Fiche à trous · 3ème · Physique-Chimie

Radioactivité et noyau atomique

Complétez de mémoire, puis vérifiez avec la page de corrigé.

Un noyau radioactif ne vieillit pas. Il n'est ni fatigué au bout d'un siècle, ni plus proche de sa fin qu'à sa naissance : à chaque instant, il a exactement la même chance de se désintégrer. C'est cette indifférence au passé qui rend la demi-vie si régulière — et qui permet, à partir d'un morceau de charbon, de dire en quelle année un feu a brûlé.

Le noyau atomique et sa notation

Définition — nucléon, numéro atomique, nombre de masse :

Exemple

Le carbone 14 s'écrit avec $Z = 6$ et $A = 14$ . Donner la composition de son noyau.

Résultat :

Piège

Lire le nombre de masse $A$ comme le nombre de neutrons.

Écrire systématiquement la soustraction $N = A - Z$ sur la copie, même quand elle paraît évidente. Un neutron ne se compte jamais directement, il se déduit.

Les isotopes

Définition — isotopes :

Deux isotopes ont les mêmes propriétés chimiques, parce que la chimie ne dépend que des électrons, donc de $Z$ . Ils peuvent en revanche avoir des comportements nucléaires radicalement différents : l'uranium 238 n'entretient pas de réaction en chaîne, l'uranium 235 si. C'est toute la difficulté de l'enrichissement de l'uranium — séparer deux isotopes que la chimie ne distingue pas.

La radioactivité et ses trois rayonnements

Définition — radioactivité :

Règle

Exemple

L'uranium 238 ( $Z = 92$ ) subit une désintégration α. Identifier le noyau formé.

Résultat :

15.

Exemple

Le carbone 14 ( $Z = 6$ ) est radioactif β⁻. Identifier le noyau formé.

Résultat :

La demi-vie

Définition — demi-vie :

21.

Calculer ce qu'il reste après une durée donnée

Piège

Conclure qu'après deux demi-vies, il ne reste plus rien du tout.

Écrire la suite des valeurs plutôt que de raisonner en pourcentages soustraits : 100 %, puis 50 %, puis 25 %, puis 12,5 %. Chaque terme est la moitié du précédent, et non 50 % de moins que le départ.

Fission, fusion et applications

Définition — fission nucléaire :

Définition — fusion nucléaire :

Les deux se distinguent par une phrase : la fission casse, la fusion assemble. Elles se distinguent aussi par leurs déchets. La fission produit des noyaux radioactifs à longue demi-vie, qu'il faut isoler pendant des milliers d'années ; la fusion n'en produit pas de comparable, ce qui explique l'effort de recherche international engagé sur cette voie.

Règle

Ai-je bien lu $A$ comme le nombre total de nucléons, et calculé $N = A - Z$ ?
Mes deux noyaux isotopes ont-ils le même $Z$ et un $A$ différent ?
Dans mon équation, la somme des $A$ et celle des $Z$ se conservent-elles des deux côtés ?
α retire 4 nucléons et 2 protons · β⁻ garde $A$ et ajoute 1 à $Z$ · γ ne change rien.
Ai-je divisé la durée par la demi-vie avant de diviser la quantité par 2 ?
Ai-je écrit la suite des valeurs, et vérifié qu'elle ne tombe jamais à zéro ?
Fission = casser un noyau lourd · fusion = assembler deux noyaux légers.

