• Aucun résultat trouvé

Physique nucléaire et radioprotection. à l usage de l environnement nucléaire

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Partager "Physique nucléaire et radioprotection. à l usage de l environnement nucléaire"

Copied!
51
0
0

Texte intégral

(1)

Physique nucléaire et radioprotection

à l’usage de l’environnement

nucléaire

(2)
(3)

Physique nucléaire et radioprotection

à l’usage de l’environnement nucléaire

Arnaud BOQUET

(4)

ISBN (papier) : 978-2-7598-2313-0 – ISBN (ebook) : 978-2-7598-2314-7

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consente- ment de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1er de l’article 40).

Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal.

© EDP Sciences, 2019

(5)

Je dédie ce livre à tous les titulaires du BTS CRIATP, qui, depuis 1962, ont contribué à amener la radioprotection française à son niveau d’exigence et de qualité actuels.

(6)
(7)

Table des matières

Remerciements 19 Introduction 21

Chapitre 1 • Les constituants de la matière 23 I – Structure simplifiée de l’atome 23 II – Nomenclature – Isotopes 28 III – Le tableau périodique 30 IV – Calcul des masses molaires 32 Exercices du chapitre 1 34 Corrigés des exercices du chapitre 1 35

Chapitre 2 • Historique de la radioactivité 37 I – Les découvertes sur les phénomènes liés à la radioactivité 37 1 – La découverte des rayons X 37 2 – La découverte de la radioactivité 38 3 – La découverte du polonium et du radium 39 4 – La découverte de la loi de la décroissance radioactive 40 5 – La découverte de la radioactivité artificielle 40 6 – La découverte de la fission nucléaire 42 7 – La découverte de la fusion nucléaire 42 II – Les découvertes en physique atomique et en physique nucléaire 43 1 – Les différents modèles de l’atome 43

(8)

2 – L’expérience de Chadwick 44 3 – La théorie de Fermi 45 4 – La découverte des éléments artificiels 47 5 – Un pas vers la physique des particules et la physique moderne 47 III – Le développement du nucléaire 52 1 – L’essor du nucléaire au début du xxe siècle 52 2 – La création de l’ICRU et de la CIPR 52 3 – La seconde guerre mondiale 53 4 – Le développement de l’armement nucléaire 55 5 – Le développement des centrales nucléaires 56

Chapitre 3 • Énergie au cœur de la matière 61 I – Les unités usuelles de la physique nucléaire 61 1 – Unité de masse 61 2 – Unité d’énergie 62 3 – Relation masse-énergie 63 II – Origine de l’énergie nucléaire 64 1 – Défaut de masse 64 2 – Énergie de liaison 65 3 – Excès de masse 67 4 – Courbe d’Aston 68 III – Bilan énergétique d’une réaction nucléaire 69 1 – Réaction nucléaire et lois de conservation 69 2 – Énergie dans une réaction nucléaire 70 3 – Énergie de séparation du dernier neutron 71 Exercices du chapitre 3 71 Corrigé des exercices du chapitre 3 73

Chapitre 4 • La radioactivité 77 I – Activité d’une source radioactive 77 1 – Définitions 77 2 – Forme mathématique 78 II – Étude systématique des transitions radioactives 80 1 – Définitions 80 2 – La désintégration a 82

3 – La désintégration b 85

4 – La désintégration b+ 87

5 – La désintégration par capture électronique e 90 6 – La désexcitation g 93

(9)

7 – La désexcitation par conversion interne e.c. 94 8 – Phénomènes secondaires accompagnant les transitions nucléaires 95 III – Stabilité et instabilité dans le noyau 98 1 – Le noyau stable 98 2 – Le noyau instable 99 Exercices du chapitre 4 103 Corrigés des exercices du chapitre 4 107

Chapitre 5 • Décroissance radioactive et comptage nucléaire 117 I – Loi de décroissance radioactive 117 II – Les filiations radioactives 120 1 – Problème à 2 corps 120 2 – Équilibres radioactifs 123 3 – Problème à n corps 125 III – Activation neutronique 126 1 – Définition de l’activation neutronique 126 2 – Mise en équation de l’activation neutronique 126 3 – Période d’activation suivie d’une période de décroissance 129 IV – Caractère aléatoire d’un comptage radioactif 129 Exercices du chapitre 5 134 Corrigé des exercices du chapitre 5 138

Chapitre 6 • Interaction rayonnement-matière 145 I – Généralités sur l’interaction rayonnement-matière 145 II – Interaction des ondes électromagnétiques avec la matière 147 1 – La diffusion Thompson 147 2 – La diffusion Rayleigh 148 3 – L’effet photoélectrique 148 4 – L’effet Compton 149 5 – Production de paires ou matérialisation 150 6 – L’effet photonucléaire 151 7 – Importance relative des processus d’interaction photoniques 152 III – Interaction des particules avec la matière 152 1 – Cas des particules chargées lourdes 153 2 – Cas des particules chargées légères 156 3 – Cas des neutrons 159 4 – Effet Tcherenkov 161 5 – Fabrication d’une source neutronique 161 Exercices du chapitre 6 162 Corrigé des exercices du chapitre 6 164

(10)

Chapitre 7 • Introduction à la dosimétrie externe 169 I – Généralités sur la dosimétrie 169 1 – Effets des rayonnements ionisants 169 2 – Définition de la dosimétrie 170 II – Grandeurs physiques 171 1 – Quantités intégrales 171 2 – Quantités dérivées 172 3 – Quantités globales 172 III – Grandeurs dosimétriques 173 1 – Dose absorbée et débit de dose absorbée 173 2 – KERMA et débit de KERMA 174 3 – Exposition et débit d’exposition 175 IV – Calculs de débits de dose absorbée pour les particules chargées

légères 176 1 – Comportement des particules chargées légères

dans la matière 176 2 – Relation entre dose et fluence pour des électrons

monoénergétiques 178 3 – Relation entre dose et fluence pour des électrons

polyénergétiques (spectre b) 181 V – Calculs de débits de dose absorbée pour les photons 183 1 – Comportement des photons dans la matière 183 2 – Relation entre fluence et KERMA pour des photons 186 3 – Relation entre KERMA et dose absorbée pour des photons 187 4 – Énergie moyenne des électrons secondaires 191 5 – Méthode de calcul de la dose absorbée pour des photons 192 6 – Calcul du débit de KERMA 192 7 – Calcul du débit de dose 192 VI – Évaluation du KERMA pour les neutrons 193 1 – Comportement des neutrons dans la matière 193 2 – KERMA de première collision 193 3 – KERMA de multi-collisions 194 VII – Grandeurs de protections et grandeurs opérationnelles 195 1 – Les grandeurs de protection 195 2 – Grandeurs opérationnelles 198 Exercices du chapitre 7 201 Corrigé des exercices du chapitre 7 204

(11)

Chapitre 8 • Détection 213 I – Les différents types de détecteurs 213 1 – Modélisation d’un détecteur 213 2 – Caractérisation des détecteurs 215 3 – Les familles de détecteur 217 II – La spectrométrie gamma 221 1 – Objectif de la spectrométrie 221 2 – Chaîne de comptage en spectrométrie 222 3 – Forme générale des spectres de photons 222 4 – Exemple d’un spectre réel 225 III – Les limites de détection 226 1 – Principe 226 2 – Le seuil de décision 227 3 – La limite de détection 228 4 – Activité minimum détectable 229 Exercices du chapitre 8 229 Corrigé des exercices du chapitre 8 231

