Noyau atomique - Stabilité/Instabilité Nucléaire - PDF

**[Noyau atomique ]** **[Stabilité/instabilité nucléaire]** **[Histoire de la radioactivité]** Radioactivité nous entoure quotidiennement, pas inventée par l'Homme ! - Radioisotopes naturels présents sur toute la planète : - dans l'atmosphère (carbone 14, radon 222). - dans la croût...

**[Noyau atomique ]** **[Stabilité/instabilité nucléaire]** **[Histoire de la radioactivité]** Radioactivité nous entoure quotidiennement, pas inventée par l'Homme ! - Radioisotopes naturels présents sur toute la planète : - dans l'atmosphère (carbone 14, radon 222). - dans la croûte terrestre (uranium 238 et uranium 235, radium 226\...). - dans notre alimentation (potassium 40). La radioactivité est une propriété nucléaire résultant de l'instabilité de certains noyaux. [Radioactivité naturelle :] phenomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se transforment spontanement. Découverte en 1896 (fin XIXe siècle), par le physicien français Henri Becquerel de l'émission spontanée (sans apport d'énergie exterieure) de radiation par une substance. - Uranium émet des rayonnements invisibles capables d'impressionner une plaque photographique. *Prix nobel de physique en1903 pour la découverte de la radioactivité spontanée,\ Prix partagé avec Marie et Pierre Curie.* Pierre et Marie Curie isolent le polonium et le radium radioactifs du minerai d\'uranium en 1898. *Prix nobel de chimie en 1911 pour leurs travaux sur le radium (poids atomique).* [Radium :] utilisé dans les produits de beauté, les boissons\... - potion « magique » du fait des vertus rajeunissantes\... mais danger vers 1924, à l'origine de cancer pour ses manipulateurs. Ernest Ruthendorf découvre que la radioactivité est associeé à un phénomène de transmutation. - **le noyau qui se désintègre devient un autre élément chimique.** Il réalise la première transmutation artificielle en 1919. Irène Curie et Frédéric Joliot en 1938 arrivent à produire un isotope radioactif du phosphore qui **n'existe pas dans la nature**. Ils montrent qu'une réaction en chaîne peut fournir une quantité considérable d'énergie. *L'homme a su exploiter l' « énergie fabuleuse cachée au cœur de la matière »\...* **Quelques applications :** **Energétiques :** Centrales nucléaires à fission (produire de l'énergie). **Médicales :** Utilisation de médicaments radioactifs pour les diagnostics et le traitement des cancers (ex : cancer thyroïde avec iode radioactive). (**Radiotraceurs :** suivi de médicaments radioactifs dans l'organisme pour suivre dvlpmt d'une tumeur.) **Militaires :** Bombes nucléaires fusion ou fission. **Géologiques :** Datation. **[Structure de l'atome]** page3image60169744 **Les protons vont pouvoir se transformer en neutron et vice, versa.** **Les électrons vont soit rester en orbite soit être éjectés** lorsqu'un rayonnement incident interagit avec des constituants de la matière (noyau, électrons) qu'il trouvera dans son passage. L'essentiel de la matière est concentré dans le noyau et essentiellement constituée de vide. **Échelle de distance :** - La taille des atomes est de l'ordre 10-10 m ou 1 Å. - La taille des noyaux est de l'ordre 10-15 m ou 1 fermi (fm) (100 000 fois plus petit que les dimensions de l'atome). L'atome est neutre = **autant de protons que d'électrons** qui gravitent à grande vitesse (quelques milliers de km par seconde) autour du noyau. **[Structure du noyau atomique]**  Une image contenant texte Description générée automatiquement **[Nomenclature du noyau atomique ]**  Lorsque plusieurs atomes ont un noyau identique, il s'agit d'un même nucléide (même si son état électronique est diff : stable, excité, ionisé). **[Tableau des éléments :] Classification périodique de Mendeleïev** Une image contenant table Description générée automatiquement Correspond à une classification par numéro atomique Z croissant. Pour chaque élément : - Nom - N° atomique - Masse atomique - Symbole Il existe une centaine d'éléments. **[Isotopes d'un élément]** = différents atomes d'un élément ayant : - le même numéro atomique Z - même nom chimique (même nombre de protons, même nombre d'électrons). - un nombre de masse A différent (nombre de neutrons différent)  Une image contenant texte Description générée automatiquement Mêmes propriétés chimiques. Pour les séparer : différence de masse. 118 éléments (classés par Z) : \> 300 isotopes (car à chacun correspond plusieurs isotopes). Exemple de l'iode : iode 127 ; iode 125 ; iode 123 ; iode 131 sont des isotopes de l'iode. Exemple de l'uranium Uranium naturel est un mélange d'isotopes (14 isotopes)  [Abondance isotopique :] fraction molaire de cet isotope dans le mélange exprimée en %. **Somme des abondance isotopiques égale à 100.