Physique 3: Ondes et physique moderne (203-NYC-05) PDF

PHYSIQUE 3 Ondes et physique moderne 203-NYC-05 CHAPITRE 13 LA PHYSIQUE NUCLÉAIRE Lire les sections 13.1 à 13.6 13.1 La découverte du noyau • Modèle Plum-pudding. L’électron a été découvert par J.J Thomson en 1897. Mais la masse de l’électron n’est pas connue. • En 1911, Ernest Rutherford prop...

PHYSIQUE 3 Ondes et physique moderne 203-NYC-05 CHAPITRE 13 LA PHYSIQUE NUCLÉAIRE Lire les sections 13.1 à 13.6 13.1 La découverte du noyau • Modèle Plum-pudding. L’électron a été découvert par J.J Thomson en 1897. Mais la masse de l’électron n’est pas connue. • En 1911, Ernest Rutherford propose que la charge positive se concentre au centre de l’atome (le noyau). 13.1 La découverte du noyau • À l’époque de Rutherford, on savait que certains éléments sont radioactifs. • C’est quoi un élément radioactif? • Un élément radioactif se transforme spontanément en d’autres éléments et émettent alors des particules. 13.1 La découverte du noyau • Voici un montage a utilisé par Geiger et Marsden car ils voulaient prouver que l’atome possédait un petit noyau massif chargé positivement . • On envoie une source alpha sur une mince feuille de métal. • La source alpha était du radon gazeux et produit de la désintégration du radium. 13.1 La découverte du noyau • Figure 13.3: La figure illustre la situation trouvée qui a pu expliquer que l’atome est principalement composé d’espace vide. 13.1 La découverte du noyau • Exemple 13.1 • Le tableau 13.1 présente certaines caractéristiques de quelques noyaux atomiques (voir p.477). • Quand on s’intéresse particulièrement aux caractéristiques du noyau, on nomme ce noyau un NUCLÉIDE. • On représente les nucléides par des symboles et un chiffre. LA TERMINOLOGIE NUCLÉAIRE (tableau 13.1 ) • Les noyaux se composent de protons et de neutrons. • Z = numéro atomique = nombre de protons • N = nombre de neutrons • A = nombre de masse = nombre total de neutrons et de protons dans un noyau. A=Z +N • Les neutrons et les protons sont des nucléons. • Par exemple, on a 197Au. • Au c’est de l’or. • Le 197 indique le nombre de masse A. • Le numéro atomique Z est de 79 (voir tableau périodique) • On trouve que le nombre de neutrons N est de 118. • Par contre, il faut savoir qu’on peut avoir plusieurs nucléides pour un atome donné. • Par exemple, l’or a 35 isotopes (nombres de neutrons différents): 171Au à 205Au. Atome stable est le 197Au et les 34 autres sont radioactifs. • De tels radionucléides subissent une désintégration en émettant une particule et se transforment en des nucléides différents. • Autre exemple: 13.2 Certaines propriétés nucléaires CLASSER LES NUCLÉIDES •Le tableau périodique est d’une utilité limitée car on ne peut pas présenter tous les isotopes pour un atome donné. •Pour classer les nucléides, on a 2 outils: •Figure 13.4 – Graphique des nucléides •Figure 13.5 – Tableau des nucléides figure 13.4 – Graphiques des nucléides Remarque: les nucléides stables légers possèdent environ des nombres égaux de neutrons et de protons. Les nucléides tendent à avoir plus de neutrons que de protons. En vert: nucléides stables Jaune : radionucléides 13.2 Certaines propriétés nucléaires LES RAYONS NUCLÉAIRES • Le femtomètre (=10-15) = unité commode pour exprimer les distances à l’échelle des noyaux. 