Chapitre 9 • Moyens de protection contre l’exposition externe 237 I – Moyens de protection contre l’exposition externe aux rayonnements 238 1 – La distance 238 2 – L’activité 239 3 – Le temps 240 4 – Les écrans 240 II – Protection contre les électrons 241 1 – Arrêt des électrons dans la matière 241 2 – Cas d’une exposition externe avec contact 242 III – Protection contre les neutrons 243 1 – Origine des neutrons dans une installation 243 2 – Moyens mis en œuvre pour la protection contre les neutrons 244 IV – Calcul d’écrans pour la protection contre les rayonnements

électromagnétiques 245 1 – Sources ponctuelles canalisées 245 2 – Sources ponctuelles monoénergétiques non canalisées 248 V – Surveillance de l’exposition externe dans les installations nucléaires 251 1 – Appareils de mesure 251 2 – Surveillance de l’installation 252 3 – Surveillance des travailleurs 253 Exercices du chapitre 9 254 Corrigé des exercices du chapitre 9 257

(12)

Chapitre 10 • Moyens de protection contre l’exposition interne 263 I – Physique des aérosols et contamination 263 1 – Définition 263 2 – Diamètre des aérosols 264 3 – Voies de pénétration dans l’organisme 265 4 – Durée de séjour dans l’organisme 266 5 – Modèle du tractus respiratoire 267 6 – Modèle du tractus digestif 269 II – Grandeurs liées à l’évaluation de l’exposition interne 270 1 – Activité surfacique 270 2 – Activité volumique 270 3 – La dose par unité d’incorporation (DPUI) 271 4 – La limite dérivée de concentration dans l’air (LDCA) 272 5 – Le repère de concentration dans l’air (RCA) 273 6 – La dose efficace engagée 274 III – Mesures et évaluation de la contamination 274 1 – Contamination surfacique 274 2 – Contamination volumique 277 IV – Techniques de confinement et d’élimination de la contamination

dans les installations nucléaires 281 1 – La défense en profondeur 281 2 – Ventilation et filtration dans une installation 283 3 – Surveillance continue de l’installation 289 V – Protection des travailleurs 289 1 – Protections collectives 289 2 – Protections individuelles 291 3 – Contrôles et décontamination 293 VI – Décontamination des surfaces 295 1 – Définition 295 2 – Approche de la décontamination 295 3 – Procédés de décontamination 296 Exercices du chapitre 10 298 Corrigé des exercices du chapitre 10 304

Chapitre 11 • Les effets biologiques des rayonnements ionisants 315 I – Les effets moléculaires et cellulaires 315 1 – Effets moléculaires 316 2 – Effets cellulaires 317 II – Les effets déterministes 319

(13)

1 – Causes des effets déterministes 319 2 – Propriétés des effets déterministes 320 3 – Seuils des effets déterministes 321 III – Les effets stochastiques 323 1 – Propriétés des effets stochastiques 323 2 – Effets cancérogènes 324 3 – Effets génétiques et héréditaires 327 Conclusion 328

Chapitre 12 • Bases de la réglementation 329 I – Grands principes de réglementation en radioprotection 329 1 – But de la radioprotection 329 2 – Les instances internationales et nationales 330 3 – Classement des installations 332 II – Réglementation en radioprotection dans le droit français 334 1 – Réglementation des travailleurs 335 2 – Zonage radioprotection 343 3 – Principe ALARA 348 4 – Rôles du conseiller en radioprotection 350 5 – Régimes administratifs 354 6 – Contrôles réglementaires des sources et des appareils 356 7 – Situations anormales de travail 359 8 – Situations d’urgence radiologique 361 9 – Expositions médicales 363 III – Réglementation transport 364 1 – Cadre réglementaire 364 2 – Transport par route 366 3 – Classe 7 367 4 – Emballage et étiquetage des colis 369 5 – Contrôles et limites réglementaires 372 Exercices du chapitre 12 372 Corrigé des exercices du chapitre 12 373

Chapitre 13 • La fission nucléaire et la fusion nucléaire 377 I – Principe de la fission nucléaire 377 1 – Principe 377 2 – La fission spontanée 378 3 – La fission induite 378 4 – La réaction de fission en chaîne 380

(14)

II – Principe de la fusion nucléaire 381 1 – Principe 381 2 – Énergétique de la fusion nucléaire 381 Exercices du chapitre 13 383 Corrigé des exercices du chapitre 13 385

Chapitre 14 • Les différentes formes de l’énergie 389 I – Définition de l’énergie 389 1 – Quelques exemples 389 2 – Définition 390 II – Les différentes formes de l’énergie 390 1 – Les sources d’énergie 390 2 – Les différentes formes de l’énergie 390 III – Principe de conservation de l’énergie 391 1 – Un exemple de mécanique 391 2 – Énoncé du théorème 392 IV – Inventaire des énergies mises en jeu dans une centrale nucléaire 393 1 – Transformation de l’énergie dans une centrale nucléaire 393 2 – Puissance d’une centrale nucléaire 393 Exercices du chapitre 14 394 Corrigé des exercices du chapitre 14 395

Chapitre 15 • Fonctionnement d’une centrale nucléaire et gestion

des déchets nucléaires 397 I – Présentation du parc électronucléaire français 397 1 – Développement du parc français 397 2 – Le parc électronucléaire français en exploitation 398 II – Principe de fonctionnement d’un REP 399 1 – Rôle des trois circuits 399 2 – Rôles de l’eau dans les circuits 402 3 – Pilotage et domaine de fonctionnement d’un réacteur 402 III – La fission industrielle 404 1 – Le combustible utilisé pour la réaction en chaîne 404 2 – Criticité du réacteur 406 IV – Origine du risque radiologique et gestion des déchets nucléaires 407 1 – Origine du risque radiologique 407 2 – Gestion des déchets radioactifs 410 3 – Contrôles environnementaux et entretien de l’installation 413 Exercices du chapitre 15 414 Corrigé des exercices du chapitre 15 417

(15)

Chapitre 16 • Les évaluations dosimétriques prévisionnelles 421 I – Principe des EDP 423 1 – Classement des activités 423 2 – Grandeurs utilisées pour les EDP 424 II – Mise en œuvre d’une EDP 425 1 – Description de l’intervention 425 2 – EDPI 425 3 – EDPO 426 Conclusion 427 Exercice du chapitre 16 428 Corrigé de l’exercice du chapitre 16 429

Chapitre 17 • Diverses utilisations des rayonnements ionisants

et des radionucléides 431 I – Le domaine médical 431 1 – La radiologie 431 2 – La médecine nucléaire 433 3 – Le traitement des cancers 435 II – La stérilisation par irradiation 436 III – Les dispositifs de contrôle 438 1 – Les contrôleurs de bagages 438 2 – L’appareil gammagraphique 439 3 – Les jauges de niveau et d’épaisseur 439 4 – Les détecteurs de plomb par fluorescence X 440 5 – Radiotraceurs dans l’industrie 441 IV – Propulsion de véhicules 441 V – Les applications en sciences fondamentales 443 1 – Archéologie et objets d’art 443 2 – Géologie et hydrologie 445 3 – Aérospatial 445 4 – Recherche fondamentale 446 VI – Utilisations obsolètes des rayonnements ionisants et des radionucléides 447

