COMPRENDRE LOIS ET MODELES Ch 8 : Radioactivité et réactions nucléaires I) Activité documentaire 1°) Histoire de la découverte de la radioactivité Act 1
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COMPRENDRE
LOIS ET MODELES
Slide 2
Ch 8 : Radioactivité et réactions
nucléaires
Slide 3
I) Activité documentaire
1°) Histoire de la découverte de la radioactivité
Act 1 p 134
2°) La radioactivité: un phénomène naturel
De nombreux objets qui nous entourent sont radioactifs.
L’activité A d’un échantillon (nombre de désintégrations par seconde) se mesure
en becquerel (Bq)
Slide 4
3°) Stabilité et instabilité des noyaux
Analyser le document
1.a) Sur le diagramme,
les cases colorées sont
beaucoup plus
nombreuses que les
cases noires
correspondant aux
noyaux stables: les
noyaux instables sont
plus abondants que les
noyaux stables.
1.b) Le noyau stable le
plus lourd est le plomb
208:
208 Pb
82
Slide 5
3°) Stabilité et instabilité des noyaux
1.c)
20
Le noyau dont la représentation symbolique est
Correspond à la case de coordonnées (10;10);
cette case est noire, le noyau est stable.
La case de coordonnées (30;30) correspond à
Cette case est orange, le noyau est instable.
La case de coordonnées (35;20) correspond à
Cette case est bleue, le noyau est instable.
La case de coordonnées (126;84) correspond à
Cette case est jaune, le noyau est instable.
60
55
10Ne
30
20
Zn
Ca
210
84Po
Slide 6
3°) Stabilité et instabilité des noyaux
Interpréter le document
2.a) Les noyaux de même ordonnée ont le même nombre de protons et le
même symbole: 20882Pb et 20782Pb sont isotopes.
Deux noyaux isotopes ont le même nombre de protons mais des nombres de
neutrons différents.
2.b) L’interaction forte assure la cohésion du noyau en s’opposant à
l’interaction électromagnétique responsable de la répulsion entre les protons.
Cette cohésion est assurée dans le cas de 2010Ne et le noyau est stable.
Pour 6030Zn (30 neutrons et 30 protons), on peut supposer que l’interaction
électromagnétique l’emporte sur l’interaction forte car, d’après le diagramme,
les noyaux stables possédant 30 protons contiennent plus de 30 neutrons.
(pas assez de neutrons par rapport au nombre de protons)
Pour 5520Ca (35 neutrons, 20 protons), on peut supposer que l’interaction forte
l’emporte sur l’interaction électromagnétique car les noyaux stables possédant
20 protons contiennent moins de 35 neutrons (22,23 ou 24).
Le noyau 21084Po contient trop de protons pour être stable.
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3°) Stabilité et instabilité des noyaux
Conclure
3.a) Les noyaux situés au-dessus de la vallée de stabilité, comme 6030Zn,
transforment un proton en neutron et se rapprochent de cette vallée: ils sont
radioactifs β+ .
Les noyaux situés au-dessous de la vallée de stabilité, comme 5520Ca,
transforment un neutron en proton et se rapprochent ainsi de cette vallée: ils
sont radioactifs β- .
Les noyaux situés au-delà de Z = 82 comme 21084Po, perdent deux neutrons et
deux protons: ils sont radioactifs α.
3.b)
60
30Zn
donne 6029Cu par radioactivité β+ ;
55
20Ca
donne 5521Sc par radioactivité β- ;
210
84Po
donne 20682Pb par radioactivité α .
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II) Réaction nucléaire spontanée
1°) Définition
a) Réaction nucléaire
Transformation d’un ou plusieurs noyaux atomiques
b) Noyaux isotopes
A un élément chimique peuvent correspondre plusieurs noyaux qui
diffèrent par leur nombre de neutrons. Ce sont les noyaux isotopes
(même nombre de protons Z, pas même nombre de nucléons A)
2°) Cohésion du noyau et radioactivité
La cohésion du noyau est liée au nombre de protons et de neutrons.
Quand elle n’est plus assurée, il est instable. Un noyau radioactif est un
noyau instable.
La radioactivité est la manifestation spontanée d’une réaction nucléaire
dans laquelle un noyau radioactif, appelé noyau père, se désintègre en un
autre noyau, appelé noyau fils, et émet une particule.
La radioactivité est dite naturelle lorsque les noyaux instables existent dans
la nature. Elle est dite artificielle lorsqu’ils sont créés en laboratoire.
