L'intuition
Imagine que tu as un sac rempli de billes de verre, mais certaines de ces billes sont un peu "fragiles" et peuvent se casser spontanément à tout moment, sans raison apparente. Quand une bille se casse, elle se transforme en deux morceaux plus petits et plus stables. C'est un peu ça, la radioactivité : des noyaux atomiques sont instables, et pour devenir plus stables, ils se "cassent" (se désintègrent) en d'autres noyaux, en émettant des particules.
Ce phénomène est aléatoire pour une bille donnée (on ne sait pas quand elle va se casser), mais si tu as un très grand nombre de billes, tu peux prédire qu'après un certain temps, la moitié d'entre elles seront cassées. Ce temps, c'est la "demi-vie". C'est comme ça qu'on peut dater des objets anciens : en mesurant combien de billes "fragiles" il reste par rapport au début.
L'énergie libérée, c'est un peu comme si quand une bille se casse, une petite étincelle d'énergie est produite. Cette énergie vient du fait que les morceaux sont un peu moins lourds que la bille entière. C'est la fameuse relation d'Einstein : une petite perte de masse se transforme en une grande quantité d'énergie.
Le cours
I. Stabilité et instabilité des noyaux atomiques
Un noyau atomique est constitué de protons (charge positive) et de neutrons (charge nulle), collectivement appelés nucléons. Le nombre de protons est le numéro atomique . Le nombre de nucléons est le nombre de masse . Un noyau est noté , où est le symbole de l'élément chimique.
Isotopes : Des noyaux sont isotopes s'ils ont le même nombre de protons () mais des nombres de neutrons différents (donc des nombres de masse différents). Par exemple, le chlore et le chlore sont des isotopes.
Stabilité nucléaire : La stabilité d'un noyau dépend du rapport entre son nombre de neutrons et son nombre de protons. Les noyaux instables sont dits radioactifs. Ils se désintègrent spontanément pour former des noyaux plus stables.
II. Les transformations nucléaires spontanées (radioactivité)
La radioactivité est la transformation spontanée d'un noyau atomique instable (noyau père) en un noyau plus stable (noyau fils), avec émission de particules et/ou de rayonnements.
A. Les types de désintégration radioactive
-
Radioactivité (alpha) : Émission d'un noyau d'hélium (particule ). Équation générale : Exemple :
-
Radioactivité (bêta moins) : Émission d'un électron (particule ). Un neutron se transforme en proton. Équation générale : Exemple :
-
Radioactivité (bêta plus) : Émission d'un positon (particule ). Un proton se transforme en neutron. Équation générale : Exemple :
-
Radioactivité (gamma) : Émission d'un rayonnement électromagnétique de haute énergie (photon ). Elle accompagne souvent les désintégrations ou lorsque le noyau fils est dans un état excité. Équation générale : (où est un noyau excité).
B. Les lois de conservation (lois de Soddy)
Lors de toute transformation nucléaire, il y a conservation :
- Du nombre de masse (nombre total de nucléons).
- Du nombre de charge (nombre total de protons).
Ces lois permettent de déterminer les caractéristiques du noyau fils ou de la particule émise.
III. La loi de décroissance radioactive
La désintégration radioactive est un phénomène aléatoire et spontané. Pour un grand nombre de noyaux, le nombre de désintégrations par unité de temps est proportionnel au nombre de noyaux présents.
A. Constante radioactive ()
Chaque isotope radioactif est caractérisé par une constante radioactive , exprimée en ou , qui représente la probabilité de désintégration par unité de temps.
B. Loi de décroissance du nombre de noyaux
Le nombre de noyaux radioactifs restant à l'instant est donné par :
où est le nombre de noyaux radioactifs à l'instant initial .
C. Demi-vie ()
La demi-vie (ou période radioactive) est le temps au bout duquel la moitié des noyaux radioactifs initialement présents se sont désintégrés. À , on a . En utilisant la loi de décroissance :
D. Activité radioactive ()
L'activité radioactive d'un échantillon est le nombre de désintégrations par seconde.
L'unité de l'activité est le Becquerel (Bq), . Comme , on a :
où est l'activité initiale à .
IV. Énergie des transformations nucléaires
A. Défaut de masse ()
Le défaut de masse d'un noyau est la différence entre la somme des masses de ses nucléons pris isolément et la masse du noyau. Pour un noyau :
où est la masse d'un proton, la masse d'un neutron et la masse du noyau . Le défaut de masse est toujours positif ().