Chapitre 18 • La radioactivité naturelle et artificielle 449 I – La radioactivité naturelle 449 1 – Exposition externe 449 2 – Exposition interne 453 II – La radioactivité artificielle 456 1 – Exposition liée à l’activité militaire et industrielle 456 2 – Exposition liée à l’activité médicale 457

(16)

III – L’exposition annuelle mondiale et française 459 Exercices du chapitre 18 462 Corrigé des exercices du chapitre 18 464

Chapitre 19 • Quelques accidents liés à l’utilisation du nucléaire 469 I – Classements des accidents 469 1 – Échelle INES 469 2 – Événements significatifs 471 II – Accidents liés à l’industrie 471 1 – Liste des accidents classés dans le monde et en France 471 2 – L’accident de Tchernobyl 473 3 – L’accident de Tokaï-Mura 474 4 – L’accident de Fukushima 475 III – Accidents liés au médical 476 1 – L’accident de Goiânia 476 2 – Les surirradiations d’Épinal et Toulouse 477

Conclusion 479

Annexes 481 Annexe 1 : Alphabet grec utilisé en sciences 481 Annexe 2 : Dimensions et unités des grandeurs en physique

(Système international) 482 Annexe 3 : Multiples et sous-multiples des unités du Système

international 483 Annexe 4 : Constantes fondamentales en physique et facteurs

de conversion 483 Annexe 5 : Perte d’énergie par ionisation pour les électrons

en MeV.cm2.g–1 484

Annexe 6 : Valeurs des coefficients d’absorption massique en énergie µ

ρen en cm2.g–1 dans l’eau, l’air, l’os compact

et les tissus mous 485 Annexe 7 : Valeurs des coefficients d’absorption massique en énergie µ

ρen

en cm2.g–1 dans des milieux monoatomiques 486 Annexe 8 : Coefficients d’atténuation massique m/r (cm2.g–1)

pour différents matériaux 486 Annexe 9 : Coefficients d’atténuation linéique ml (cm–1) pour différents

matériaux 487

(17)

Annexe 10 : Facteur d’accumulation de dose (Build-up) pour une source

ponctuelle dans l’eau 488 Annexe 11 : Facteur d’accumulation de dose (Build-up) pour une source

ponctuelle dans le plomb 488 Annexe 12 : Facteur d’accumulation de dose (Build-up) pour une source

ponctuelle dans le béton ordinaire 489 Annexe 13 : Affections provoquées par les rayonnements ionisants prises

en charge par le Régime général en France 489 Annexe 14 : Valeurs d’exemption pour les radionucléides ou substances

radioactives, et niveaux définissant une source scellée

de haute activité (annexe 13-8 du code de la santé publique) 490 Annexe 15 : Limites réglementaires retenues par la réglementation transport 492 Annexe 16 : Codes ONU pour la classe 7 493 Annexe 17 : DPUI (en Sv/Bq) pour différents nucléides publiés

par le Journal officiel de la République française 494 Annexe 18 : Liste des principales installations nucléaires du parc nucléaire

français 495 Annexe 19 : Appareils gammagraphiques 496 Annexe 20 : Principe de fonctionnement des générateurs de rayons X 498 Annexe 21 : Tableau périodique des éléments chimiques 499

Bibliographie 501

(18)
(19)

Remerciements

Je tiens à remercier toutes les personnes, personnel du CEA, personnel EDF (en particulier le personnel du CNPE de Cattenom), prestataires, personnel de l’unité locale de Yutz de TRIHOM, avec qui j’ai pu collaborer pendant toutes ces années au sein de La Malgrange.

Bien entendu, je remercie l’ensemble de mes collègues du CFA des Industries du nucléaire, en particulier Sonia Posteraro pour son soutien et son énergie, Erika Nargil, pour son aide, Gérard Coquereau, qui m’a appris que « la confiance n’exclut pas le contrôle » et un énorme merci à René Larché, pour tout ce qu’il m’a appris lors des nombreuses formations Prévention des risques que nous avons animées ensemble.

Je remercie, à titre posthume, Walter Coïs, directeur à l’initiative de la création du CFA des Industries du Nucléaire au lycée la Malgrange de Thionville, pour m’avoir fait confiance.

Merci aux apprentis Marion Jalinier et Yann Katachinsky, pour les photographies en mise en situation pratique.

Enfin, j’adresse un merci particulier à Marc Ammerich, pour son regard d’expert sur cet ouvrage, sa relecture assidue et ses conseils avisés.

« C’est le devoir de chaque homme de rendre au monde au moins autant qu’il a reçu. »

Albert Einstein

(20)
(21)

Introduction

Les sciences fondamentales et les applications industrielles ont toujours été liées.

La découverte de la radioactivité en 1896 par Henri Becquerel, l’essor des besoins électriques et la modernisation des techniques médicales se sont donc rencontrés au cours du xxe siècle. En France, l’électricité représentait 24,7 % de la consomma- tion d’énergie totale en 2015. La production nette d’électricité était de 529,4 TWh en 2017.

Les centrales développées aujourd’hui reposent encore sur le modèle des centrales électriques développées par Nikola Tesla il y a plus de 100 ans. En effet, ce grand esprit a créé la première centrale électrique à courant alternatif aux États-Unis, aux chutes du Niagara, en 1896. Cette centrale, financée par George Westinghouse, fonctionnait grâce à l’énergie mécanique des chutes.

Les besoins en énergie croissants dans nos sociétés modernes ont imposé l’utilisation de nouvelles sources. La radioactivité en est une. C’est même la principale en France pour la production d’électricité. RTE (Réseau de transport d’électricité) nous donne la répartition française de production d’électricité pour 2017 :

– nucléaire (71,6 %) ;

– énergie fossile, gaz, charbon, fioul (10,3 %) ; – hydraulique (10,2 %) ;

– éolien (4,5 %) ; – solaire (1,7 %) ;

– bioénergies, bois-énergie, biogaz, biocarburant (1,7 %).

Le développement de nouvelles techniques médicales, basées sur l’utilisation des rayonnements ionisants, a permis de réaliser d’énormes progrès sur la connaissance

(22)

du corps humain, et de développer une médecine de pointe efficace. Plusieurs mil- lions d’actes médicaux impliquant ces techniques sont pratiqués chaque année en France.

Le développement de l’utilisation du nucléaire a obligé les autorités à encadrer ces activités, que ce soit dans le domaine industriel, médical, de la défense ou de la recherche. L’ensemble de ces mesures forme la radioprotection.

Le caractère particulier du nucléaire et la crainte qu’il inspire dans la conscience collective obligent à un respect strict des règles et à une formation spécifique de ses utilisateurs.

Cet ouvrage a donc pour but de donner une information aussi claire que possible sur tous les thèmes liés au nucléaire, en insistant sur l’utilisation industrielle pour la production d’électricité, mais il est aussi enrichi de quelques exemples médicaux.

Cet ouvrage est composé de 19 chapitres ayant pour thèmes centraux : – la physique générale et nucléaire (chapitres 1 à 6) ;

– la radioprotection (chapitres 7 à 12) ;

– l’industrie thermonucléaire (chapitres 13 à 16) ; – la culture générale liée au nucléaire (chapitres 17 à 19).

(23)

Chapitre 1

Les constituants de la matière

I – Structure simplifiée de l’atome

Toute la matière est composée des mêmes briques élémentaires de base. En effet, si on tente de décomposer tout objet, que ce soit le corps humain, un arbre, une goutte d’eau, un caillou ou votre téléphone portable, on obtiendra toujours les mêmes systèmes élémentaires.