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II) Réaction nucléaire spontanée
3°) Lois de conservation: Loi de SODDY
Lors d’une réaction nucléaire, il y a conservation de la charge électrique et
du nombre de nucléons.
A
ZX
→ A1Z1Y1 + A2Z2Y2
A = A1 + A2
conservation du nombre de nucléons
Z = Z 1 + Z2
conservation de la charge électrique
4°) Activité et décroissance radioactive
Activité d’un échantillon: nombre de désintégrations par seconde.
Elle s’exprime en becquerel (Bq) et dépend du nombre de noyaux
susceptibles de se désintégrer.
L’activité d’un échantillon diminue donc avec le temps.
L’activité est divisée par 2 au bout d’un temps noté t1/2: la demi-vie d’un
échantillon.
Slide 10
II) Réaction nucléaire spontanée
5°) Différents types de désintégration
a) Radioactivité α
noyau instable en raison d’un excédent de nucléons
Émission d’un noyau d’hélium: 42He encore appelé particule α
A
Général:
Ex:
210
84Po
ZX
→
→
A-4
206
82Pb
Z-2Y
+
4
2He
+ 42He
b) Radioactivité βnoyau instable en dessous de la vallée de stabilité (diagramme de Segré)
Émission d’un électron :
0 e
-1
A X → A
0
Général:
Z
Z+1Y + -1e
L’interaction faible intervient dans la transformation d’un neutron en proton:
1 n→ 1 p + 0 e
0
+1
-1
Ex:
60
27Co
→
60
28Ni
+ 0-1e
Slide 11
II) Réaction nucléaire spontanée
5°) Différents types de désintégration
c) Radioactivité β+
noyau instable au dessus de la vallée de stabilité (diagramme de Segré)
Émission d’un positon : 01e
A X → A
0
Général:
Z
Z-1Y + 1e
Transformation d’un proton en neutron:
1 p→ 1 n + 0 e
1
0
1
Ex:
30
15P
→
30
14Si
+
0
1e
d) La désexcitation γ
Après la désintégration, le noyau fils est souvent dans un état dit « excité ».
Il devient stable est émet l’excédent d’énergie sous forme d’un
rayonnement électromagnétique appelé rayonnement γ.
On le note:
A
ZY*
→
A
ZY
+γ
Slide 12
II) Réaction nucléaire spontanée
6°) Diagramme de Segré
Slide 13
III) Réaction nucléaire provoquée
1°) La fission nucléaire
Réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau lourd, dit « fissile »,
est scindé en deux noyaux plus légers sous l’impact d’un neutron.
Exemple:
235 U + 1 n →
92
0
139
54Xe
+
94
38Sr
+ 3
1
0n
3 neutrons sont libérés: réaction en chaîne.
Exemples d’applications :
Les Centrales nucléaires (problèmes de déchets et de sécurité)
La bombe A (Pas la meilleur des inventions humaine…).
Slide 14
III) Réaction nucléaire provoquée
2°) La fusion nucléaire
Réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux légers s’unissent pour
donner un noyau plus lourd. Cette fusion nécessite des températures très
élevées. Cette condition existe dans les étoiles, comme le Soleil.
Exemple:
2 H + 3 H → 4 He + 1 n
1
1
2
0
Exemples d’applications :
Étoiles : Ce n’est pas une application humaine, mais la fusion de noyaux
d’hydrogène (principalement), illumine l’espace et donne matière et vie.
La bombe H (la bombe A ne devait pas être suffisamment forte…).
Le tokamak ou ITER : Fusion de noyaux de deutérium. Cette réaction, environ
5 fois plus énergétique que la fission de l’uranium à masse égale, et le
gigantesque réservoir de deutérium dans les océans assurerait à l’humanité 1
milliard d’années d’autonomie d’énergie. Mais certains doutent qu’il ne
fonctionne un jour.
Slide 15
IV) Bilan d’énergie
Lors d’une réaction nucléaire, la masse des produits
obtenus est inférieure à la masse des réactifs.
La masse manquante est appelée « perte de masse »:
| ∆m| = | mproduits – mréactifs |
Une perte de masse correspond à une libération d’énergie
Equation d’Einstein
Un corps de masse m au repos, a une énergie totale :
Elibérée = | ∆m| x c2
c : célérité de la lumière: 3.108 m.s-1.