B. Énergie de liaison ()
L'énergie de liaison est l'énergie qu'il faut fournir pour séparer un noyau en ses nucléons isolés. Elle est liée au défaut de masse par la relation d'Einstein :
où est la célérité de la lumière dans le vide (). L'énergie de liaison est souvent exprimée en MeV (Mégaélectronvolt). . (u est l'unité de masse atomique).
C. Énergie de liaison par nucléon ()
L'énergie de liaison par nucléon est un indicateur de la stabilité d'un noyau. Plus est grande, plus le noyau est stable.
D. Énergie libérée lors d'une transformation nucléaire ()
Lors d'une transformation nucléaire, il y a une variation de masse . Cette variation de masse est convertie en énergie selon la relation d'Einstein.
où . Si , de l'énergie est libérée (réaction exothermique). Si , de l'énergie est absorbée (réaction endothermique). Dans le cas des désintégrations radioactives, de l'énergie est toujours libérée.
Exemple résolu
Reprenons un extrait d'annale :
Exercice 1 : Désintégration de Strontium 90 Le Strontium est l’un des principaux noyaux se trouvant dans les déchets des réacteurs nucléaires électrogènes. se désintègre en Yttrium Y en émettant une particule . Il est très nocif quand la particule est inhalée ou ingérée. Le noyau est l’un des isotopes de l’élément Strontium.
Données : Demi-vie de : Énergie de liaison du noyau :
Questions :
- Écrire l'équation de désintégration de en précisant les valeurs de et du noyau fils Y.
- Calculer, en unité MeV, l'énergie de liaison du noyau Y.
- Déterminer, en justifiant, le noyau le plus stable parmi et .
- Un échantillon de Strontium 90 a une activité initiale à l'instant . 4.1. Calculer le nombre des noyaux présents initialement dans cet échantillon. 4.2. Déterminer l'instant pour lequel l'activité de cet échantillon devient .
Correction détaillée :
1. Équation de désintégration : Le Strontium se désintègre en Yttrium Y par émission . La particule est un électron . L'équation s'écrit :
Appliquons les lois de Soddy :
- Conservation du nombre de masse :
- Conservation du nombre de charge :
Le noyau fils est donc . L'équation complète est :
2. Calcul de l'énergie de liaison : Pour calculer l'énergie de liaison, il faut d'abord calculer le défaut de masse . Le noyau contient protons et neutrons.
Maintenant, convertissons ce défaut de masse en énergie de liaison : Sachant que ,
3. Détermination du noyau le plus stable : Pour comparer la stabilité, on calcule l'énergie de liaison par nucléon (). Pour : (donnée)
Pour : (calculé précédemment)
Comparaison : . Le noyau a une énergie de liaison par nucléon plus élevée que . Donc, le noyau le plus stable est .
(Note : Il y a une petite incohérence dans l'énoncé qui indique que le Strontium se désintègre pour devenir plus stable, mais les calculs montrent l'inverse. C'est un cas où il faut suivre les données et les calculs rigoureusement, même si le résultat semble contredire l'introduction. L'examen teste la méthode.)
4.1. Calcul du nombre de noyaux initialement présents : On a l'activité initiale . On sait que , donc . Il faut d'abord calculer . On a . Pour que soit en (pour être cohérent avec les Bq), il faut convertir la demi-vie en secondes :
Maintenant, calculons :
4.2. Détermination de l'instant pour lequel : On utilise la loi de décroissance de l'activité : . On veut .
On a , donc
La méthode
Voici les étapes clés pour résoudre les problèmes de transformations nucléaires, comme attendu à l'examen :
-
Écrire l'équation de désintégration :
- Identifie le noyau père et la particule émise (par exemple, est , est ).
- Note le noyau fils avec des inconnues .
- Applique les lois de Soddy (conservation de et ) pour trouver et du noyau fils.
- Écris l'équation complète.
-
Calculer l'énergie de liaison () ou le défaut de masse () :
- Détermine le nombre de protons () et de neutrons () du noyau.
- Calcule le défaut de masse .
- Convertis le défaut de masse en énergie de liaison . Utilise la conversion .
-
Comparer la stabilité des noyaux :
- Calcule l'énergie de liaison par nucléon () pour chaque noyau à comparer.
- Le noyau avec la plus grande énergie de liaison par nucléon est le plus stable.
-
Calculer l'énergie libérée () lors d'une réaction :
- Calcule la variation de masse de la réaction : .
- L'énergie libérée est . Si est en u, utilise la conversion .
-
Exploiter la loi de décroissance radioactive :
- Calculer à partir de : . Assure-toi que les unités sont cohérentes (par exemple, si est en années, sera en ).
- Calculer ou : Utilise ou .
- Calculer à partir de : . Attention aux unités : si est en Bq (), doit être en .
- Déterminer un temps : Si on te donne ou , utilise pour trouver .
