⚗ Physique-Chimie · Chimie Seconde Générale · Chapitre 9

Transformations nucléaires

Isotopes, radioactivité, équations de réactions nucléaires, fission, fusion, ordres de grandeur des énergies et applications.

1. Isotopes et noyaux instables

Définition

Un noyau $^A_Z\text{X}$ contient $Z$ protons et $A - Z$ neutrons. Des isotopes ont le même $Z$ et des $A$ différents. Certains noyaux sont instables : ils se transforment spontanément en émettant un rayonnement, c'est la radioactivité.

2. Transformation nucléaire

Définition

Une transformation nucléaire modifie les noyaux : un élément chimique se transforme en un autre. (Dans une transformation chimique, les noyaux sont conservés, seuls les électrons interviennent.)

Propriété · Lois de conservation

Au cours d'une réaction nucléaire, il y a conservation du nombre de nucléons $A$ (somme des nombres du haut) et de la charge électrique $Z$ (somme des nombres du bas).

Exemple · Désintégration du carbone 14

$$^{14}_{\ 6}\text{C} \rightarrow {}^{14}_{\ 7}\text{N} + {}^{\ \,0}_{-1}\text{e}$$

Nucléons : $14 = 14 + 0$ ; charges : $6 = 7 - 1$. Un électron est émis : c'est la radioactivité $\beta^-$.

Radioactivité ?? : un neutron du noyau se transforme en proton, un électron est éjecté.

Propriété · Types de radioactivité

$\alpha$ : émission d'un noyau d'hélium ${}^4_2\text{He}$ ;
$\beta^-$ : émission d'un électron ${}^{\ \,0}_{-1}\text{e}$ ;
$\beta^+$ : émission d'un positon ${}^0_1\text{e}$ ;
souvent accompagnées d'un rayonnement $\gamma$ très énergétique.

3. Fission et fusion

Définition · Fission

Un noyau lourd, percuté par un neutron, se scinde en deux noyaux plus légers en libérant des neutrons et beaucoup d'énergie. Exemple (centrales nucléaires) :

$$^{1}_{0}\text{n} + {}^{235}_{\ 92}\text{U} \rightarrow {}^{94}_{38}\text{Sr} + {}^{140}_{\ 54}\text{Xe} + 2\,{}^{1}_{0}\text{n}$$

Fission de l'uranium 235 : les neutrons libérés peuvent provoquer d'autres fissions (réaction en chaîne).

Définition · Fusion

Deux noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd, en libérant encore plus d'énergie par nucléon. C'est la source d'énergie des étoiles : $^{2}_{1}\text{H} + {}^{3}_{1}\text{H} \rightarrow {}^{4}_{2}\text{He} + {}^{1}_{0}\text{n}$.

Propriété · Ordres de grandeur

L'énergie libérée par une transformation nucléaire est de l'ordre d'un million de fois plus grande que celle d'une transformation chimique, pour une même masse : $1$ g d'uranium 235 fournit autant d'énergie qu'environ $2$ tonnes de pétrole.

Expérience · Détecter la radioactivité (expérience de démonstration)

Matérielcompteur Geiger, source faiblement radioactive scellée (manipulée par le professeur), écrans de papier, d'aluminium et de plomb.

ProtocoleOn mesure d'abord le bruit de fond (sans source), puis le nombre de coups par minute près de la source, en interposant successivement les différents écrans.

ObservationLe bruit de fond n'est jamais nul. Le comptage diminue avec la distance et avec l'épaisseur et la nature de l'écran : une feuille de papier arrête les particules $\alpha$, quelques millimètres d'aluminium arrêtent les $\beta$, le plomb atténue les $\gamma$.

InterprétationLa radioactivité est partout (roches, air, rayonnement cosmique). On s'en protège par la distance, la durée d'exposition limitée et des écrans.

Exemple · Applications

Production d'électricité (fission), imagerie et radiothérapie en médecine, datation au carbone 14, stérilisation. Inconvénients : déchets radioactifs, risques d'accident.

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Nucléaire ou chimique

★☆☆

Classer : combustion du méthane ; désintégration de l'uranium ; formation de la rouille ; fusion de l'hydrogène dans le Soleil.