E en joule : J
m en kg
Cette énergie est libérée sous forme :
-d’énergie cinétique des noyaux et des particules créés;
-d’énergie du rayonnement γ .
COMPRENDRE
LOIS ET MODELES
Slide 2
Ch 8 : Radioactivité et réactions
nucléaires
Slide 3
I) Activité documentaire
1°) Histoire de la découverte de la radioactivité
Act 1 p 134
2°) La radioactivité: un phénomène naturel
De nombreux objets qui nous entourent sont radioactifs.
L’activité A d’un échantillon (nombre de désintégrations par seconde) se mesure
en becquerel (Bq)
Slide 4
3°) Stabilité et instabilité des noyaux
Analyser le document
1.a) Sur le diagramme,
les cases colorées sont
beaucoup plus
nombreuses que les
cases noires
correspondant aux
noyaux stables: les
noyaux instables sont
plus abondants que les
noyaux stables.
1.b) Le noyau stable le
plus lourd est le plomb
208:
208 Pb
82
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3°) Stabilité et instabilité des noyaux
1.c)
20
Le noyau dont la représentation symbolique est
Correspond à la case de coordonnées (10;10);
cette case est noire, le noyau est stable.
La case de coordonnées (30;30) correspond à
Cette case est orange, le noyau est instable.
La case de coordonnées (35;20) correspond à
Cette case est bleue, le noyau est instable.
La case de coordonnées (126;84) correspond à
Cette case est jaune, le noyau est instable.
60
55
10Ne
30
20
Zn
Ca
210
84Po
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3°) Stabilité et instabilité des noyaux
Interpréter le document
2.a) Les noyaux de même ordonnée ont le même nombre de protons et le
même symbole: 20882Pb et 20782Pb sont isotopes.
Deux noyaux isotopes ont le même nombre de protons mais des nombres de
neutrons différents.
2.b) L’interaction forte assure la cohésion du noyau en s’opposant à
l’interaction électromagnétique responsable de la répulsion entre les protons.
Cette cohésion est assurée dans le cas de 2010Ne et le noyau est stable.
Pour 6030Zn (30 neutrons et 30 protons), on peut supposer que l’interaction
électromagnétique l’emporte sur l’interaction forte car, d’après le diagramme,
les noyaux stables possédant 30 protons contiennent plus de 30 neutrons.
(pas assez de neutrons par rapport au nombre de protons)
Pour 5520Ca (35 neutrons, 20 protons), on peut supposer que l’interaction forte
l’emporte sur l’interaction électromagnétique car les noyaux stables possédant
20 protons contiennent moins de 35 neutrons (22,23 ou 24).
Le noyau 21084Po contient trop de protons pour être stable.
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3°) Stabilité et instabilité des noyaux
Conclure
3.a) Les noyaux situés au-dessus de la vallée de stabilité, comme 6030Zn,
transforment un proton en neutron et se rapprochent de cette vallée: ils sont
radioactifs β+ .
Les noyaux situés au-dessous de la vallée de stabilité, comme 5520Ca,
transforment un neutron en proton et se rapprochent ainsi de cette vallée: ils
sont radioactifs β- .
Les noyaux situés au-delà de Z = 82 comme 21084Po, perdent deux neutrons et
deux protons: ils sont radioactifs α.
3.b)
60
30Zn
donne 6029Cu par radioactivité β+ ;
55
20Ca
donne 5521Sc par radioactivité β- ;
210
84Po
donne 20682Pb par radioactivité α .
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II) Réaction nucléaire spontanée
1°) Définition
a) Réaction nucléaire
Transformation d’un ou plusieurs noyaux atomiques
b) Noyaux isotopes
A un élément chimique peuvent correspondre plusieurs noyaux qui
diffèrent par leur nombre de neutrons. Ce sont les noyaux isotopes
(même nombre de protons Z, pas même nombre de nucléons A)
2°) Cohésion du noyau et radioactivité
La cohésion du noyau est liée au nombre de protons et de neutrons.
Quand elle n’est plus assurée, il est instable. Un noyau radioactif est un
noyau instable.
La radioactivité est la manifestation spontanée d’une réaction nucléaire
dans laquelle un noyau radioactif, appelé noyau père, se désintègre en un
autre noyau, appelé noyau fils, et émet une particule.
La radioactivité est dite naturelle lorsque les noyaux instables existent dans
la nature. Elle est dite artificielle lorsqu’ils sont créés en laboratoire.