1 femtomètre = 1 fermi = 1fm = 10 -15 • En général, le noyau est sphérique. Le rayon du noyau est: r = ro A 1/3 ro = 1,2 fm A = nombre de masse m 13.2 Certaines propriétés nucléaires LES MASSES NUCLÉAIRES • On sait que 1 u = 1, 661 x 10−27 kg = 931,5 MeV • Par exemple, la masse atomique de 197Au = 196,966 573u qu’on arrondit à 197u. • Dans les réactions nucléaires, la relation Q = −mc 2 • Q = énergie dégagée (ou absorbée) quand la masse d’un système fermé de particules interagissent entre elles varie de ∆m. 13.2 Certaines propriétés nucléaires LES ÉNERGIES DE LIAISON NUCLÉAIRE • La masse M d’un noyau est inférieure à la masse totale Em de ses protons et de ses neutrons. • Cela signifie que l’énergie au repos Mc2 d’un noyau est inférieure à l’énergie au repos totale E(mc2) de ses protons et de ses neutrons. • La différence entre ces 2 énergies est appelée énergie de liaison du noyau: El =  (mc ) − Mc 2 2 (l'énergie de liaision) 13.2 Certaines propriétés nucléaires L’énergie de liaison moyenne par nucléon • ∆Eln constitue une meilleure mesure; il s’agit du rapport entre l’énergie de liaison ∆Eln d’un noyau et le nombre A de nucléons qu’il contient: El Eln = A • On peut considérer l’énergie de liaison moyenne par nucléon comme l’énergie moyenne nécessaire pour diviser un noyau en ses nucléons individuels. 13.2 Certaines propriétés nucléaires • Graph – figure 13.6 • FISSION : noyau qui se divise. Cela se produit naturellement chez les noyaux massifs (A élevé) comme l’uranium. Uranium peut subir une fission spontanée i.e. sans cause ni source d’énergie extérieures. Processus de base des armes nucléaires. • FUSION : noyau qui se combinent. Cela se produit naturellement chez les étoiles. FISSION FUSION 13.2 Certaines propriétés nucléaires LES NIVEAUX D’ÉNERGIE NUCLÉAIRE • L’énergie des noyaux est quantifiée, comme celle des atomes. • Voici un exemple: 28Al • Quand un noyau effectue une transition vers un niveau d’énergie inférieur, le photon émis se situe typiquement dans le domaine des rayons gamma du spectre électromagnétique. 13.2 Certaines propriétés nucléaires SPIN ET MAGNÉTISME NUCLÉAIRES • Rappel: L’e- a un spin. Le spin est le moment cinétique intrinsèque de l’e-. • Est-ce que le proton et le neutron ont un moment cinétique? Un moment magnétique? • Réponse: OUI! • De nombreux nucléides ont un spin comme l’e-. Le spin est aussi de ½. • Par contre, son moment magnétique nucléaires (noyau) magnétique atomiques (e-). < le moment 13.2 Certaines propriétés nucléaires LA FORCE NUCLÉAIRE • La force responsable des mouvements des e- = force électromagnétique (NYB)! • MAIS!!! Pour lier les parties du noyau ensemble, il faut une importante force attractive pour contrer la force de répulsion des protons. • La force nucléaire qui lie les neutrons et les protons dans le noyau n’est pas une force fondamentale de la nature mais un effet secondaire de l’INTERACTION FORTE qui lie les quarks pour former les neutrons et le protons. 13.2 Certaines propriétés nucléaires • EXEMPLE 13.3 la désintégration radioactive • qu’est ce que la désintégration radioactive? • C’est lorsqu’un atome change le nombre de neutrons et se transforme donc pour un autre atome. Il n’y a absolument aucun moyen de prédire si un certain noyau contenu dans un échantillon radioactif fera partie de ceux qui se désintégreront dans la prochaine seconde. Tous les noyaux de l’échantillon ont la même probabilité de le faire! 13.3 la désintégration radioactive • Lors d’une désintégration radioactive, le nombre de noyaux résiduels à tout instant subséquent t est donné par: N = N 0e − t N0 = le nombre de noyaux radioactifs contenus dans l’échantillon à t = 0. λ = constante de désintégration (valeur spécifique pour chaque radionucléide). Unité [s-1] 13.3 la désintégration radioactive • On est souvent intéressé par le taux de désintégration R que par N: R = R0e − t R0 = le taux de désintégration à t = 00 • On peut maintenant écrire ces équation sous une autre forme: R = N 13.3 la désintégration radioactive • Le taux de désintégration total R d’un échantillon contenant un ou plusieurs radionucléides est appelé l’activité radioactive de l’échantillon. • L’unité SI de l’activité est le BECQUEREL: 1 becquerel = 1 Bq = 1 désintégration par seconde • Une unité plus ancienne, le curie: 1 curie = 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq 13.3 la désintégration radioactive • Il existe 2 mesures de temps pour exprimer la durée de vie d’un type de radionucléide donné: 1) LA DEMI-VIE T½ : Le temps où N et R auront tous deux atteint la moitié de leurs valeurs initiales. 