Autrement dit, tout ce qui existe de matériel a les mêmes constituants de base : les atomes.

Modèle simplifié de l’atome

Tout atome a invariablement la même structure atomique et est globalement élec- triquement neutre :

– en son centre un noyau chargé positivement qui concentre la masse de l’atome ; – un nuage (ou un cortège) électronique chargé négativement qui entoure le

noyau ;

– le vide séparant le noyau et le cortège électronique.

(24)

Noyau Vide

Cortège électronique

Figure 1-1 Modèle simplifié de l’atome.

L’atome est très petit. Il mesure en moyenne : 10–10 m.

Le noyau, au centre de l’atome, est 100 000 fois plus petit : 10–15 m.

À titre de comparaison, si le noyau mesurait 1 mm, le cortège électronique se trou- verait à 100 m de lui ! La matière est donc remplie de vide !

Lorsqu’on se place à l’échelle atomique, on préfère utiliser des unités de longueur plus adaptées :

– l’Angström : 1 Å = 10–10 m ;

– le femtomètre : 1 fm = 10–15 m, aussi appelé fermi.

Les atomes peuvent s’assembler entre eux pour former des édifices plus gros : les molécules. Ils mettent en commun leurs électrons pour se lier les uns aux autres.

Par exemple, la molécule d’eau H2O est formée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène.

Figure 1-2 Molécule d’eau.

(25)

Composition du noyau

Au centre de l’atome se trouve le noyau. On l’appelle aussi nucléide. Si l’on regarde de plus près ce noyau, on constate qu’il est composé de différentes particules de même taille. Ces particules portent le nom de nucléon.

nucléons neutrons

protons

Figure 1-3 Noyau atomique.

Les nucléons sont donc les constituants du noyau. Il en existe deux sortes : – les protons, chargés positivement ;

– les neutrons, ne présentant aucune charge électrique.

Les neutrons et les protons ont sensiblement la même taille (de l’ordre du femto- mètre) et la même masse (1,67.10–27 kg).

Cortège électronique

Autour du noyau se trouve le cortège électronique. Il est composé de petites parti- cules chargées négativement, appelées électrons.

Un atome a une charge électrique nulle. Par conséquent, il comporte autant de protons que d’électrons.

électron

Figure 1-4 Cortège électronique.

L’électron a une masse très faible : 9,1.10–31 kg.

Le proton et l’électron ont la même charge électrique élémentaire mais de signe opposé : e =1 602 10, . 19 C.

Un atome peut perdre ou gagner des électrons. Un tel atome est appelé ion.

(26)

– Un cation est un atome qui a perdu des électrons et est globalement positif.

– Un anion est un atome qui a gagné des électrons et est globalement négatif.

Les électrons ne tournent pas au hasard autour de noyau : l’atome a des couches électroniques spécifiques. Ce sont les couches K, L, M, etc. Elles ont des règles de remplissage précises.

– Chaque couche est représentée par une valeur appelée n : Couche K : n = 1

Couche L : n = 2 Couche M : n = 3

– Chaque couche électronique peut contenir 2 n2 électrons.

– On représente les couches par des séries de cases, chaque case pouvant contenir deux électrons :

Couche K :  2 électrons sur cette ligne Couche L :  8 électrons sur cette ligne

10 électrons au total

Couche M :  18 électrons sur cette ligne 28 électrons au total

– Tout atome peut perdre ou gagner des électrons pour acquérir la structure élec- tronique du gaz rare le plus proche : c’est la règle de l’octet, encore appelée règle de Pauli.

Exemples :

Le fluor (Z = 9) possède 9 électrons :

2 électrons sur la couche K 7 électrons sur la couche L structure électronique : K2 L7

Le sodium (Z = 11) possède 11 électrons :

2 électrons sur la couche K 8 électrons sur la couche L 1 électron sur la couche M structure électronique : K2 L8 M1

La structure électronique de l’atome est en fait plus compliquée. Les couches élec- troniques peuvent être divisées en sous-couches appelées orbitales atomiques.

Les électrons sont alors décrits par 4 nombres quantiques (n, l, m, s). Chaque élec- tron a un jeu unique de ces quatre nombres : c’est la règle de Pauli.

n est le nombre quantique principal et représente la couche électronique.

l est le nombre quantique azimutal et correspond à la forme de l’orbitale.

l définit le sous-niveau ou la sous-couche d’une couche n 0 < l < n-1

(27)

Si l = 0 sous-couche s l = 1 sous-couche p l = 2 sous-couche d l = 3 sous-couche f

m est le nombre quantique magnétique. Il définit la direction dans l’espace de la forme dans laquelle se trouve un électron –l < m < +l.

s est le spin de l’électron. Il correspond à sa rotation sur lui-même. Le spin peut prendre uniquement deux valeurs : +1/2 ou –1/2.

En résumé, une case représente une orbitale atomique. Une case électronique peut contenir deux électrons (un par valeur de spin différente).

l = 0 1 2 3

m = 0 1 0 +1 2 1 0 +1 +2 3 2 1 0 +1 +2 +3

K n = 1

L n = 2

M n = 3

N n = 4

s p d f

Figure 1-5 Tableau de remplissage des orbitales.

Les règles de remplissage de couches sont les suivantes : – au maximum deux électrons par case (règle de Pauli) ; – un maximum de spins parallèles (règle de Hund) ;

– remplissage dans l’ordre 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d (règle de Klechkowski).

L’écriture des couches se présente sous la forme suivante : nlnombre d’électrons sur la sous-couche. Exemple :

Le fluor (Z = 9) : possède 9 électrons.

Structure électronique 1s2 2s2 2p5 Le sodium (Z = 11) : possède 11 électrons.

Structure électronique 1s2 2s2 2p6 3s1

(28)

II – Nomenclature – Isotopes

Notation

Pour simplifier les notations, une nomenclature uniformise l’écriture des atomes : ZAXN. X est le symbole de l’élément chimique.

Z est appelé numéro atomique de l’atome. Il représente le nombre de protons (nombre de charges).

A est le nombre de masse de l’atome. Il correspond au nombre de nucléons dans l’atome.

N est le nombre de neutrons dans le noyau : N = A – Z.

Par exemple :

Le cobalt 60 s’écrit 2760Co. Il possède : – 27 protons ;

– 60 nucléons ;

N = A – Z = 60 – 27 = 33 neutrons ;

– 27 électrons pour assurer la neutralité de l’atome.

Le carbone 12 s’écrit 126C. Il possède : – 6 protons ;

– 12 nucléons ;

N = A – Z = 12 – 6 = 6 neutrons ;

– 6 électrons pour assurer la neutralité de l’atome.

Isotopes

Prenons trois autres exemples.

L’hydrogène 1 s’écrit 11H. Il possède : – 1 proton ;

– 1 nucléon ;

N = A – Z = 1 – 1 = 0 neutron ;

– 1 électron pour assurer la neutralité de l’atome.

L’hydrogène 2 s’écrit 21H. Il s’appelle deutérium et possède : – 1 proton ;

– 2 nucléons ;

N = A – Z = 2 –1 = 1 neutron ;

– 1 électron pour assurer la neutralité de l’atome.

L’hydrogène 3 s’écrit 31H. Il s’appelle tritium et possède : – 1 proton ;

– 3 nucléons ;

N = A – Z = 3 – 1 = 2 neutrons ;

– 1 électron pour assurer la neutralité de l’atome.