Corrigé · à détacher

Radioactivité et noyau atomique

1. Le noyau d'un atome contient des protons, chargés positivement, et des neutrons, sans charge. Les uns et les autres s'appellent des nucléons. Le numéro atomique $Z$ compte les protons et détermine l'élément chimique. Le nombre de masse $A$ compte tous les nucléons. Le nombre de neutrons s'en déduit par une soustraction.
2. $N = A - Z$
3. Le numéro atomique donne directement le nombre de protons : il y en a 6. C'est ce qui en fait un atome de carbone, et rien d'autre.
4. Le nombre de neutrons s'obtient par différence :
5. Le noyau compte donc 6 protons et 8 neutrons, soit 14 nucléons au total — ce que dit précisément le nombre 14 de son nom.
6. 6 protons et 8 neutrons
7. Deux noyaux sont isotopes lorsqu'ils ont le même nombre de protons et un nombre de neutrons différent. Ils appartiennent donc au même élément chimique — même $Z$ — mais n'ont pas la même masse. Le carbone 12, le carbone 13 et le carbone 14 sont trois isotopes du carbone.
8. Certains noyaux sont instables : ils se transforment spontanément en un autre noyau en émettant un rayonnement. Ce phénomène est la radioactivité. Il est aléatoire — on ne sait pas quel noyau se désintégrera ni quand — et inévitable : rien, ni la température, ni la pression, ni une réaction chimique, ne l'accélère ni ne le ralentit.
9. Trois désintégrations sont au programme. La radioactivité alpha, notée α, émet un noyau d'hélium : le noyau perd 4 nucléons dont 2 protons. La radioactivité beta moins, notée β⁻, émet un électron : un neutron se transforme en proton, donc $A$ ne change pas et $Z$ augmente de 1. Le rayonnement gamma, noté γ, est une onde très énergétique : il ne modifie ni $A$ ni $Z$ , il évacue seulement l'excès d'énergie du noyau.
10. L'émission d'un noyau d'hélium retire 4 nucléons :
11. Elle retire aussi 2 protons :
12. Le noyau formé a donc $Z = 90$ : c'est du thorium, et son nombre de masse est 234.
13. Contrôle indispensable : la somme des nombres de masse et celle des numéros atomiques se conservent de part et d'autre de la flèche.
14. du thorium 234, accompagné d'un noyau d'hélium
15. Pouvoir de pénétration : une feuille de papier arrête α, quelques millimètres d'aluminium arrêtent β, seul un écran épais de plomb atténue γ.
16. En β⁻, un neutron devient un proton : le nombre total de nucléons ne bouge pas, donc $A$ reste égal à 14.
17. Le nombre de protons augmente de 1 :
18. L'élément de numéro atomique 7 est l'azote. Le carbone 14 se transforme donc en azote 14, en émettant un électron.
19. de l'azote 14, accompagné d'un électron
20. La demi-vie d'un noyau radioactif est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux présents se sont désintégrés. Elle est propre à chaque isotope et va de la fraction de seconde à des milliards d'années : 8 jours pour l'iode 131, 5 730 ans pour le carbone 14, 4,5 milliards d'années pour l'uranium 238.
21. Décroissance radioactive : à chaque demi-vie, il reste la moitié de ce qu'il y avait. La courbe s'approche de zéro sans jamais l'atteindre.
22. Diviser la durée écoulée par la demi-vie pour obtenir le nombre de demi-vies.
23. Diviser la quantité initiale par 2 autant de fois que ce nombre l'indique.
24. Écrire la suite complète sur la copie — 800, 400, 200, 100 — plutôt que d'aller directement au résultat : elle vaut démonstration.
25. Contrôler que la quantité restante est bien inférieure à la précédente et jamais nulle.
26. La fission est la cassure d'un noyau lourd — l'uranium 235 — heurté par un neutron. Elle produit deux noyaux plus légers, quelques neutrons et une grande quantité d'énergie. Les neutrons libérés peuvent provoquer d'autres fissions : c'est la réaction en chaîne, qu'un réacteur de centrale contrôle en absorbant une partie de ces neutrons.
27. La fusion est l'assemblage de deux noyaux très légers — des isotopes de l'hydrogène — en un noyau plus lourd, avec libération d'énergie. C'est la réaction qui fait briller le Soleil et toutes les étoiles. Sur Terre, elle exige des températures de plusieurs millions de degrés, et aucune installation ne produit encore d'électricité par ce moyen.
28. Trois moyens, et trois seulement, réduisent l'exposition à un rayonnement : diminuer le temps passé à proximité, augmenter la distance à la source, interposer un écran adapté au rayonnement. Ils s'appliquent dans cet ordre en radiologie comme en centrale, et le choix de l'écran dépend du rayonnement — le papier ne sert à rien contre les γ.