Slide 9
II) Réaction nucléaire spontanée
3°) Lois de conservation: Loi de SODDY
Lors d’une réaction nucléaire, il y a conservation de la charge électrique et
du nombre de nucléons.
A
ZX
→ A1Z1Y1 + A2Z2Y2
A = A1 + A2
conservation du nombre de nucléons
Z = Z 1 + Z2
conservation de la charge électrique
4°) Activité et décroissance radioactive
Activité d’un échantillon: nombre de désintégrations par seconde.
Elle s’exprime en becquerel (Bq) et dépend du nombre de noyaux
susceptibles de se désintégrer.
L’activité d’un échantillon diminue donc avec le temps.
L’activité est divisée par 2 au bout d’un temps noté t1/2: la demi-vie d’un
échantillon.
Slide 10
II) Réaction nucléaire spontanée
5°) Différents types de désintégration
a) Radioactivité α
noyau instable en raison d’un excédent de nucléons
Émission d’un noyau d’hélium: 42He encore appelé particule α
A
Général:
Ex:
210
84Po
ZX
→
→
A-4
206
82Pb
Z-2Y
+
4
2He
+ 42He
b) Radioactivité βnoyau instable en dessous de la vallée de stabilité (diagramme de Segré)
Émission d’un électron :
0 e
-1
A X → A
0
Général:
Z
Z+1Y + -1e
L’interaction faible intervient dans la transformation d’un neutron en proton:
1 n→ 1 p + 0 e
0
+1
-1
Ex:
60
27Co
→
60
28Ni
+ 0-1e
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II) Réaction nucléaire spontanée
5°) Différents types de désintégration
c) Radioactivité β+
noyau instable au dessus de la vallée de stabilité (diagramme de Segré)
Émission d’un positon : 01e
A X → A
0
Général:
Z
Z-1Y + 1e
Transformation d’un proton en neutron:
1 p→ 1 n + 0 e
1
0
1
Ex:
30
15P
→
30
14Si
+
0
1e
d) La désexcitation γ
Après la désintégration, le noyau fils est souvent dans un état dit « excité ».
Il devient stable est émet l’excédent d’énergie sous forme d’un
rayonnement électromagnétique appelé rayonnement γ.
On le note:
A
ZY*
→
A
ZY
+γ
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II) Réaction nucléaire spontanée
6°) Diagramme de Segré
Slide 13
III) Réaction nucléaire provoquée
1°) La fission nucléaire
Réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau lourd, dit « fissile »,
est scindé en deux noyaux plus légers sous l’impact d’un neutron.
Exemple:
235 U + 1 n →
92
0
139
54Xe
+
94
38Sr
+ 3
1
0n
3 neutrons sont libérés: réaction en chaîne.
Exemples d’applications :
Les Centrales nucléaires (problèmes de déchets et de sécurité)
La bombe A (Pas la meilleur des inventions humaine…).
Slide 14
III) Réaction nucléaire provoquée
2°) La fusion nucléaire
Réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux légers s’unissent pour
donner un noyau plus lourd. Cette fusion nécessite des températures très
élevées. Cette condition existe dans les étoiles, comme le Soleil.
Exemple:
2 H + 3 H → 4 He + 1 n
1
1
2
0
Exemples d’applications :
Étoiles : Ce n’est pas une application humaine, mais la fusion de noyaux
d’hydrogène (principalement), illumine l’espace et donne matière et vie.
La bombe H (la bombe A ne devait pas être suffisamment forte…).
Le tokamak ou ITER : Fusion de noyaux de deutérium. Cette réaction, environ
5 fois plus énergétique que la fission de l’uranium à masse égale, et le
gigantesque réservoir de deutérium dans les océans assurerait à l’humanité 1
milliard d’années d’autonomie d’énergie. Mais certains doutent qu’il ne
fonctionne un jour.
Slide 15
IV) Bilan d’énergie
Lors d’une réaction nucléaire, la masse des produits
obtenus est inférieure à la masse des réactifs.
La masse manquante est appelée « perte de masse »:
| ∆m| = | mproduits – mréactifs |
Une perte de masse correspond à une libération d’énergie
Equation d’Einstein
Un corps de masse m au repos, a une énergie totale :
Elibérée = | ∆m| x c2
c : célérité de la lumière: 3.108 m.s-1.
E en joule : J
m en kg
Cette énergie est libérée sous forme :
-d’énergie cinétique des noyaux et des particules créés;
-d’énergie du rayonnement γ .