Pièges classiques
-
Oubli des lois de Soddy : Ne pas vérifier la conservation de et peut conduire à une équation de désintégration fausse. Toujours vérifier et .
-
Erreur dans le calcul du défaut de masse : Le défaut de masse est toujours positif. Si tu trouves un négatif pour un noyau, c'est une erreur. C'est (masse des nucléons isolés) - (masse du noyau).
-
Confusion entre et : L'énergie de liaison () est pour le noyau entier. L'énergie de liaison par nucléon () est pour comparer la stabilité.
-
Unités : C'est le piège le plus fréquent.
- Pour : si est en kg, est en Joules. Si est en u, utilise la conversion .
- Pour et : si est en années, est en . Si tu utilises en Bq (), doit être en . Convertis en secondes si nécessaire.
-
Confondre masse de l'atome et masse du noyau : Souvent, les données sont des masses atomiques. Pour le défaut de masse, on utilise la masse du noyau. Cependant, dans les calculs d'énergie libérée, la masse des électrons s'annule si on considère des atomes neutres et des particules ou . Pour la par exemple, . Si on utilise les masses atomiques, on a . Et . . Donc, pour la désintégration , on peut utiliser directement les masses atomiques. Pour la , c'est . Pour l'alpha, c'est . Le plus sûr est de toujours utiliser les masses des noyaux et des particules. Si les masses atomiques sont données, il faut être vigilant. Dans les exercices du Bac, souvent, les masses d'électrons sont négligeables ou les masses atomiques sont données de manière à simplifier le calcul. Si est donnée, il faut l'utiliser.
-
Calcul de à partir de :
Ne pas oublier le signe moins ou se tromper dans les propriétés du logarithme.
Ce qui tombe à l'examen
Le chapitre des transformations nucléaires représente environ 8% de la note totale en Physique-Chimie. C'est un chapitre court et très ciblé. Les questions sont souvent directes et suivent un schéma classique.
Formats de questions réels :
-
Écriture d'équation de désintégration :
- Donner le type de désintégration (ex: ) et le noyau père.
- Demander d'écrire l'équation en précisant et du noyau fils.
- Exemple (annale 2024 Sciences Maths) : "Écrire l’équation de désintégration de l’or en précisant les valeurs de et ." (0,5 point)
- Exemple (annale 2020 SVT) : "Le type de désintégration : . D'après les lois de Soddy : ... La particule émise est l'électron ; donc le type de désintégration est . " (0,5 point)
-
Calcul d'énergie de liaison ou d'énergie libérée :
- Calculer l'énergie de liaison d'un noyau à partir des masses des nucléons et du noyau.
- Calculer l'énergie libérée lors d'une désintégration à partir des masses des réactifs et des produits.
- Exemple (annale 2024 Sciences Maths) : "Vérifier que la valeur de l'énergie de liaison est égale à 1525,53 MeV." (0,5 point)
- Exemple (annale 2024 Sciences Maths) : "Calculer, en unité MeV, l'énergie libérée par la réaction de désintégration d'un noyau d'or 198." (0,5 point)
-
Comparaison de stabilité nucléaire :
- Calculer pour deux noyaux et conclure sur leur stabilité.
- Exemple (annale 2024 Sciences Maths) : "Justifier que le noyau est plus stable que le noyau ." (0,5 point)
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Application de la loi de décroissance radioactive :
- Calcul de à partir de ou inversement.
- Calcul du nombre de noyaux ou de l'activité à un instant donné.
- Calcul de l'instant pour une activité ou un nombre de noyaux donné.
- Exemple (annale 2020 SVT) : "Calculer le nombre de noyaux de bismuth à restant." (0,5 point)
- Exemple (annale 2020 SVT) : "La période radioactive ." (0,75 point)
- Exemple (annale 2024 Sciences Maths) : "Déterminer l'activité de la dose après 28 jours de l'injection." (0,5 point)
Barème et attendus :
- Clarté et rigueur : Les équations doivent être écrites proprement, les lois de Soddy clairement appliquées.
- Formules littérales : Toujours écrire la formule littérale avant l'application numérique. C'est une consigne systématique.
- Unités : Ne jamais oublier les unités dans les résultats numériques. Une réponse sans unité est considérée comme fausse ou incomplète.
- Chiffres significatifs : Respecter le nombre de chiffres significatifs des données.
- Justification : Toute affirmation (ex: stabilité, type de désintégration) doit être justifiée par un calcul ou une loi.
Ce chapitre est un bon moyen de gagner des points car les questions sont prévisibles. Maîtrise bien les formules, les conversions d'unités et la méthode de résolution pas à pas.