noyau. Radioactivité naturelle : Un phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se transforment spontanément. La radioactivité a été découvert à la fin du 19ième siècle par 3 personnes Henri Becquerel et Pierre et Marie Curie: o Henri Becquerel un physicien français en 1896 : Il a découvert que l’Uranium était un minerai naturel qui émet des rayonnements invisibles capable d’impressionner une plaque photographique. Il a mis en évidence une émission spontané c’est-à-dire sans apport d’énergie extérieure de radiation par une substance. Marie et Pierre Currie partagent avec Henri Becquerel le prix Nobel de physique en 1903 pour leurs recherches sur les radiations et donc pour la découverte de la radioactivité spontanée qui veut dire la radioactivité naturelle. Téléchargé par May May ([email protected])  lOMoARcPSD|44946836 o Pierre et Marie Curie ont découvert l’uranium et le polonium qui ont isolés du minerai d’uranium en 1898. Pour le Polonium ce nom vient du fait que Marie Curie était originaire de Pologne. Et en 1911 ils ont le prix Nobel de chimie pour leurs travaux sur le radium (poids atomique). Ils ont constaté que le radium est hautement radioactif par émission alpha. Ils ont pensé le radium peut être une potion magique. En effet, si on regarde les publications de l’époque il y a eu beaucoup d’ouvrage sur la radiothérapie et des application médical. Mais par ailleurs certain produit de beauté fait la promotion du radium. On pouvait en trouver dans les crèmes notamment le « THO-RADIA » une crème à l’époque, dans des boissons pour ses vertu rajeunissant ect… Mais en 1924 on s’est rendu compte que le radium était un danger à l’utilisation et pouvait causer des cancers. Par la suite Ernest Ruthendorf découvre que la radioactivité est associée à un phénomène de transmutation. Et il réalise en 1919 la première transmutation (c’est-à-dire que le noyau va se désintégrer pour devenir un autre élément chimique) artificielle. De même que Irène Curie et Frédéric Joliot ont découvert en 1938 qu’on pouvait fabriquer la radioactivité donc de marinière artificielle. De cela ils ont été récompenser par un prix Nobel pour cette découverte. Ils ont réussi à produire un isotope radioactif du phosphore qui n’existe pas dans la nature. Ils ont montré aussi qu’une réaction en chaine pouvait produire une quantité importante d’énergie. Depuis la découverte de la radioactivité artificielle on l’utilise dans nombreux domaine comme le médical et dans d’autre utilisation. Comment l’homme a su exploiter la radioactivité ? ❊ En effet l’homme l’utilise en imagerie médical pour suivre la trace des médicaments radioactif dans l’organisme on parle de radiotraceur. Ça nous permet de suivre le développement d’une tumeur. On peut l’utiliser en thérapie avec le rayonnement d’une énergie importante pour traiter les patients souffrant d’un cancer de la thyroïde en les faisant administrer de l’iode radioactif. Téléchargé par May May ([email protected])  lOMoARcPSD|44946836 ❊ On l’utilise aussi la radioactivité en Géologique pour identifier l’âge des objets, l’âge des végétaux, l’âge des arbres donc pour faire de la datation et remonter à l’âge de la terre. ❊ On utilise la radioactivité pour produire aussi de l’énergie notamment dans les centrales nucléaires ❊ Les militaires l’utilisent aussi pour la création de bombe nucléaire ou des phénomènes de fusion ou de fission interviennent. 1.2. Atome et structure nucléaire La Structure de l’Atome Un atome est la plus petite unité de base de la matière. Il est constitué de trois types de particules subatomiques. Au centre de l'atome se trouve le noyau, qui est comme le soleil. Le noyau est très petit et contient des particules appelées protons et neutrons. Les protons ont une charge positive, tandis que les neutrons n'ont pas de charge (sont neutres). Les protons peuvent se transformer en neutron dans le noyau et vice versa. Autour du noyau nous avons les électrons qui soit reste en orbite autour du noyau ou vont être éjecté lorsqu’un rayonnement va interagir avec le noyau les électrons qui peut trouver sur son passage. Lorsqu'un électron est éjecté de son orbite, il devient un électron libre, ce qui signifie qu'il n'est plus associé à un atome particulier. L’essentiel de la matière est concentré dans le noyau donc l’essentiel de la masse de l’atome est concentré dans le noyau donc la matière est essentiellement constituée de vide. La taille des noyaux est cent mille fois plus petite que la taille de l’atome. Téléchargé