Noyau atomique - Masse et Energie Réactions nucléaires Désintégration radioactives

Chapitre 1 : Noyau atomique - Masse et Energie Réactions nucléaires Désintégration radioactives

1. – Noyau  atomique

L’ATOME

Atome neutre = Z protons, N neutrons et Z électrons.

L’interaction des électrons avec l’environnement détermine les propriétés chimiques des atomes.

[pic 2]

Symbole [pic 3][pic 4][pic 5]

A = nombre de masse de l’atome

Z = nombre de charge (= nombre d’électrons de l’atome si atome neutre)

LE NOYAU

A = nombre de nucléons [pic 6]

Z = nombre de protons

 N = nombre de neutrons

A = Z + N

Protons et neutrons appartiennent à la même famille des nucléons.

Le noyau est un système lié de nucléons : comme un sac enfermant des billes qui n’ont pas assez d’énergie pour sortir : il faut fournir de l’énergie au noyau pour le réduire en ses constituants. On verra plus tard le lien entre masse et énergie.

Isotopes : on appelle isotopes deux noyaux ayant même Z (donc même symbole chimique) mais des valeurs de A différentes, donc N différents.

Ex :[pic 7]

Isobares : on appelle isobares deux noyaux différents (donc des Z différents) mais ayant même nombre de masse (A identique)

[pic 8]

Ex :

• Noyaux stables

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

Le noyau dans son état lié à une masse inférieure 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’âge de l’Univers (~109 ans).

• Noyaux radioactifs ou instables

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

Le noyau radioactif tend à se transformer spontanément en un noyau stable en émettant un rayonnement composé :

-        de particules de matière : électron, positron, proton, neutron, alpha

-        et parfois des particules de lumière (photons γ).

Un noyau instable peut exister naturellement (on parle de radioactivité naturelle), ou être produit par réaction nucléaire (radioactivité artificielle).

• Désexcitation gamma du  noyau

On dit que le noyau est excité lorsqu’il a acquis un surplus d’énergie. C’est vrai pour des noyaux stables ou radioactifs. Un noyau dans un état excité prend le symbole étoile en exposant.

Exemple de notation :        [pic 9]

Le noyau excité peut alors vibrer (état vibrationnel) ou tourner sur lui-même (état rotationnel). Ou encore les nucléons se placent sur un niveau d’énergie plus élevé, comme le font les électrons dans l’atome.

Le noyau dans un état excité veut retourner vers son état fondamental.[pic 10]

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 Ef , avec Ei > Ef , par émission d’un photon γ qui emporte l’énergie.

[pic 11]

h = la constante de Planck = 6,63 x 10-34 J.s

ν = la fréquence du rayonnement gamma

• Rayonnement ou matière ?

En physique fondamentale : pas de distinction entre rayonnement et matière, on parle de particules.

Le photon g est donc à la fois une onde (rayonnement) et une particule (matière).

• 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 passe d’un état excité à l’état fondamental du noyau, on écrit la réaction de désexcitation :[pic 12]

Attention : X est toujours le même noyau dans l’état initial et l’état final : ce processus n’est donc pas une désintégration mais une désexcitation.

Cette réaction de désexcitation est un 1er exemple de réaction nucléaire (comme en chimie) qu’il faut équilibrer.

En chimie on conserve la matière, ici il y a d’autres règles.

Sur cet exemple on conserve l’énergie entre les états initial et final : il faut donc un photon dans l’état final, qui emporte l’énergie d’excitation que le noyau a perdu  pour revenir à son état fondamental

1. – Unités utilisées pour la radioactivité

• Unité d’énergie

Joule n’est pas adapté pour les énergies des noyaux et des particules car valeurs trop faibles. On utilise l’électron-Volt et ses multiples.

Un 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 13]

On utilise les multiples suivants :

1 keV = 103 eV = 1,6 x 10-16 J

1 MeV = 106 eV = 1,6 x 10-13 J pour les noyaux

1 GeV = 109 eV = 1,6 x 10-10 J

1 TeV = 1012 eV = 1,6 x 10-7 J pour les par/cules des gros accélérateurs.

• Unité de masse atomique

C’est l’unité utilisée pour les masses en radioactivité (plutôt que le kilogramme, pas adapté).

1 unité de masse atomique (u.m.a.) est égale à 1/12ème de la masse de l’atome de carbone 12 (12C).[pic 14]

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