(29)

Tentons de les représenter :

Hydrogène 1 : 1 proton 0 neutron 1 électron

Deutérium : 1 proton 1 neutron 1 électron

Tritium : 1 proton 2 neutrons

1 électron Ces trois atomes ont le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons : ce sont des isotopes. Ils ont les mêmes propriétés chimiques mais ont des propriétés physiques différentes.

Les isotopes ont toujours le même nombre de protons. Par conséquent, ils ont le même numéro atomique Z. Comme c’est lui qui fixe le nom de l’élément, il s’ensuit que les isotopes appartiennent toujours au même élément.

Enfin, notons qu’ils ont exactement la même structure électronique. C’est la raison pour laquelle ils ont les mêmes propriétés chimiques.

Ainsi, on parle des isotopes du cobalt : 2759Co et 2760Co, ou encore des isotopes de l’uranium : 23492U, 23592U et 23892U.

Isobares et isotones

Des atomes qui ont le même nombre de nucléons mais un nombre de protons dif- férent sont appelés isobares.

Par exemple, le lithium 8 38Li, le béryllium 8 48Be et le bore 8 58B sont isobares.

Lithium 8 : 3 protons 5 neutrons 3 électrons

Béryllium 8 : 4 protons 4 neutrons 4 électrons

Bore 8 : 5 protons 3 neutrons 5 électrons

(30)

Des atomes qui ont le même nombre de neutrons mais un nombre de protons différents sont appelés isotones. Par exemple, l’hélium 5 25He, le lithium 6 36Li et le béryllium 7 47Be sont isotones.

Hélium 5 : 2 protons 3 neutrons 2 électrons

Lithium 6 : 3 protons 3 neutrons 3 électrons

Béryllium 7 : 4 protons 3 neutrons 4 électrons

III – Le tableau périodique

En 1869, un chimiste russe, Dimitri Mendeleïev, décide de classer dans un même tableau l’ensemble des éléments connus selon leurs propriétés chimiques : il crée le premier tableau périodique des éléments. À l’époque, seule une vingtaine d’élé- ments sont connus. Le tableau périodique actuel a été mis en forme par Seaborg.

Il a cependant été remis à jour en 2016 par l’Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) et quatre nouveaux éléments ont fait leur entrée dans le tableau.

L’UICPA précise que les noms des éléments doivent faire référence à un mythe, à la géographie ou à un scientifique.

L’élément 113, premier élément mis en évidence par des chercheurs asiatiques, s’ap- pelle le nihonium (Nh), en référence au Japon « Nihon ».

L’élément 115, découvert par les Russes et les Américains, s’appelle le moscovium (Mc), en référence à la capitale de la Russie, Moscou.

L’élément 117, découvert grâce à un centre de recherche en Tennessee aux États- Unis, porte le nom de Tennessine (Ts) en l’honneur de cet État.

Enfin, l’élément 118, appelé Oganesson (Og), doit son nom au savant russe Yuri Oganessian.

Le principe de classement est simple :

– les éléments ayant les mêmes propriétés chimiques sont rangés dans la même colonne ;

– les lignes représentent les périodes des atomes, ou couches électroniques K, L, M et ainsi de suite.

Les éléments sont rangés par numéro atomique croissant : H (Z = 1), He (Z = 2), Li (Z = 3) et ainsi de suite.

(31)

I II III IV V VI VII VIII

K H He

L Li Be B C N O F Ne

M Na Mg Al Si P S Cl Ar

N K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr O Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe P Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Q Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Figure 1-6 Tableau périodique des éléments.

Regardons plus en détail la constitution du tableau.

La première colonne est celle des métaux alcalins (excepté l’hydrogène). Ils ont tendance à perdre un électron pour se transformer en cation : Li Na K Rb Cs Fr+, +, +, +, +, +. La deuxième colonne contient les métaux alcalino-terreux. Eux ont tendance à perdre deux électrons pour se transformer en cation : Be2+,Mg2+,Ca2+,Sr2+,Ba2+,Ra2+. La dernière colonne contient les gaz rares, encore appelés gaz nobles. Ces derniers ont leur dernière couche ou sous-couche saturée en électrons et sont donc chimi- quement inertes.

L’avant-dernière colonne (colonne VII) est la colonne des halogènes. Ces non-métaux ont tendance à gagner un électron pour se transformer en anion : F Cl Br, , . L’antépénultième colonne (colonne VI) est la colonne des chalcogènes. Ces non- métaux ont tendance à gagner deux électrons pour se transformer en anion : S2,Se2.

Les colonnes intermédiaires (cases grises) contiennent les métaux de transition. Les deux lignes du bas, hors tableau, sont respectivement la ligne des lanthanides et la ligne des actinides. Elles s’insèrent dans le tableau au niveau des cases noires.

Les éléments écrits en noir sont les éléments naturels, que l’on trouve sur Terre. Les éléments écrits en gris sont artificiels, c’est-à-dire créés par l’Homme (signalons en particulier 43Tc et 61Pm).

Selon le domaine d’étude, on peut trouver d’autres dénominations :

– les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés similaires et rassemblent le scandium, l’yttrium, et tous les lanthanides ;

– les transuraniens sont les éléments dont le numéro atomique est supérieur à celui de l’uranium ; ils sont produits artificiellement dans les réacteurs nucléaires.

La première ligne ne contient que deux éléments. En effet, sur cette période (couche K), on ne peut mettre que 2 électrons au maximum. On trouve donc l’atome à un électron (hydrogène) et l’atome à deux électrons (hélium).

(32)

Enfin, il existe des moyens mnémotechniques pour se rappeler des éléments sur les couches L, M et N. Ce sont les phrases suivantes :

– « Lili bécha bien comme notre oncle Fernand-Nestor » (Li, Be, B, C, N, O, F, Ne) ; – « Napoléon mangea allégrement six poulets sans claquer d’argent » (Na, Mg, Al,

Si, P, S, Cl, Ar) ;

– « Korrigan capitaine scandinave tirant sa verge crasseuse et minuscule ferma le con de Nicole et le cul de Zénobie gardant généreusement l’aspermatique semence d’un brun chromatique » (K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Kr).

IV – Calcul des masses molaires

La matière peut s’observer sous différents états : solide, liquide ou gazeux, suivant les conditions de température et de pression, et suivant l’arrangement de ses différents constituants.

On appelle corps simple la forme la plus simple sous laquelle peut être isolé un constituant d’une substance chimique. I1 peut changer d’état physique ou entrer dans des combinaisons chimiques mais un invariant subsiste qui caractérise l’élé- ment. L’existence de cet invariant est due aux atomes qui constituent l’élément : un corps simple est formé d’atomes de même numéro atomique. Un corps composé est formé par l’association d’atomes d’éléments différents. Un édifice atomique stable et fini s’appelle molécule.

La cohérence de la matière à l’échelle atomique est assurée grâce aux forces électro- magnétiques attractives ou répulsives.

Afin de se placer à l’échelle humaine, on définit une quantité de matière correspon- dant à une masse « palpable » appelée « mole » ou encore « atome-gramme ». Cette quantité équivaut au nombre :

Na =6 02 10, . 23 mol1 (nombre d’Avogadro)

Par extension, la mole désigne une quantité égale de molécule (molécule-gramme) d’un corps donné : une mole de matière contient 6,02.1023 entités de cette matière.

