Stabilité et instabilité des noyaux

II. Stabilité et instabilité des noyaux.

1. Composition d’un noyau atomique (rappel de la classe de seconde) Représentation symbolique du noyau X^A_Z

Exemple : le noyau d’hélium 4 a pour représentation symbolique He⁴₂ Il est constitué de 4 nucléons (A) : 2 protons (Z) et 2 neutrons (A – Z) Question discussion réponse :

1. Quelles sont les compositions des noyaux suivants : ¹⁴₆C et ²²²₈₈Ra Réponses : ¹⁴₆C : 6 protons et 8 neutrons

222Ra

88 : 88 protons et 134 neutrons

2. Quelle est la représentation symbolique du noyau constitué de 92 protons et de 146 neutrons ? Classification périodique (source : académie de Toulouse) :

Réponse : il s’agit du noyau d’uranium de représentation symbolique ²³⁸₉₂U 2. Isotopie.

Le carbone 14 et le carbone 12 sont des isotopes.

Question discussion réponse : Proposer une définition des isotopes Réponse :

Des isotopes sont des noyaux qui ont le même nombre de charges Z, mais des nombres de nucléons différents.

(C’est à dire un nombre de neutrons différents).

Autres exemples : les noyaux ²²²₈₈Ra et ²²⁶₈₈Ra sont des isotopes.

3. Domaines de stabilité et d’instabilité des noyaux : Etude du diagramme (N, Z).

3.1 Pourquoi certains noyaux sont-ils instables ?

La stabilité des noyaux résulte de la compétition entre deux interactions : - L’interaction forte :

→ attractive

→ intense à courte distance

→ active sur les noyaux tels que N = Z - L’interaction coulombienne (électrique) :

→ répulsive

→ agit à plus longue distance

→ dix fois moins active que l’interaction forte

Lorsque A augmente, l’interaction coulombienne, bien que moins intense finit par l’emporter sur l’interaction forte.

Les forces répulsives sont ainsi plus intenses : il y a désintégration du noyau.

3.2. Etude du diagramme (N, Z).

On distingue 4 domaines différentes :

- Le domaine en noir représente les éléments chimiques stables (vallée de la stabilité) On constate que pour des noyaux légers (A < 20) les noyaux stables sont sur la bissectrice.

Au delà (A > 20), les noyaux stables s’écartent de cette bissectrice. Ils sont besoin de plus de neutrons que de protons pour rester stables.

- Le domaine en bleu représente les noyaux instables ayant un excès de neutrons - Le domaine en orange représente les noyaux instables ayant un excès de protons - Le domaine en jaune représente les noyaux instables ayant un excès de masse

On peut utiliser le logiciel NZ pour illustrer cette partie.

Téléchargement gratuit sur : http://catice.ac-

besancon.fr/sciences_physiques/FTP/TS /radioactivite/NZInstall.zip

Question discussion réponse : Sachant que :

- Un neutron n₀¹ peut se transformer en proton p¹₁ et émettre un électron e_-⁰₁ selon le mécanisme élémentaire suivant : ₀¹n¹₁p_-⁰₁e

- Une particule « lourde » He⁴₂ peut être émise.

- Une particule e⁰₁ peut être émise.

Attribuer à chaque domaine, le type d’émission de particule pouvant être émise afin que les noyaux instables deviennent plus stables.

Réponse :

- Les noyaux du domaine en bleu possède un excès de neutrons alors ils vont émettre un électron

0e

1

- (électron)

- Les noyaux du domaine en orange possède un excès de protons alors ils vont émettre une particule e⁰₁ (positon).

- Les noyaux du domaine en jaune possède un excès de masse alors ils vont émettre une particule

4He

2 (noyau d’hélium).