Cours de Première sur les réactions nucléaires spontanées
Cohésion du noyau
La cohésion du noyau est due à l’existence d’une interaction forte, attractive, qui unit l’ensemble des nucléons et prédomine devant l’interaction électrique (répulsion entre les protons).
Rappel sur le noyau de l’atome:
Un atome est constitué d’un noyau autour duquel se trouvent les électrons. Les dimensions de l’atome sont de l’ordre de 10 -10 m, et celles du noyau sont de quelques femtomètres. Le femtomètre, égal à 10 -15 m et noté fm, est aussi appelé fermi.
Un noyau est composé de nucléons : les protons et les neutrons. Ils ont un rayon d’environ 1,2 fm. Le proton présente une charge électrique : q de +e, où est la charge électrique élémentaire. Le neutron est neutre électriquement ; il est légèrement plus lourd que le proton. Les masses sont respectivement de et de .
Un nucléide (noyau) est noté sous la forme, où A est le nombre de nucléons, Z est le nombre de protons, le nombre de neutrons. Avec la classification périodique des éléments, le Z correspond au numéro atomique de l’élément chimique dont le nom est également le nom X du noyau.
Diagramme de Segré:
Sur le diagramme de Segré, la zone centrale en rouge est appelée « vallée de stabilité » et correspond aux noyaux stables.
Dans certains cas, la cohésion n’est pas suffisante. On dit que les noyaux sont instables (ils sont situés en dehors de la vallée de stabilité) : ils sont dit radioactifs et se transforment spontanément en d’autres noyaux. Cette transformation est appelée désintégration.
Exemple : De noyau radioactif en noyau radioactif, l’uranium 238 tend à se transformer en une forme stable, le plomb 206.
Différents types de désintégrations
Un noyau instable va se désintégrer afin d’en former un plus stable. Concrètement, au bout d’une ou plusieurs désintégrations, il va se modifier jusqu’à devenir un noyau de la vallée de stabilité. Pour cela, il a diverses possibilités de désintégrations dont nous allons en étudier certaines.
Désintégration alpha
Un noyau où sera instable car trop lourd. Pour devenir plus stable, un moyen est d’éjecter 2 protons et 2 neutrons, c’est-à-dire un noyau d’hélium, appelée particule alpha (α) :
Cela concerne la zone jaune de la carte des nucléides. Le noyau X est nommé noyau père, et le Y est le noyau fils. Le symbole * signifie que le noyau fils est dans un état excité. Le rayonnement alpha est stoppé par une feuille de papier ou quelques centimètres d’air.
Exemple : Désintégration de l’Américium 241 en Neptunium 237 :
Désintégration bêta –
Un neutron « qui ne sert pas » est instable. Pour preuve, un neutron isolé se désintègre en proton selon la réaction :
Le est un électron (particule) et un anti-neutrino. Cette particule neutre est souvent omise dans les réactions.
Un noyau comportant trop de neutrons par rapport à la vallée de stabilité sera dans la zone bleue sur la carte des nucléides. Il subira une désintégration selon la réaction générale :
Cette désintégration se fait par le biais de l’interaction faible. Le rayonnement est plus pénétrant que le rayonnement α, mais il est arrêté par une feuille d’aluminium.
Exemple : Désintégration du Carbone 14 en Azote 14 :
Désintégration bêta +
III. Lois de conservation « lois de Soddy »
Toutes les réactions nucléaires, y compris bien sûr celles abordées à la section précédente, respectent des lois de conservation. Ces lois sont nommées lois de Soddy, en référence à Frederick Soddy (1877-1956) qui les a énoncées.
Les lois de Soddy indiquent que lors d’une transformation nucléaire, le nombre de nucléons et la charge électrique sont conservées.
Quand on dit que la somme des Z est conservée lors d’une réaction nucléaire, cela ne veut pas dire que le nombre de protons est invariant, mais que la charge électrique totale est conservée lors de la réaction.
Les lois de Soddy ne mentionnent pas non plus que le nombre de protons et le nombre de neutrons sont conservés. En cas de désintégration , un proton devient neutron. En cas de désintégration, un neutron devient proton. C’est le nombre de nucléons qui est constant, indépendamment du fait qu’ils soient protons ou neutrons.
IV. L’activité radioactive
- Quantifier la radioactivité:
Pour quantifier la radioactivité d’une source radioactive, il est courant de mesurer son activité, c’est-à-dire le nombre de désintégrations qu’elle produit par unité de temps. Une unité d’activité est le Becquerel, noté Bq. Un Becquerel correspond à une désintégration par seconde, quelle que soit la nature de cette désintégration (alpha, bêta, …).
On peut exprimer cette activité par unité de masse : on parlera ainsi de Becquerel par kilogramme. Il est également possible de définir une activité volumique, avec des Becquerel par litre (pour les liquides) ou des Becquerel par mètre cube (pour les gaz).
Radioactivité naturelle et artificielle:
La radioactivité naturelle a été découverte par Henri Becquerel en 1896, en laissant accidentellement des sels d’uranium sur une plaque photographique, qui fut impressionné par la radioactivité émise. Parmi les sources de radioactivité naturelle et de rayonnements ionisants le radon 222, le sous-sol contient une faible proportion d’uranium 238 qui, en se désintégrant, donne du radon 222. Celui-ci est un gaz radioactif, qui remontera à la surface. Le radon s’infiltrera par les fissures du sol et s’accumulera dans les maisons, caves, ou autres bâtiments fermés. Son activité est de l’ordre de 100 Bq/m3 pour un local en rez-de-chaussée correctement aéré, mais peut sinon être multipliée par 10. Certaines régions françaises sont plus exposées au radon que d’autres, comme la Bretagne ou le Massif central : ces régions sont riches en granite, composé d’uranium.
En 1934, en bombardant une feuille d’aluminium avec des noyaux d’hélium, Frédéric et Irène Joliot Curie synthétisent un isotope radioactif du phosphore.
Alors que l’isotope naturel est stable, le phosphore 30 a une faible durée de vie, de quelques minutes. Il émet en se désintégrant une particule alors inconnue à l’époque, le positon (ou positron, ou anti-électron). Ils découvrent ainsi la radioactivité artificielle.
De manière générale, la radioactivité artificielle consiste à synthétiser des noyaux radioactifs de durées de vie trop courtes pour exister dans la Nature. Souvent, ces radionucléides sont émetteurs de positons. Et parmi les sources de radioactivité artificielle, la médecine : La radioactivité présente diverses applications, comme la radiographie X, l’injection d’un traceur radioactif, la radiothérapie, la tomographie par émission de positons, etc. Certains rayonnements ionisants, dont les rayons X, ne sont pas produits par radioactivité, mais par excitation d’atomes. En médecine nucléaire, les isotopes utilisés sont le Technétium 99, le Thallium 201, l’Iode 123 et 131, le Gallium 61, l’Indium 111. Ils sont produits principalement dans les réacteurs nucléaires.