Il existe une relation entre masse, quantité de matière, nombre de moles et nombre d’atomes :

N m M Na

= × Où :

N est le nombre d’entités dans l’échantillon ;m est la masse de l’échantillon en gramme (g) ;M est la masse molaire du corps considéré (en g/mol) ;Na est le nombre d’Avogadro.

(33)

Masse molaire d’un isotope donné

Pour un isotope donné, on prendra pour masse molaire le nombre de masse A. Ainsi, par exemple :

– la masse molaire du cobalt 60 vaut 60 g/mol.

– la masse molaire du carbone 14 vaut 14 g/mol.

M(ZAX)=A

Masse molaire d’un élément

Un isotope naturel X est un mélange d’isotopes qui peuvent être stables ou instables.

Par exemple, voici l’ensemble des isotopes connus du lithium :

Isotope 34Li 35Li 36Li 37Li 38Li 39Li 103Li 113Li Abondance

r (%) 7,5 92,5

L’abondance, ou pourcentage isotopique, est la proportion de l’isotope qu’on trouve dans la nature. Si l’abondance est nulle, c’est que l’isotope n’est pas naturel.

La masse molaire de l’élément est alors la masse atomique moyenne du mélange d’isotopes.

M X i Ai

i

( )=

ρ × où :

M(X) est la masse molaire de l’élément ;

– ri est le pourcentage isotopique de l’isotope considéré ; – Ai est le nombre de masse de l’isotope considéré.

Par exemple pour le lithium :

M( )Li = 7 5, × + , × = , g/mol 100 6 92 5

100 7 6 925

À noter que l’on peut aussi trouver cette valeur dans le tableau périodique des élé- ments à la place du nombre de masse.

Masse molaire d’une molécule

Pour la masse molaire d’une molécule, il suffit de faire la somme de la masse molaire de ses constituants.

M M ZAX

i

(mol culeé )=

( )

(34)

Par exemple, l’eau H O2 est composée de deux atomes d’hydrogène (M(11H)=1g/mol) et d’un atome d’oxygène (M(168O)=16g/mol). Sa masse molaire est donc :

M(H O2 )=2M(11H)+M(168O)= × +2 1 16 18= g/mol.

Exercices du chapitre 1

Exercice 1

Isotope 12C 13C 14C 14N 15N 16O 17O 18O

Abondance (%) 98,9 1,1 Traces 99,634 0,366 99,762 0,038 0,200

1) Donner A, Z et N pour chaque isotope.

2) Calculer la masse molaire des éléments carbone, azote et oxygène.

3) Faire la liste des isobares de ce tableau.

Exercice 2

Composition isotopique de l’uranium naturel :

234U : 0,0056 %

235U : 0,720 %

238U : 99,2745 %

1) Donner le numéro atomique de l’uranium et le nombre de neutrons pour chaque isotope.

Calculer la masse molaire de l’uranium.

2) Calculer le nombre d’atomes d’uranium 235 dans 1 gramme d’uranium naturel.

En déduire la masse d’uranium 235 dans 1 gramme d’uranium naturel.

3) Il existe aussi un autre isotope de l’uranium : 236U. Pourquoi ne l’a-t-on pas pris en compte dans le calcul de la masse molaire ?

Exercice 3

L’eau lourde est utilisée comme modérateur dans certaines bombes atomiques. Elle est composée de deux atomes de deutérium et d’un atome d’oxygène 16. Sa formule est d O2 .

Calculer la masse molaire de l’eau lourde.

Exercice 4

Pour les éléments suivants, donner le nombre d’électrons par couche : H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Ne, Na, Mg, Al, Ar.

Donner ensuite la structure électronique des éléments précédents.

(35)

Corrigés des exercices du chapitre 1

Exercice 1 1)

Isotope 12C 13C 14C 14N 15N 16O 17O 18O

A 12 13 14 14 15 16 17 18

Z 6 6 6 7 7 8 8 8

N 6 7 8 7 8 8 9 10

2)

M( )C C .A C .A C .A

, ,

=

( )

+

( )

+

( )

= × + ×

ρ 12 12 ρ 12 13 ρ 12 14 98 9

100 12 11

100 13++ ×0 14 12 001= , g/mol

M( )N =ρ

(

14N

)

.A14+ρ

( )

15C .A = , × + , × = ,

15 99 634

100 14 0 366

100 15 14 004 g/mol M( )O O .A O .A O .A

, ,

=

( )

+

( )

+

( )

= × +

ρ 16 16 ρ 17 17 ρ 18 18 99 762

100 16 0 038

1000 17 0 200

100 18 16 004

× + , × = , g/mol

3) Les isobares sont les noyaux ayant le même nombre de nucléons (A = Cte).

Ici, il n’y a que l’isobare A = 14 (14C et 14N).

Exercice 2 1)

Isotope 234U 235U 238U

A (nombre de masse / nombre de nucléons) 234 235 238 Z (numéro atomique / nombre de protons) 92 92 92

N (nombre de neutrons) 142 143 146

M( )U =

ρi.Ai =0 0056,100 ×234 0 720+ 100, ×235 99 2745+ , × = ,

100 238 237 9978 g/mol

2) N m

M NA

235 235 1 23

237 978 6 02 10 0 720 100 1

U U

U U

, , ,

,

( )

= ( )( )

( )

= × ×

=

. .ρ .

882 10. 19 atomes

D’où m M N

Na

235 235 235 19

23 3

235 182 10

6 02 10 7 10 10

U U U ,

, ,

( )

=

( ) ( )

= × =

. .

. . gg=7 1, mg En proportion, il y a très peu d’uranium 235 dans 1 g d’uranium naturel.

(36)

3) 236U n’existe pas à l’état naturel. Il est artificiel et n’est donc pas pris en compte dans le calcul des masses molaires.

Exercice 3

M d O( 2 )=2.M d( )+M(16O)= × +2 2 16=20 g/mol Exercice 4

H (K1) – 1s1 He (K2) – 1s2 Li (K2L1) – 1s2 2s1 Be (K2L2) – 1s2 2s2 B (K2L3) – 1s2 2s2 2p1 C (K2L4) – 1s2 2s2 2p2 N (K2L5) – 1s2 2s2 2p3 O (K2L6) – 1s2 2s2 2p4 F (K2L7) – 1s2 2s2 2p5 Ne (K2L8) – 1s2 2s2 2p6 Na (K2L8M 1) – 1s2 2s2 2p6 3s1 Mg (K2L8M 2) – 1s2 2s2 2p6 3s2 Al (K2L8M 3) – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 Ar (K2L8M 8) – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

(37)

Chapitre 2

Historique de la radioactivité

I – Les découvertes sur les phénomènes liés à la radioactivité

1 – La découverte des rayons X

En décembre 1895, l’Allemand Wilhelm Conrad Röntgen annonce la découverte des rayons X. Un peu plus tôt, il a réalisé un montage expérimental et a observé qu’à la décharge d’un tube cathodique, complètement enrobé de carton noir, scellé pour en exclure toute lumière et ceci dans une chambre noire, un carton couvert d’un côté de baryum platino-cyanide devient fluorescent lorsqu’il est frappé par les rayons émis du tube, et ce, jusqu’à une distance de deux mètres.

