Physique nucléaire

Bonne chance pour tes révisions Castanet 😏😘

I - La radioactivité

Certains noyaux d'atomes sont instables. Ils se transforment en noyaux stables lors d'une transformation nucléaire.

• Si les noyaux radioactifs se rencontrent dans la nature → Radioactivité naturelle
• Si les noyaux radioactifs sont fabriqués par l'homme → Radioactivité artificielle

1) Désintégration nucléaire

Lors d'une désintégration nucléaire, il y a conservation du nombre de nucléons A et du nombre de charge Z

A = A1 + A2 et Z = Z1 + Z2

2) Différentes radioactivités

Selon leur position dans le diagramme (N,Z), les noyaux instables engendrent un type de radioactivité. Aussi si le noyau fils obtenu lors d'une désintégration est stable ou non, il se désintègre immédiatement après.

a) Radioactivité α

Elle concerne les noyaux lourds. Ces noyaux se désintègrent en expulsant des noyaux d'Hélium (= particules α) en suivant les lois de conservations.

Propriétés : Les particules α sont arrêtées par une feuille de papier ou une petite couche d'air.

• Très peu pénétrante (en terme de contamination)
• Très ionisante (en terme d'irradiation)

→ Elles sont très dangereuses si ingerées

b) Radioactivité β−

Elle concerne les noyaux qui ont trop de neutrons. Ces noyaux se désintègrent en émettant un électron.

Remarques : L'électron ne provient pas du cortège électronique puisque tout se passe à l'intérieur du noyau, comme le noyau ne comporte pas d'électrons → il a été créé. 

Lors de la radioactivité β−, le nombre de masse A reste constant, mais le numéro atomique Z augmente +1 car un neutron s'est transformé en protons → pendant cette transformation, un éléctron est éjecté.

Propriétés : Le rayonnement β− est arrêté par une épaisseur de queqlues millimètres d'aluminium

• Assez pénétrant (en terme de contamination)

c) Radioactivité β+

Elle concerne les noyaux artificiels ayant trop de protons. Ces noyaux se désintègrent en émettant une particule chargée e+ appelé positron

Remarque : Comme pour la radioactivité β-, un positron ne fait pas partie du noyau → il est forcément formé pendant la transformation d'un neutron en protons

Propriétés : Les particules β+ s'annihilent lorsqu'elles rencontrent un éléctron et créé un rayonemment (dangereux). On utilise ces particules en médécine de par leur durée de vie. 

d) Désexcitation

Après une radioactivité α ou β, le noyau fils qui est produit est dans un état excité Y*. Il se désexcitera en une ou plusieurs étapes en émettant un rayonnement électromagnétique (de même type que la lumière) par l'intermédiaire de photons de très grande énergie : les photons γ

Propriétés : Ces rayonnements γ sont arrêtés par une épaisseur de 20 cm de plomb

• Très pénétrants (en terme de contamination)

e) Activité radioactive

L'activité d'un échantillon radioactif est le nombre de désintégration par seconde. Elle s'exprime en becquerel (noté Bq) et peut être évaluée par un compteur geiger.

II - Les réactions nucléaires 

1) La fission nucléaire

Réaction de fission → Un noyau lourd éclate sous l'impact d'un neutron

Elle est utilisée dans les réacteurs nucléaires.

2) La fusion nucléaire

Réaction de fusion → Deux noyaux légers s'associent pour former un noyau plus lourd (parfois + émission de particules légères)

Le projet ITER est un réacteur à fusion expérimental qui devrait aider à résoudre de nombreux problèmes technologiques.

3) Équation d'une réaction nucléaire 

Une transformation nucléaire → équation nucléaire qui peut s'écrire sous la forme d'une équation du type :

Lorsqu'il y a transformation nucléaire, il y a conservation de la charge électrique et du nombre de nucléons A.

III - Bilan énergetique

Un objet de masse m au repos possède une énergie E appelée énergie de masse tel que :

E = m.c²

• E : énergie en J
• m : masse en kg
• c : célérité de la lumière (3.10^8 m/s)

1) Défaut de masse 

Le défaut de masse d'un noyau c'est la différence entre la masse des nucléons isolés et la masse du noyau

Δmnoyau = Z x mp + (A - Z) x mn - mnoyau

Cette masse manquante a été convertie en énergie de liaison. Cette énergie est exprimée en eV

2) Bilan énergétique au cours d'une réaction nucléaire

On définit la variation de masse Δm par :

Δmréactifs = mproduits - mréactifs < 0

Au cours d'une réaction nucléaire, l'énergie liberée est donnée par :

Eliberée = I Δm I x c²