Radioactivité Réactions nucléaires

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2- RADIOACTIVITE 2-1 Définition

 La radioactivité c’est un processus par lequel certains noyaux atomiques émettent de façon spontanée un rayonnement. La radioactivité a été découverte par Henri Becquerel en 1896.

 Un noyau radioactif est un noyau instable dont la désintégration (destruction) provoque l'apparition d'un nouveau noyau, l'émission d'une particule notée α, β^- ou β⁺, et fréquemment l'émission d'un rayonnement électromagnétique noté γ .

2.2 Rayonnement nucléaire :

E. Rutherford a identifié trois types de radioactivité : rayonnement α, β et γ

Influence d’un champ électrique sur la trajectoire des particules radioactives 2.2.1 Rayonnements α

Des noyaux sont dits radioactifs α s'ils émettent des noyaux d'hélium ⁴₂He. Le noyau de l'atome d'hélium porte deux charges positives. On ne les représente pas.

ZX

A → ^A−4_Z−2Y+ ⁴₂He

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L’émission α concerne les noyaux lourds tels que Z > 82.

Exemple :

L'uranium 238 est un noyau radioactif α : ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Y+ ⁴₂He (noyau fils : thorium)

Ces particules sont arrêtées par quelques centimètres d'air ou par une feuille de papier, mais elles sont très ionisantes et donc dangereuses.

2.2.2 Rayonnements β ^–

Des noyaux sont dits radioactifs β ^- s'ils émettent des électrons ₋₁⁰e .

ZX

A → Z+1AY+ −10e Exemple :

le cobalt 60 est un noyau radioactif β ^-.

Son équation de désintégration s'écrit : 2760Co → 2860Co + −10e

Les particules β^- sont assez peu pénétrantes. Elles sont arrêtées par quelques millimètres d'aluminium.

2.2.3 Rayonnements β ⁺:

Des noyaux sont dits radioactifs β ⁺ s'ils émettent des positons ₊₁⁰e Ce sont des particules β⁺ portant une charge +e

ZX

A → _Z−1^AY+ ₊₁⁰e

Exemple : le phosphore 30 est un noyau radioactif β ⁺ : 1530P → 1430Si + +10e Remarque:

La radioactivité β ⁺ne concerne que des noyaux artificiels, obtenus par des réactions nucléaires, qui possèdent trop de protons. Un proton excédentaire se transforme en un positon et un neutron suivant le bilan : ₁¹P → ₀¹n + ₊₁⁰e

N augmente d'une unité et Z diminue d'une unité, A reste constant.

Ces particules ont une durée de vie très courte car lorsqu'elles rencontrent un électron, les deux particules s'annihilent pour donner de l'énergie sous forme d'un rayonnement électromagnétique γ suivant le bilan : ₋₁⁰e+ ₊₁⁰e→ γ

C’est un rayonnement caractéristique des éléments légers

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Le noyau fils est en général obtenu dans un état excité (niveau d'énergie élevé), il est noté Y*.

Cet état est instable, le noyau se désexcite en évacuant cette énergie excédentaire, en émettant un rayonnement électromagnétique γ (particules très énergétiques appelées photons).

Équation d'une émission γ :

Y^¿→ Y+γ

En général lorsqu’un noyau est formé lors d’une désintégration α ou β, il n’atteint pas immédiatement son état fondamental il se trouve dans un état excité. Le passage de l’état excité à l’état fondamental libère un photon γ ou une cascade de photons de grande énergie.

Émission γ après un processus de désintégration β L’émission γ ne modifie ni le numéro atomique, ni le nombre de masse.

2.3 Radioactivité artificielle et les réactions nucléaires : 2.3.1 Transmutations nucléaires :

Ces réactions produisent des nucléides de nombre de masse égal ou très voisin de celui du nucléide qui a servi de cible, les nucléides formés sont stables ou radioactifs :

2.3.2 La fission nucléaire

Rupture d’un noyau en au moins deux noyaux plus légers de masses comparables avec émission de neutrons. Cette réaction nucléaire s’accompagne souvent d’un grand dégagement d’énergie.

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Exemple : fission d’un noyau d’uranium 235 :

La fission d’un noyau d’uranium peut donner différents noyaux plus légers. L’équation générale d’une fission est :

92U

235 +₀¹n→ X^A_Z +²³⁴⁻_92−Z^AY+2₀¹n Ou bien :

92U

235 +₀¹n→ X^A_Z +^233−A_92−ZY+3₀¹n

Un noyau d’uranium fissionne s’il est heurté par un neutron, il émet alors deux neutrons, si le processus ne cesse pas il donne lieu à une réaction nucléaire en chaîne.

2.3.3 La fusion nucléaire

Dans la fission, deux noyaux très légers se réunissent pour former des noyaux plus lourds avec expulsion d’un neutron ou d’un proton et libération d’une très grande énergie.

Exemple ¹

3

H +

₁²

H ⃗

₂⁴

He +

₀¹

n + E

L’énergie libérée est considérable, mais la réaction demande une température très élevée ≈ 1million °C.