Figure 2-1 Photographie de la main d’Anna Bertha Ludwig Röntgen, prise le 22 décembre 1895. Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_Röntgen

(38)

Ne connaissant pas la nature de ces rayons, il les baptise rayons X. Lors d’expé- riences subséquentes, il place divers objets entre la source de rayons X et une plaque photographique. C’est ainsi que la radiographie de la main de sa femme fera sensa- tion dans les journaux.

Röntgen est le premier à recevoir le prix Nobel de physique en 1901 pour la décou- verte des rayons X.

À Paris, le physicien Oudin et le médecin Barthélemy font le premier examen radio- logique français, qu’Henri Poincaré présentera à l’Académie des sciences le 20 jan- vier 1896. Lors de cette séance, Poincaré suggère à Henri Becquerel d’explorer les relations entre phosphorescence et émission de rayons X.

2 – La découverte de la radioactivité

Henri Becquerel, polytechnicien français, travaille dans un laboratoire au Muséum d’histoire naturelle et s’intéresse à une grande variété de problèmes liés à la phos- phorescence et à la fluorescence. Il décide de voir si l’émission des rayons X est liée à la phosphorescence.

En mars 1896, le ciel est voilé, il ne peut exposer au soleil un sel phosphorescent d’uranium et range celui-ci dans un tiroir, avec une plaque photographique vierge enveloppée dans du papier noir. Quelques jours plus tard, il décide de développer sa plaque photographique et constate que la croix de Malte, qui était entreposée dans le tiroir, entre le sel d’uranium et la plaque photographique a été impressionnée sur cette dernière. Il en déduit que ce sel a émis spontanément un rayonnement pénétrant capable d’impressionner la plaque photographique : la radioactivité était découverte.

Figure 2-2 Cliché développé par Henri Becquerel le 1er mars 1896, sur lequel apparaît la croix de Malte.

Henri Becquerel établit ensuite que plusieurs sels d’uranium, phosphorescents ou non, ont la même propriété et donc que ce rayonnement est émis par l’uranium.

(39)

Il appelle les rayons émis les rayons uraniques. Il constate qu’ils sont capables d’élec- triser l’air. L’intensité ne décroissant pas avec le temps, Henri Becquerel se demande

« d’où l’uranium emprunte l’énergie qu’il émet avec une telle persistance ? »

3 – La découverte du polonium et du radium

Une jeune polonaise, Marie Sklodowska, vient d’épouser Pierre Curie, alors chef des travaux de l’École de physique et de chimie de Paris. Elle travaille avec lui dans son petit laboratoire. Dix-huit mois plus tard, elle soutient sa thèse sur les rayons « ura- niques ». Elle montre que certains atomes, notamment le thorium, peuvent émettre ces fameux rayons de Becquerel.

Elle définit alors le terme de radioactivité comme la capacité spontanée qu’ont cer- tains atomes à émettre des rayonnements.

Figure 2-3 Henri Becquerel accompagnant Pierre Curie et Marie Curie dans leur labora- toire, le « hangar », en 1898. © Wellcome Library, London, CC BY 4.0.

Afin de prouver que sa théorie est juste et que ce sont bien les atomes qui sont radioactifs, Marie Curie met au point une méthode chimique pour isoler les élé- ments : diviser puis purifier puis précipiter.

À partir de plusieurs tonnes de résidus de pechblende (minerai contenant des radioéléments), elle parvient à isoler deux éléments non stables :

– le polonium (Z = 84), beaucoup plus radioactif que l’uranium ; – le radium (Z = 88), 2,5 millions de fois plus radioactif que l’uranium.

Les sels de ce métal jouissent d’une propriété extraordinaire : ils luisent dans l’obs- curité, sont tièdes au toucher, et, apparemment immuables, semblent la source d’un dégagement de chaleur inépuisable. En 1903, Henri Becquerel et Pierre et Marie Curie reçoivent conjointement le prix Nobel de physique pour la découverte de la radioactivité.

(40)

4 – La découverte de la loi de la décroissance radioactive

Dès la découverte de la radioactivité, de nombreux physiciens s’intéressent aux phé- nomènes qui y sont liés. Ils établissent que les rayonnements émis sont de trois types selon leur degré de pénétration et leur charge électrique : alpha (a), bêta (b) et gamma (g).

En 1898, après avoir achevé sa thèse, Ernest Rutherford publie une étude sur les rayonnements de l’uranium où il écrit : « ces expériences montrent que le rayonnement de l’uranium est complexe et qu’il comporte deux types distincts de rayonnements : l’un qui est très facilement absorbé et que l’on appellera par commodité rayonnement alpha, et l’autre de caractère plus pénétrant et qui sera appelé rayonnement bêta ». Il identifie ensuite le rayonnement alpha à des noyaux d’hélium et les rayons bêta à des élec- trons. Il montre que ces rayonnements accompagnent la transformation de certains corps en corps différents, c’est-à-dire qu’il y a une transmutation des atomes.

En 1900, Paul Villard à l’École normale identifie les rayons gamma à des photons de grande énergie et de même nature que les rayons X.

En 1903, Ernest Rutherford et son élève Frédéric Soddy mettent en évidence que la période est une caractéristique de la décroissance radioactive, phénomène aléatoire, chaque élément ayant sa période propre.

Les physiciens mettent en évidence l’existence de familles radioactives : la radioac- tivité est accompagnée de la transmutation d’un élément en un autre. Ainsi, le polonium et le radium extraits de la pechblende par Pierre et Marie Curie sont les descendants de l’uranium.

5 – La découverte de la radioactivité artificielle

En 1934, Frédéric et Irène Joliot-Curie (cette dernière est la fille de Pierre et Marie Curie) annoncent qu’ils ont fabriqué un atome qui n’existe pas dans la nature.

À partir de la réaction 1327Al(α,n)3015P, ils créent le phosphore 30 (1530P), radioactif de période 2,5 minutes. C’est une triple découverte :

– découverte d’un nouveau noyau ; – ce noyau est radioactif ;

– ce noyau est émetteur bêta plus, désintégration jusqu’alors jamais observée.

Pour convaincre les chimistes et la communauté scientifique, Frédéric et Irène Joliot-Curie ont séparé les isotopes formés en inventant la « radiochimie », avec des appareils de chimie très simples. Ils reçoivent le prix Nobel de chimie en 1935.

La découverte de la radioactivité artificielle est d’une importance majeure. Elle signifie que la propriété de radioactivité n’est pas réservée à quelques éléments présents aujourd’hui dans la nature. C’est une propriété générale de la matière.

À la création de l’Univers, tous les isotopes radioactifs existaient, ceux dont la

(41)

période est courte ont progressivement disparu, les autres dont la période est suf- fisamment longue sont encore présents aujourd’hui. Produire des radioéléments, par réaction nucléaire, équivaut à recréer des isotopes radioactifs à période courte qui ont disparu. L’Homme est capable d’obtenir les isotopes radioactifs dont il a besoin comme traceur, comme marqueur, ce qui lui permet de suivre l’évolution de l’élément marqué.

Les applications en sont nombreuses et bien maîtrisées. Il faut néanmoins être pru- dent : lorsque des isotopes sont produits en grande quantité, ils peuvent être très dangereux et il faut s’en protéger.

Les découvertes faites en sciences exactes ont toujours des retombées dans les autres sciences. Ainsi la physique nucléaire, avec la découverte de la radioactivité artifi- cielle, a permis de faire des avancées dans tous les domaines de la connaissance.