2) DURÉE DE VIE MOYENNE τ : Le temps où N et R auront tous deux atteint e-1 de leurs valeurs initiales. = 1  et T1/2 = ln 2  =  ln 2 12.3 la désintégration radioactive • EXEMPLE. Le technétium 99m symbolisé par 99𝑚 43𝑇𝑐 est un nucléide en état excité du technétium 99. Il se désintègre en émettant un rayonnement gamma de faible énergie de 141 keV durant une demi-vie de 6h 20 s. un échantillon du technétium contient initialement 1,00 g de matière.. Quelle est l’activité initiale? Quelle est l’activité après 3 jours ? 13.4 la désintégration alpha • Quand un noyau subit une désintégration alpha, il se transforme en un nucléide différent en émettant une particule alpha (un noyau d’hélium, 4He). • En général: A Z X= A− 4 Z −2 Y + He 4 2 • Par exemple: 238 92 U= 234 90 Th + He 4 2 • L’énergie libérée est: Q = ( M X − M Y − M 4 He )c 2 2 13.4 la désintégration alpha • La particule α existe déjà dans le noyau. Lors d’une désintégration, la particule quitte le noyau par effet tunnel. Tableau 12.2: Comparaison de 2 émetteurs de particules alpha Radionucléides 218U Q Demi-vie 4,25 MeV 4,5x109 a 228U 6,81 MeV 9,1 min 12.4 la désintégration alpha • Exemple 13.5 la désintégration Bêta • Il existe un autre type de désintégration: LA DÉSINTÉGRATION BÊTA. • Un noyau qui se désintègre spontanément en émettant un électron β- ou un positron β+ (particule de la masse d’un électron dont la charge est e+) subit une désintégration Bêta. • Cette désintégration possède une énergie de désintégration définie et une demi-vie. • Les équations suivantes sont valables ici aussi! R = R0e −ett N = N0e − t 13.5 la désintégration Bêta • LA DÉSINTÉGRATION BÊTA MOINS β• Exemple: 32 P → S + e +  (T1/2 = 14,3 j). 32 − • LA DÉSINTÉGRATION BÊTA MOINS β+ • Exemple: 64 Cu → Ni + e +  (T1/2 = 12, 7 h). 64 + NEUTRINO: particule neutre de très faible masse ou de masse nulle émise par le noyau en compagnie de l’e- ou du positron pendant la désintégration. 13.5 la désintégration Bêta • La charge et le nombre de nucléons sont tous deux conservés dans les 2 types de désintégration bêta • Reprenons les 2 exemples précédents: • 1) CONSERVATION DES CHARGES (+15e) = (+16e) + (−e) + (0) • 2) CONSERVATION DES NUCLÉONS (32) = (32) + (0) + (0) 13.5 la désintégration Bêta ÉMISSION DANS LA DÉSINTÉGRATION BÊTA • DANS LA DÉSINTÉGRATION BÊTA MOINS β• Le neutron se transforme comme suit: n → p + e + − • DANS LA DÉSINTÉGRATION BÊTA MOINS β+ • Le neutron se transforme comme suit: p → n + e + + • Le nombre de masse A dans β+ ne varie pas. 13.5 la désintégration Bêta • L’énergie libérée est: Q = ( M X − M Y − M e )c 2 • L’énergie des e- et des positrons émis peut se situer entre 0 et une certaine valeur maximale Kmax Q = K max 12.5 la désintégration Bêta • Exemple page 506; Q24 Page 507; Q28 13.6 la datation par radioactivité • Comment peux-tu identifier l’âge d’un dinosaure trouvé sur une planète perdue? • En principe, si tu connais la demi-vie d’un radionucléide donné, on peut utiliser la désintégration de cet élément pour mesurer des intervalles de temps. • Paragraphe sur le CARBONE: p.349 à lire 13.6 la datation par radioactivité • Exemple (1) Comment une centrale nucléaire fonctionne-t-elle ? - C'est Pas Sorcier - YouTube (1) LES CENTRALES NUCLÉAIRES - C'est Pas Sorcier - YouTube (1) Principe de la datation au carbone 14 🦴 | Lycée -1ère Enseignement Scientifique - YouTube Fonctionnement d’une centrale nucléaire Et la datation d’’une fossile Exercices d’approfondissement 13 : 3, 10, 12, 13, 14, 16 , 7, 13, 20, 24, 27, 29, 38