Exemple : parmi les réactions les plus intéressantes, citons :

36Li + ₁²H → 2₂⁴He + E

1

2H + ₁²H → ₁¹H + ₁³H +E

1

2H + ₁²H → ₂³He + ₀¹n +E

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La bombe d’hydrogène est une application directe de ces réactions thermonucléaires. Le contrôle de l’énergie libérée n’est pas encore résolu.

Le soleil est un énorme réacteur à fusion, il produit environ 10²⁶ J.s^-1

2.4 Cinétique de la désintégration radioactive :

La désintégration est une réaction nucléaire spontanée, elle se produit sans aucune intervention extérieure. Elle ne dépend pas ni de son environnement chimique, de l'espèce chimique qui contient le noyau radioactif ; ni des conditions extérieures (pression ou température).

Une désintégration est une transmutation, c’est-à-dire la transformation d’un noyau « père » en un noyau « fils » appartenant à un autre élément. Elle est accompagnée de l’émission de corpuscules.

noyau parent instable spontanée

→ noyau fils stable

2.4.1 La loi de désintégration radioactive :

Par analogie à une réaction chimique, la vitesse de réaction est d’ordre 1. En effet, l’expérience montre que le nombre d’atomes radioactifs qui se désintègrent est proportionnel au nombre d’atomes instables (N) présents à l’instant (t) donnée.

La vitesse de désintégration s’écrit :

Avec :

λ : constante de désintégration ou constante radioactive unité de temps ( s-1,min-1,h-1,an-1..)

Après intégration :

∫

N0

Nt

dN

N =−λ

∫

0 t

dt⟹lnN|_N^N₀^t=−λt+K …… … …… … … ….(1)

à t=0 ; N0 nombre de noyau de l’élément à l’instant initial, cette condition permis de trouver la constante K .

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lnN0=−λ.0+K d^'où K=lnN0 On remplace la constante K par sa valeur dans (1) on obtient :

lnN_t=−λt+lnN₀ lnN_t–lnN₀=−λt ln N_t

N₀=−λt⟹ N_t N₀=e^−λt La loi de désintégration s’écrit ainsi comme suit :

N_t=N₀e^−λt Avec :

N_t : le nombre de noyaux qui reste après un temps (t) donnée N0 : nombre de noyaux à l’instant (t=0)

X Y + particule

à t=0 N0 0 (pas de désintégration à t=0)

à t≠0 N N0 – N N0 – N : nombre de noyaux désintégrés au bout d’un temps t donné NY=N0 – N : : nombre de noyaux Y formés au bout d’un temps t donné

Cette loi peut être écrite sous une autre forme en fonction de la masse de l’élément radioactif étudié puisque :

Dans 1 mole de l’élément on à NA le nombre d’Avogadro 1 mol NA

n mol de l’élément (m/M) N

m. N A

M =m0. N A M . e^−λt donc m=m0e^−λtou n=n0. e^−λt avec :

n : nombre de mole de l’élément

m : la masse de l’élément radioactif à l’instant t≠0 m0 : la masse de l’élément radioactif à l’instant t=0

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2.4.2 La période T : est le temps au bout duquel le nombre initial de noyaux radioactifs a été divisé par deux. La valeur de T est indépendante de N0.

N_t_1/2=N₀e^−λt¹^/2… … … …..(2) Quand t =T= t1/2 donc : _N

t1/2=N₀ 2

On remplace ^Nt1/2 dans l’équation 2 on obtient : N₀

2 =N₀e^{−λ t}^1/2 il convient d’écrire :

1

2=e^{−λ t}^1/²⟹ln1

2=−λ t_1/2⟹ln2=λ t_1/2 Donc :

t_1/₂=ln 2 λ =T

Certains nucléides radioactifs restent stables pendant des milliards d’années, d’autres se décomposent en une fraction de seconde.

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2.4.3 L’Activité :

L'activité A d'un radionucléide est le nombre de désintégrations qui se produisent par unité de temps dans une quantité donnée de ce radionucléide L'activité représente donc la vitesse de désintégration du radionucléide :

A=−dN dt =λN où

A : représente l’activité qui est le nombre de désintégration par second Unité de l’activité :

 Désintégrations par seconde (dps) ou désintégrations par minute (dpm)

 Becquerel (Bq) 1Bq=1dps (SI)

 Curie (Ci) 1 Ci = 3,7.1010 dps (Bq) Loi de désintégration en fonction de l’activité :

L’activité à l’instant t=0 t est donnée par : ^A0=λ N₀

L’activité à l’instant t≠0 t est donnée par : ^At=λ N_t⟹N_t=¿ avec N_t=N₀e^−λt La loi de désintégration s’écrit donc :

A_t=λ N₀e^−λt=A₀e^−λt A A e⁻^λt

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2.5 Énergie nucléaire

2.5.1 Masse et énergie : relation d’Einstein a- Équivalence masse-énergie

 Postulat d'Einstein (1905) : Un système de masse m lorsqu'il est au repos possède, une énergie de masse : _{E=m. C}²

E: énergie du système en joules (J) m: masse du système en kilogrammes (kg)

C: célérité (vitesse) de la lumière dans le vide (C=3,0.10⁸m.s^-1)

La formule d’Einstein montre que la masse au repos et l’énergie sont des grandeurs équivalentes. En effet, en mécanique classique, une particule libre au repos possède une énergie nulle. La masse peut se transformer en énergie et réciproquement

Si le système (au repos) échange de l'énergie avec le milieu extérieur, (par rayonnement ou par transfert thermique par exemple), sa variation d'énergie ΔE et sa variation de masse Δm sont liées par la relation :

ΔE=ΔmC² Remarque :

 Si Δm < 0 alors ΔE < 0: le système fournit de l'énergie au milieu extérieur.