** Uranium 235 très utilisé pour faire électricité. **[Nomenclature]** Nb de proton caractérise l'élément. **[Les électrons]** **MODÈLE DE BOHR** Le modèle en couche énoncé par Niels Bohr (1913) - place les électrons sur des orbites circulaires ayant le noyau pour centre. - plus les orbites sont éloignées du noyau et moins les électrons qui gravitent sont liés énergétiquement à ce noyau. Les électrons d\'un atome se répartissent autour du noyau en couches concentriques appelées K pour la première , L pour la deuxième et ainsi de suite jusqu'à Q.  Au contraire, les électrons profonds, ceux des couches K et L, ont des énergies de liaison élevées (quelques dizaines de keV) et ce **d'autant plus que l'atome est lourd.** **[Unité de masse atomique ]** [UMA =] Unité de Masse Atomique **Masse atomique du carbone 12** : 12 grammes 1 UMA = 1/12 masse de l'atome de carbone 12. Echelle de masse définie expérimentalement **[Unité d'énergie et équivalence masse-énergie ]** [Unité d'énergie : ] L'électron-volt (eV) est l'énergie acquise par un électron accéléré par une différence de potentiel de 1 volt. 1 eV = 1,602.10-19 Joule On utilise souvent des multiples : - 1keV=103 eV - 1MeV=106 eV **Une masse peut se transformer en un équivalent énergétique\ (et inversement) :** Postulat d'Einstein (équivalence masse-énergie) - un système au repos de masse m possède une énergie E appelée énergie de masse :  **[Masse/Énergie]**  Ne pas retenir les masses mais ordre de grandeur et retenir que m électron = 511 keV. Lorsqu'un électron disparait dans des interactions, il n'y a plus de masse et se retrouve sous la forme d'une énergie de 511 keV. Si 1 électron + et un -- disparaissent, il y aura à la place, libération d'énergie de 1,02 MeV. Quand les 2 électrons vont se rencontrer, ils vont disparaitre (ils s'annihilent) mais on retrouve énergie de 1,022 MeV. mp = 1836 me mn = 1839 me Lorsque disparait proton ou électron : libération d'énergie. Si on veut augmenter m noyau, il faut augmt nb proton : *envoi d'énergie d'une valeur telle que notée dans le tableau.* **Pour convertir des uma en MeV** -\> x 931,5. **Pour convertir une énergie en masse** -\> ÷ 931,5. **Conséquences :** dE = dm. C2 Toute variation dE de l'énergie d'un système matériel est liée à une variation dm de la masse de ce système. Toute diminution de masse diminue l'énergie du système et libère de l'énergie rendue disponible. Inversement, un système qui absorbe de l'énergie voit sa masse augmenter. +-----------------------------------+-----------------------------------+ | **[Défaut de masse et énergie de | | | liaison ]** | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Le défaut de masse Delta m est | | | caractéristique d'un noyau de | | | masse M. | | | | | | On appelle défaut de masse d'un | | | noyau la différence entre la | | | masse totale des nucléons séparés | | | et la masse du noyau constitué. | | | | | | Il correspond donc à la | | | différence de masse entre | | | | | | \- Les nucléons à l'état libre | | | | | | \- Les mêmes nucléons «liés» au | | | noyau | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Une image contenant texte | | | Description générée | | | automatiquement | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ Exemple de l'hélium : Masse du noyau \< somme des masses des nucléons.  La formation du noyau implique donc une perte de masse.\ Le système final (He) est + stable que le système initial (4 nucléons). - Une partie de la masse des nucléons a été transformée en énergie de liaison. page8image60547824  Il faut différentier masse atomique et nucléaire. Quand la masse atomique est donnée, 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 est l'équivalent énergétique du défaut de masse Dm. L'énergie de liaison est égale à la différence entre la somme des énergies de masse des nucléons séparés et l'énergie de masse du noyau. El =\[Zmp +(A-Z)mn --m(AX)\].c2 page8image60379408 **[Energie de liaison par nucléon ]** On définit l'énergie de liaison par nucléon comme : **EL/A** **Unité :** MeV/nucléon Cette énergie correspond à l'énergie nécessaire pour arracher un nucléon au noyau. **Stabilité des noyaux :** Un noyau est d'autant plus stable que son énergie de liaison moyenne par nucléon est grande. **Courbe d'Aston** - permet de comparer la stabilité des différents types de noyaux  **Noyaux dont leur nombre de masse compris : 20 \< A \< 190** - EL d'environ 8 MeV/nucléon donc ce sont les plus stables **Noyaux (A \> 195) et A\