Radioactivité et noyau atomique

nucléon, numéro atomique, nombre de masse — 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.

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

1. 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.
2. Le nombre de neutrons s'obtient par différence :$14-6=8$
3. 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 protons et 8 neutrons

isotopes — 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.

radioactivité — 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.

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.

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

1. L'émission d'un noyau d'hélium retire 4 nucléons :$238-4=234$
2. Elle retire aussi 2 protons :$92-2=90$
3. Le noyau formé a donc $Z=90$ : c'est du thorium, et son nombre de masse est 234.${}_{92}^{238}U{⟶}_{90}^{234}Th{+}_2^{4}He$
4. Contrôle indispensable : la somme des nombres de masse et celle des numéros atomiques se conservent de part et d'autre de la flèche.

du thorium 234, accompagné d'un noyau d'hélium

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

1. En β⁻, un neutron devient un proton : le nombre total de nucléons ne bouge pas, donc $A$ reste égal à 14.
2. Le nombre de protons augmente de 1 :$6+1=7$
3. L'élément de numéro atomique 7 est l'azote. Le carbone 14 se transforme donc en azote 14, en émettant un électron.${}_6^{14}C{⟶}_7^{14}N+e^{-}$

de l'azote 14, accompagné d'un électron

demi-vie — 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.

Calculer ce qu'il reste après une durée donnée

1. Diviser la durée écoulée par la demi-vie pour obtenir le nombre de demi-vies.$24÷8=3$
2. Diviser la quantité initiale par 2 autant de fois que ce nombre l'indique.$800÷2÷2÷2=100$
3. Écrire la suite complète sur la copie — 800, 400, 200, 100 — plutôt que d'aller directement au résultat : elle vaut démonstration.
4. Contrôler que la quantité restante est bien inférieure à la précédente et jamais nulle.

fission nucléaire — 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.

fusion nucléaire — 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.

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.