CHAPITRE I : Noyau atomique - Masses et Energie Réactions nucléaires - Désintégrations radioactives

CHAPITRE I : Noyau atomique - Masses et Energie Réactions nucléaires - Désintégrations radioactives

1. Noyau atomique :

1. Définitions et vocabulaire :

L’atome :

Un atome neutre est constitué de Z protons, N neutrons et Z électrons.

L’interaction des électrons avec l’environnement détermine les propriétés chimiques des atomes. [pic 1]

Symbole :

A = nombre de masse de l’atome

Z = nombre de charge (nb d’électrons si il est neutre)

Le noyau :

Symbole :

A = nombre de nucléons[pic 2]

Z = nb de protons [pic 3]

N = nb de neutrons

Les isotopes sont deux noyaux qui ont le même Z (donc le même symbole) mais des valeurs de A (donc de N) différentes.

Les isobares sont deux noyaux différents (donc avec  des Z différents) mais ayant les mêmes A.

1. Noyaux stables :

Un noyau est un système lié de nucléons, il faut lui fournir de l’énergier pour le réduire en ses constituants.

Le noyau dans son état lié a une masse inférieur à la somme de ses constituants.

Un noyau stable est un noyau qui ne se désintègre pas spontanément, sa durée de vie est infinie ou comparable à l’age de l’univers (109 ans)

Il existe mois de 300 noyaux stables dans la nature.

1. Noyaux radioactifs ou instables :

Un noyau radiactif est un noyau qui se transforme spontanément en un autre noyau : sa durée de vie est finie. Il  une « période radioactive ».

Le noyau radioactif tend à se transformer spontannément en un noyau stable en émettantant un rayonnement composé de particules de matières :

• Electrons
• Positrons
• Neutrons
• Protons
• Alpha

Avec parfois des particules de lumière (photons)

Un noyau instable peut exister naturellement, on parle de radioactivité naturelle. Elle peut ausiêtre produite par réaction nucléaire, c’est la radioactivité artificielle.

1. Désexcitation gamma du noyau :

On dit que le noyau est excité lorsqu’il a acquis un surplus d’énergie (vrai pour des noyaux stables ou radioactifs).

Symbole :

Le noyau excité peut vibrer, il est en état vibrationnel.

Il peut aussi tourner sur lui-même, c’est l’état rotationnel.

LE NOYAU EXCITE VEUT RETOURNER VERS SON  ETAT FONDAMENTAL.

Le moyen le plus utilisé par le noyau est la désexcitation γ qui permet le passage d’un niveau d’énergie initiale Ei vers un niveau d’énergie finale Ej

Avec Ei > Ej

Par émision d’un photon γ qui emporte l’énergie.

[pic 4]

[pic 5]

E γ = h ν = Ei – Ej

h est la constant de planck avec h = 6,63 x 10-34 J.s et ν est la

fréquence du rayonnement gamma.

1. Rayonnement ou matière ?

Pour les particules, on parle indifféremment de rayonnement ou de matière.

Le photon γ est donc à la fois une onde et une particule.

Sa masse est nulle mγ = 0,

Sa vitesse est celle de la lumière dans le vide vγ = c = 3 x 108 m/s,

Sa longueur d’onde vaut λγ = hc/Eγ.

Quand on pass d’un état excité à l’état fondamental du noyau, on écrit la réaction de désexciation :

1. Unités utilisées pour la radioactivité :

1. Unité d’énergie :

L’électron volt est l’énergie d’une charge élémentaire

e = 1,6 x 10-19 C soumise à une d.d.p de 1 V.

[pic 6]

1 eV = 1,6 x 10-19 J

1. Unité de masse atomique :

Une unité de masse atomique est égale à 1/12ème de la masse de l’atome de carbone 12.

[pic 7]

1 u.m.a. = 1,66 x 10-27 kg

1. Masse et énergie :

1. Masse d’un noyau :

La masse d’un noyau est donné par la masse de son état fondamental.

On la donne en u.m.a.

1. Energie de masse au repos : définition :

Principe d’équivalence masse-énergie :

[pic 8]

E = mc²

• Proton : mpc2 = 938,3 MeV ;
• neutron : mnc2 = 939,6 MeV ;
• électron : mec2 = 0,511 MeV ;
• particule alpha : mac2 = 3727,5 MeV

Intérêts d’utiliser des énergies de masses plutôt que des masses :

Ca permet d’écrire l’énergie totale d’une particule ou d’un noyau comme la somme de son énergie de masse au repos dans l’état fondamental, de son énergie d’excitation si elle existe et de son énergie cinétique si la particule ou le noyau est en mouvement.

[pic 9]

Etot = mc2 + E* + EC

1. Energie de masse au repos d’un noyau :

Energie de masse au repos du noyau, dans son état fondamental

[pic 10]

[pic 11]

        = masse des constituants du noyau – énergie de liaison des nucléons dans le noyau.

Il faut une énergie de liaison B(A,Z) pour que les protons du noyau ne se repoussent pas par répulsion coulombienne (charges identiques).

L’énergie de liaison par nucléon, B(A,Z)/A, est une quantité presque constante qui vaut de l’ordre de 8MeV pour les noyaux stables au dessus de A = 5.

Si un noyau dans un état excité d’énergie En, alors l’énergie de masse au repos s’écrit :

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