 Si Δm> 0 alors ΔE > 0: le système reçoit de l'énergie du milieu extérieur.

b- Unités de masse et d'énergie

Le joule est une unité d'énergie inadaptée à l'échelle microscopique. On utilise plutôt à cette échelle l'électron volt (noté eV).

L’électronvolt « eV » est une unité d’énergie bien adaptée à l'échelle du noyau : 1eV=1,6. 10⁻¹⁹J

1eV est l'énergie reçue par un électron accéléré par une différence de potentiel de 1V.

On utilise également le MeV (mieux adapté à l'échelle du noyau) : 1MeV=10⁶eV=1,60. 10⁻¹³J . 2.5.2 Énergie de liaison du noyau

Elle correspond à l’énergie qu’il faut fournir à un noyau au repos pour le dissocier en nucléons isolés et immobiles

El =Δm.C² El : énergie de liaison du noyau ( Mev)

Δm : défaut de masse du noyau en Kg

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C : célérite de la lumiére dans le vide ( m .s^-1)

Défaut de masse : En mesurant la masse des noyaux au repos et celles des nucléons, les scientifiques se sont aperçu que la masse d’un noyau est toujours inférieure à la somme des masses des nucléons qui le compose.

Cette différence de masse est appelée défaut de masse (Δm ) et se calcule comme suit : Soit un noyau ZAX Δ m=Z ×mP+(A−Z)× mN– mnoyau>0

2.5.2 Energie de liaison par nucleon EA = El / A El : énergie de liaison du noyau (en Mev)

EA : énergie de liaison par nucléon (en Mev/nucléon) A: nombre de nucléon du noyau

 EA permet de comparer la stabilite des noyaux entre eux.

 Plus l’energie de liaison par nucleon est grande , plus le noyau est stable.

2.5.3 Variation de masse et bilan d’énergie d’une réaction nucléaire On appelle variation de masse d’une réaction nucléaire la quantité :

Δm(réaction)=

∑

^m(réactifs)−

∑

^m(^produits⁾

ΔE=Δm. C² 2.6 Applications de la radioactivité :

Les applications de la radioactivité sont nombreuses et très variées, citons : 2.6.1 Traceurs en chimie, biologie et médecine

En chimie : certains radio-isotopes (14C, 3H, 18O ….etc) sont employés comme traceurs introduits dans une molécule à la place d’un atome déterminé de l’isotope naturel (12C, 1H, 16O ….etc) afin de détailler le mécanisme d’une réaction donnée, ils peuvent êtres suivis grâce a leur rayonnement

Exemple

SO3 + SCl2 SOCl2 + SO2

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Dans cette réaction le soufre du dioxyde SO2 provient-il ? De SO3 ou de SCl2 pour savoir on emploie la technique de traceur, à l’aide de soufre radioactif 35S.

SO3 + *SCl2 *SOCl2 + SO2

Le mécanisme principal consiste en un transfert d’oxygène de SO3 à SCl2 En médecine :

On emploie des radioéléments comme traceurs, pour suivre le chemin de circulation dans le corps et les endroits où il se concentre. On peut suivre l’absorption de l’iode 131I, sa concentration dans la glande thyroïde et même son élimination, le 131I diminue l’hyperactivité de la tyroïde et permet ainsi le traitement des goitres exophtalmiques.

Application dans la radiographie, l’arme nucléaire, et la production de l’électricité.

Le rayonnement γ est employé dans la stérilisation de matériel médical, conservation des aliments, préservation des objets archéologique.

2.7 Dangers de la radioactivité

2.7 .1 Les effets des rayonnements nucléaires

Le rayonnement nucléaire est un rayonnement ionisant il est assez énergétique pour arracher les électrons des atomes, en effet quand une particule nucléaire à travers un rayonnement traverse une substance (la chair) elle entre en collision avec des électrons et ionise ainsi les atomes qu’elles rencontrent. Elle détruit les molécules organiques : tissus, ces effets sont :

- effets pathologiques : lésions, production de cancers et leucémies - effet génétique : modification des gènes.

De même chaque rayonnement a ces caractéristiques :

- rayonnements α : peu pénétrants stoppées par la peau, très dangereuses en cas d’ingestion

- rayonnements β : plus pénétrants (1 cm dans la chair) stoppés par interaction avec les noyaux

- rayonnements γ : très pénétrants ils traversent le corps humains Tous ces rayonnements provoquent des cancers.

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