par May May ([email protected])  lOMoARcPSD|44946836 Un atome est neutre donc il a autant de protons et d’électrons qui gravitent autour du noyau à grande vitesse (quelques milliers de km par seconde). La Structure du noyau atomique Dans le noyau on retrouve des protons et des neutrons. Les quarks up sont l'un des quarks les plus légers en termes de masse. Ils portent une charge électrique positive de +2/3 (en unités de charge élémentaire), ce qui signifie qu'ils ont une charge positive qui est environ deux tiers de la charge d'un proton. Les protons sont composés de deux quarks up et un quark down, tandis que les neutrons sont constitués d'un quark up et deux quarks down. Le neutron va être noter petit n sa charge est nul il possède un nombre de masse égale à 1, donc on va écrire ou on peut l’écrire n. Le proton va être noté petit p sa charge est positive il possède un nombre de masse égale à un 1 sa charge aussi donc le proton c’est la même chose que grand H qu’on appelle hydrogène. Nomenclature du noyau atomique Téléchargé par May May ([email protected])  lOMoARcPSD|44946836 La nomenclature du noyau atomique utilise le symbole de l'élément et le nombre de protons pour décrire un noyau atomique spécifique. Un noyau est défini par le nom de l’élément chimique et le nombre de nucléons. Lorsque plusieurs atomes ont un noyau identique il s’agit d’un même nucléide. Exemple : Tableau Périodique Téléchargé par May May ([email protected])  lOMoARcPSD|44946836 Isotope d’un élément Un isotope correspond aux différents atomes d’un élément qui ont le même numéros atomique Z avec un nombre de masse A différent. Téléchargé par May May ([email protected])  lOMoARcPSD|44946836 L’hydrogène le nombre de masse est de 1 alors que le Tritium le nombre de masse est de 3. Donc ils ont un nombre de masse différent car ils ont le même nombre de proton mais un nombre de neutron différent. Ses isotopes ont les mêmes propriétés chimiques mais pour les séparer ça va être possible car ils ont un nombre masse différent. Ils existent plus de 300 isotopes. Exemple : Ils existent plusieurs isotopes de l’iode : Exemple de l’uranium : Lorsque on va extraire de l’uranium dans les minerais en réalité on va extraire un mélange d’isotopes donc 14 isotopes dans l’uranium naturel. Mais nous allons voir 3 des 14 sur le document. L’uranium 235 est le plus utilisé il est utilisé pour fabriquer de l’électricité. La casi totalité d’uranium naturel c’est le 238 avec 99%. Téléchargé par May May ([email protected])  lOMoARcPSD|44946836 L’abondance isotopique est la fraction molaire de cet isotope dans le mélange exprimé en %. Et cette somme d’abondance isotopique est égale à 100. Mais il y a aussi d’autre nomenclature notamment : ❊ Les Isotones (même nombre N de neutrons ❊ Les Isobares (même nombre A de nucléons) ❊ Les Isomères même A, même Z Les électrons Le modèle de BOHR qui fait référence au modèle de couche énoncé par Niels Bohr en 1913, il place les électrons sur des orbites circulaires qui a pour centre le noyau. Nous remarquons plus les orbites sont éloignée du noyau et moins les électrons qui gravitent autour de ce noyau sont liés énergétiquement. Les différentes couches ont des lettres pour se nommer donc ses électrons se répartissent sur les couches appelées K pour la première, L pour la deuxième et ça va jusqu’à Q. De plus c’est les électrons les périphériques qui sont toujours moins liés au noyau. Ils ont une énergie d’une dizaine d’électro volt. Et sont ceux qui sont détachés le plus facilement (car ils ont une énergie faible). Au contraire des électrons profonds c’est-à-dire des couches plus profondes comme ceux des couches K et L qui ont des énergies de liaison plus élevée de quelque kilo d’électro volt et ce d’autant plus que l’atome sera lourd. 1.3. Unité d’énergie et équivalence masse-énergie Unité de masse atomique Téléchargé par May May ([email protected])  lOMoARcPSD|44946836 A l’échelle de l’atome le kilogramme est une unité inadaptée pour travailler. En physique nucléaire on utilise l’unité de masse Atomique=UMA. On définit cette unité de masse atomique comme étant 1 douzième de la masse de l’atome de carbone 12. Unité d’énergie et équivalence masse énergie Dans le domaine de la physique l’unité d’énergie Joules n’est pas adapté donc on va utiliser l’unité d’énergie l’électron Volt (eV). Une masse peut se transformer en un équivalent énergétique et inversement ce qui correspond au Postulat d’Einstein ou l’équivalence masse énergie. Qui est un système au repos