Fiche de révision : Atome et radioactivité

📋 Plan du Cours

1. Structure et propriétés de l’atome
2. Éléments et configuration électronique
3. Isotopes et applications médicales
4. Stabilité des noyaux
5. Désintégrations alpha et bêta
6. Rayonnements gamma et fluorescence
7. Décroissance radioactive
8. Demi-vie et activité

📖 1. Structure et propriétés de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : La plus petite particule caractérisant un élément chimique et comprenant un noyau formé de protons et de neutrons ainsi qu’un cortège électronique contenant des électrons négatifs.

★ À maîtriser

• Un proton a une masse de 1,673×10−27 kg et une charge de +1,6×10−19 C, tandis qu’un neutron a une masse de 1,675×10−27 kg et une charge nulle.

📌 Un atome électriquement neutre possède autant de protons que d’électrons.

Compléments

• Un électron a une masse de 9,11×10−31 kg et une charge de −1,6×10−19 C.

• Le noyau mesure environ 10−15 m de diamètre, tandis que la distance moyenne des électrons au noyau est d’environ 10−10 m.

💡 Astuce mémo

Noyau massif au centre, électrons légers autour

📖 2. Éléments et configuration électronique

🔑 Notions clés & Définitions

• Élément chimique : L’ensemble des espèces chimiques caractérisées par le même numéro atomique Z.
• Nombre de masse : Le nombre total de nucléons, c’est-à-dire la somme des protons et des neutrons du noyau.

📝 Points essentiels

• Le numéro atomique Z correspond au nombre de protons du noyau et indique la place de l’atome dans la classification périodique.

📌 La configuration électronique décrit la répartition des électrons autour du noyau dans des couches électroniques.

• Les couches électroniques K, L et M peuvent contenir respectivement 2, 8 et 18 électrons au maximum.

💡 Astuce mémo

K puis L puis M : remplissage des couches

📖 3. Isotopes et applications médicales

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotopes : Des noyaux ayant le même numéro atomique mais des nombres de masse différents.

★ À maîtriser

• Le carbone 12, noté ¹²₆C, est stable tandis que le carbone 14, noté ¹⁴₆C, est instable et contient deux neutrons de plus.

• L’iode 131 est utilisé en radiothérapie, tandis que l’iode 123 est utilisé en scintigraphie.

📌 Les noyaux isotopes ont les mêmes propriétés chimiques et biochimiques, de sorte que les radioisotopes sont métabolisés comme l’isotope stable.

Compléments

• Parmi les 37 isotopes connus de l’iode, seul l’iode 127 est stable et représente la totalité de l’iode naturel.

💡 Astuce mémo

Même Z, A différent : chimie identique, stabilité différente

📖 4. Stabilité des noyaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité : La désintégration spontanée d’un noyau instable avec émission d’une particule, souvent accompagnée d’un rayonnement.

★ À maîtriser

• Pour Z < 20, le domaine de stabilité se situe autour de N = Z, tandis que pour Z > 20 les noyaux lourds stables ont davantage de neutrons que de protons, avec N > Z.

• 🔄 Lors d’un excès de neutrons:

  1. Le noyau possède trop de neutrons
  2. Un neutron se transforme en proton
  3. Un rayonnement β− est émis

• 🔄 Lors d’un excès de protons:

  1. Le noyau possède trop de protons
  2. Un proton se transforme en neutron
  3. Un rayonnement β+ est émis

Compléments

📌 Les noyaux trop massifs, de nombre de masse A > 170, sont instables et peuvent émettre un noyau d’hélium.

💡 Astuce mémo

N = Z pour les légers, N > Z pour les lourds

📖 5. Désintégrations alpha et bêta

★ À maîtriser

📌 Toute équation de réaction nucléaire conserve le nombre de nucléons A et le nombre de charges Z.

📐 Formule — Lors d’une désintégration alpha, $^{A}_{Z}X \rightarrow ^{A-4}_{Z-2}Y + ^{4}_{2}He$.

• Le rayonnement alpha est peu pénétrant mais très ionisant et est arrêté par quelques décimètres d’air, une feuille de papier ou la couche supérieure de l’épiderme.

📐 Formule — Lors d’une désintégration bêta moins, $^{A}_{Z}X \rightarrow ^{A}_{Z+1}Y + ^{0}_{-1}e$.

📐 Formule — Lors d’une désintégration bêta plus, $^{A}_{Z}X \rightarrow ^{A}_{Z-1}Y + ^{0}_{+1}e$.

📐 Formule — Lors d’une capture électronique, $^{A}_{Z}X + ^{0}_{-1}e \rightarrow ^{A}_{Z-1}Y$.

Compléments

• Lors d’une désintégration bêta moins, un neutron se transforme en proton et en électron, le proton restant dans le noyau.

💡 Astuce mémo

Excès de neutrons : β− ; excès de protons : β+ ou capture ; noyau lourd : α

📖 6. Rayonnements gamma et fluorescence

★ À maîtriser

📐 Formule — Lorsqu’un noyau excité se désexcite, il émet un photon gamma selon $^{A}_{Z}X^* \rightarrow ^{A}_{Z}X + \gamma$.

Compléments

• 🔄 La capture électronique entraîne:

  1. La capture d’un électron de la couche K par un proton
  2. La transformation du proton en neutron
  3. La création d’une vacance dans la couche K
  4. La réorganisation électronique avec émission de photons X

• La capture électronique du gallium 67 est utilisée en scintigraphie au gallium.

• Le rayonnement gamma est un rayonnement électromagnétique de fréquence élevée et de très courte longueur d’onde.

• Le cobalt 60 émet d’abord un rayonnement β− puis son noyau fils instable se stabilise en émettant deux photons gamma.

💡 Astuce mémo

Noyau excité → émission d’un photon γ ; lacune électronique → fluorescence X

📖 7. Décroissance radioactive

🔑 Notions clés & Définitions

• Temps de demi-vie : La durée nécessaire pour que la moitié des noyaux initialement présents dans un échantillon radioactif se désintègre.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Le nombre de noyaux radioactifs restants suit la loi $N(t)=N_0\times e^{-\lambda t}$, où λ est la constante radioactive propre au noyau et s’exprime en s−1.

📐 Formule — Le temps de demi-vie est relié à la constante radioactive par $t_{1/2}=\frac{\ln 2}{\lambda}$.

💡 Astuce mémo

Désintégrations aléatoires → décroissance exponentielle

📖 8. Demi-vie et activité

🔑 Notions clés & Définitions

• Activité : Le nombre moyen de désintégrations par seconde et s’exprime en becquerels.

★ À maîtriser

• Un becquerel correspond à une désintégration par seconde et s’écrit 1 Bq = 1 désintégration par seconde.

📐 Formule — L’activité suit la loi $A(t)=\lambda\times N_0\times e^{-\lambda t}$, qui peut aussi s’écrire $A(t)=A_0\times e^{-\lambda t}$ avec $A_0=\lambda\times N_0$.

Compléments

• L’activité radioactive se mesure à l’aide d’un compteur Geiger-Müller.

💡 Astuce mémo

Demi-vie : moitié des noyaux ; activité : désintégrations par seconde

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des désintégrations nucléaires