Le plus spectaculaire, peut-être, est la biologie pour laquelle l’utilisation des traceurs radioactifs a permis d’accumuler un nombre incalculable de connaissances nou- velles, mais surtout a conduit à modifier la représentation du fonctionnement des organismes vivants.

Maurice Tubiana a pu écrire : « On entend souvent répéter que la première moitié du xxe siècle aura été dominée par les progrès de la physique et sa deuxième moitié par ceux de la biologie. Si cet aphorisme est vrai, ce que je crois, c’est incontestablement à la découverte de la radioactivité artificielle que nous le devons ».

La dernière phrase de la note aux Comptes rendus de l’Académie des sciences indique que « si l’hypothèse est la bonne, des réactions analogues peuvent être produites en utili- sant des deutons ou des protons à la place des alphas ». Les accélérateurs commencent à concurrencer les sources radioactives depuis qu’Ernest Lawrence à Berkeley a conçu en 1932 son premier cyclotron. L’hypothèse de Frédéric et Irène Joliot-Curie est aussitôt vérifiée auprès du cyclotron de Lawrence à Berkeley ou du Van de Graaf de Cockroft qui accélère des protons.

Figure 2-4 À gauche : Irène et Frédéric Joliot-Curie dans leur laboratoire. Source : https://

commons.wikimedia.org/wiki/File:Ir%C3%A8ne_et_Fr%C3%A9d%C3%A9ric_

Joliot-Curie_1935.jpg.

À droite : Lise Meitner et Otto Hahn dans leur laboratoire. Source : https://

commons.wikimedia.org/wiki/File:Hahn_Meitner_1912.jpg.

(42)

6 – La découverte de la fission nucléaire

En 1938, à Berlin, Lise Meitner et Otto Hahn bombardent de l’uranium 235 avec des neutrons. Ils identifient les produits de la réaction.

Étant juive, Lise Meitner est contrainte de s’exiler en Suède en 1939. Avec son neveu Otto Frisch venu lui rendre visite de Copenhague, elle est la première à inter- préter le phénomène : les éléments légers observés résultent de la division du noyau d’uranium en deux fragments de taille à peu près équivalente. La fission nucléaire avait enfin été observée.

La revue Nature publiera leur travail en février 1939. Seul Otto Hahn recevra le prix Nobel de chimie en 1944.

Frédéric Joliot apporte la preuve physique que le noyau d’uranium se fragmente en deux morceaux en réalisant une expérience très élégante réalisée entre le 26 et le 28 janvier 1939. Un mois plus tard, Frédéric Joliot observe dans sa chambre de Wilson un fragment de fission de l’uranium.

Il pense aussitôt à la possibilité de réactions en chaîne. L’uranium comporte pro- portionnellement plus de neutrons que les noyaux légers lors de sa fission ; des neutrons doivent être émis, qui à leur tour peuvent induire une (ou des) nouvelle(s) fission(s) dans des conditions qu’il faut déterminer. Avec Hans Halban et Lew Kowarski, Frédéric Joliot examine expérimentalement les possibilités d’une réac- tion en chaîne.

En mai 1939 (les 1, 2 et 4 mai), les trois physiciens, auxquels s’est joint Francis Perrin déposent trois brevets d’invention au nom de la Caisse nationale de la recherche scientifique : « Dispositif de production d’énergie », « Procédé de stabilisation d’un dispositif producteur d’énergie » et « Perfectionnement aux charges explosives ».

7 – La découverte de la fusion nucléaire

Dès 1920, le physicien anglais Francis Aston étudie le défaut de masse des atomes.

À partir de ses calculs, il constate que l’assemblage d’un atome d’hydrogène avec un atome d’hélium peut libérer de l’énergie. Avec l’astronome Eddington, ils émettent alors l’hypothèse que l’énergie produite par le Soleil provient de la fusion nucléaire.

À partir de ce moment, l’idée de contrôler la fusion nucléaire s’est développée.

Cependant, recréer les conditions existantes sur le Soleil sur Terre n’est pas chose aisée. Il faudra plusieurs décennies pour y parvenir.

En 1950, deux savants russes, Igor Tamm (Prix Nobel de physique en 1958) et Andreï Sakharov (Prix Nobel de la paix en 1975 pour son action pour les droits de l’Homme en URSS) développent un prototype recréant les conditions nécessaires à la fusion nucléaire : le tokamak.

Ce tokamak (du russe : toroidalnaia kameras magnitnymi katushkami, ou en fran- çais : chambre toroïdale avec bobines magnétiques) est un dispositif expérimental

(43)

en forme de tore, ou plus prosaïquement en forme de donut, permettant un confi- nement magnétique du plasma (état non lié de la matière dans lequel les électrons sont séparés des noyaux).

La compréhension du phénomène de fusion va conduire à la création de la bombe H (H pour hydrogène).

Les Américains, sous la tutelle du physicien Teller, font le premier essai d’une bombe à fusion (la bombe Ivy Mike) en 1952. Les Russes feront de même en 1953 avec la bombe Tsar Bomba, première bombe à fusion nucléaire russe.

II – Les découvertes en physique atomique et en physique nucléaire

1 – Les différents modèles de l’atome

Le modèle du pain aux raisins

Le modèle communément accepté à la fin du xixe siècle était le modèle dit du pain aux raisins. Joseph John Thomson et Jean-Baptiste Perrin en seront de fervents défenseurs. Pour eux, un atome est une boule composée :

– d’une pâte chargée positivement ;

– de grains chargés négativement, les électrons (assimilables aux raisins !).

Le modèle planétaire de Bohr

Le modèle du pain aux raisins ne décrivait pas bien les phénomènes observés. En effet, dans ce modèle, les électrons finissent par perdre leur énergie et par se retrou- ver avec une vitesse nulle, ce qui n’est pas le cas.

Après avoir étudié les travaux de Max Planck sur le corps noir, Niels Bohr a l’idée d’assimiler un atome au système solaire :

– au centre, un noyau positif, concentre la masse (comme le Soleil) ;

– en périphérie, tournent sur des trajectoires circulaires les électrons (les planètes).

Dans ce modèle, les électrons sont sur des « couches » bien précises : leur énergie est quantifiée.

L’expérience de Rutherford

En 1911, Ernest Rutherford réalise l’expérience suivante : il bombarde une feuille d’or très mince de rayons alpha. Il entoure cette feuille d’or d’un écran de sulfure de zinc, capable de scintiller lors de l’impact des particules alpha.

Références

Documents relatifs

L’énergie de désintégration d’un gramme d’uranium correspond à celle produite par :..  1t

L’énergie de désintégration d’un gramme d’uranium correspond à celle produite par :..  1t

[r]

Après calcination, par voie alcoxyde, nous avons mis en évidence la présence de trois phases : une phase quadratique semblable à celle après frittage, une phase monoclinique ne

• Les noyaux stables sont répartis le long d’une ligne située au centre de la bande : C’est la ligne de stabilité ou vallée de stabilité. Cette ligne s’arrête au noyau

Seuls les verres issus du retraitement des UOX usés, qui contiennent produits de fi ssion et actinides mineurs, sont considérés sans ambiguïté comme déchets.. Les MOX

L ’analyse de cette dosim étrie et des m esures de débit de dose effectuées régulièrem ent au cours du chantier perm et, cependant, de tirer plusieurs enseignem ents im

Grâce aux premières méthodes de mesure de masse (spectrographe de masse), on a constaté que la masse d'un atome était approximativement égale au produit de la masse du proton par