de masse m va posséder une énergie grand E appelée énergie de masse. Formule : Téléchargé par May May ([email protected])  lOMoARcPSD|44946836 Masse/énergie A savoir un électron à une masse de 0,511K lorsqu’un électron disparait dans des interactions il n’a plus de masse et ça se retrouve sous la forme d’une énergie de 0,511K Rien ne se perd tout se transforme. En masse ou inversement en énergie. Pour convertir des UMA en MeV : il faudra multiplier 931,5. Et pour convertir une énergie en masse : il faut diviser par 931,5 Quels sont les conséquences ? Toute variation d’énergie d’un système delta (dE) est lié à une variation de sa masse (dm) multiplié par donc dE=dm* Donc toute variation de masse d’un système va libérer de l’énergie, qui se trouve disponible et inversement un système qui absorbe de l’énergie va voir sa masse augmenter. Défaut de masse et énergie de liaison Un noyau ou la masse va s’écrire grand M se noyau est composé de nucléon donc de protons et de neutrons. Téléchargé par May May ([email protected])  lOMoARcPSD|44946836 Exemple Hélium : Le noyau d’hélium est composé de 2 n et 2 p, donc 4 nucléons. Si je mets sur une balance un côté le noyau donc les 4 nucléons cohésif et de l’autre côté les nucléons séparés. La balance bascule vers le coté ou les 4 nucléons sont à libre. Il y a une différence quand les nucléons sont reliés dans le noyau et quand ils sont à l’état libre. Ce qui définit delta M qui veut dire défaut de masse Le défaut de masse est caractéristique à chaque noyau puisqu’il va prendre une valeur caractéristique du noyau donné car on peut calculer le défaut de masse. Formule : Delta m sera toujours positif. Exemple : Téléchargé par May May ([email protected])  lOMoARcPSD|44946836 Pour les calculs de delta m il faut faire attention à les énoncés car donné soit la masse atomique mat ou soit la masse nucléaire M. Exemple : Si on donne la masse Atomique comme valeur il faut soustraire la masse des électrons. On appelle énergie de liaison (EL), l’énergie qu’il faut fournir à un noyau au repos pour le séparer totalement en nucléons isolés et immobiles. Elle s’exprime en fonction du défaut de masse comme : El = Δm.c2 EL ses l’équivalent énergétique du défaut de masse Dm Exemple Hélium : Formule : El =[Zmp +(A-Z)mn –m(AX)].c2 Energie de liaison par nucléon On définit l’énergie de liaison par nucléon comme : EL/A le nombre de masse c’est-à-dire le nombre de nucléon. Unité : MeV/nucléon Cette énergie correspond à l’énergie nécessaire pour arracher un nucléon au noyau Téléchargé par May May ([email protected])  lOMoARcPSD|44946836 Doc : La courbe d’Aston La courbe d’Aston est obtenue emportant en ordonner pour chaque noyau l’opposé de son énergie de liaison par nucléons. Donc -El/A ou Et en abscisse le nombre de nucléons donc A=Z+N Elle permet de comparer la stabilité des différents types de noyaux. 1.4. La stabilité et instabilité nucléaire Comment différencier les éléments stables et les éléments instables ? Les éléments stables ont un nombre de neutrons N et nombre de protons Z invariables dans le temps. Exemple : Le carbone 12 (12C) est un atome naturel et stable. Téléchargé par May May ([email protected])  lOMoARcPSD|44946836 Les éléments instables donc radioactifs ou radioélément ou radionucléides ont un nombre de neutrons N et nombre de protons Z sont variables dans le temps car il y a des transformations nucléaires soit par la transformation de neutrons en protons ou inversement. Et les émissions de rayonnement pour les éléments instables retrouvent leurs stabilités. Exemple : 14C élément naturel et radioactif 11C élément artificiel et radioactif La quantité d’énergie contenue dans les noyaux sont différentes. Les éléments sont stables car ils n’ont plus la possibilité de passer à un état d’énergie inférieure Les éléments instables donc radioactifs ou radioélément ou radionucléides ont un noyau avec le plus d’énergie et qui vont donc se transformer en un noyau qui moins d’énergie donc perdre de l’énergie pour devenir un élément stable. La stabilité d’un nucléide va dépendre de sa masse et du rapport N/Z donc le nombre de neutron sur le nombre de proton. Cette stabilité peut se représenter sur la forme d’un diagramme donc N sur Z et on l’appelle la courbe de stabilité nucléaire ou vallée de stabilité qui est un graphique qui représente les noyaux selon leur nombre de neutron en ordonné et leur nombre de protons ou numéro atomique en abscisse. N en ordonné et Z en abscisse. Téléchargé par May May ([email protected])