Fiche de révision : Éléments chimiques et radioactivité

📋 Plan du Cours

1. Structure des atomes et éléments chimiques
2. Origine et abondance des éléments
3. Radioactivité et désintégration nucléaire
4. Fusion et fission nucléaires
5. Types de désintégration radioactive
6. Décroissance radioactive et demi-vie
7. Datation par désintégration radioactive
8. Applications et chaînes nucléaires

📅 Repères chronologiques

1. 1896Henri Becquerel découvre la radioactivité dans le cas de l’uranium, découverte rapidement confirmée par Marie Curie pour le radium.
2. novembre 2006Alexander Litvinenko meurt après trois semaines d’agonie des suites de l’ingestion de polonium 210.
3. 2007La construction du réacteur expérimental thermonucléaire international ITER a débuté en Provence afin d’étudier la réaction entre le deutérium et le tritium.

📖 1. Structure des atomes et éléments chimiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Entité constituant la matière, composée d’un noyau et d’électrons qui se déplacent autour de lui.
• Élément chimique : Ensemble des atomes dont le noyau contient le même nombre de protons.

★ À maîtriser

• Le noyau atomique contient des protons de charge positive et des neutrons de charge nulle, qui sont appelés nucléons.

• Le numéro atomique Z d’un élément correspond au nombre de protons présents dans le noyau de ses atomes.

Compléments

• Le tableau périodique classe les 118 éléments chimiques connus.

• Les isotopes carbone 12, carbone 13 et carbone 14 ont tous Z = 6 et des abondances respectives de 98,93 %, 1,07 % et des traces inférieures à 10⁻¹².

📖 2. Origine et abondance des éléments

📝 Points essentiels

• Les noyaux d’une centaine d’éléments chimiques stables résultent de réactions nucléaires dans les étoiles, à partir de l’hydrogène initial, ou lors d’une supernova, qui correspond à la fin de vie d’une étoile.

• L’hydrogène et l’hélium sont les éléments principalement présents dans l’Univers.

• La Terre est majoritairement constituée des éléments suivants :

  • oxygène
  • fer
  • silicium
  • magnésium

• Les êtres vivants sont majoritairement constitués des éléments suivants :

  • carbone
  • hydrogène
  • oxygène
  • azote

💡 Astuce mémo

CHON : carbone, hydrogène, oxygène, azote, les éléments majoritaires du vivant.

📖 3. Radioactivité et désintégration nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Désintégration : Transformation spontanée d’un noyau instable en un autre atome, avec émission simultanée de particules de matière et d’énergie.

★ À maîtriser

📌 Un noyau stable reste indéfiniment identique à lui-même, tandis qu’un noyau instable possède trop de protons, trop de neutrons ou un excès des deux.

Compléments

• Les particules émises peuvent être :

  • des électrons
  • des noyaux d’hélium
  • des neutrons

• Le carbone 14, de numéro atomique Z = 6, se désintègre en azote 14, de numéro atomique Z = 7, en émettant un électron ; dans le noyau, un neutron devient un proton, et le noyau fils est formé directement dans son état fondamental, sans émission de rayonnement gamma de désexcitation.

📖 4. Fusion et fission nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Fusion : Réaction nucléaire dans laquelle deux noyaux de petite taille s’unissent pour former un noyau plus gros.
• Fission : Réaction nucléaire dans laquelle une particule entre en collision avec un gros noyau, qui se casse en deux noyaux plus petits en éjectant une ou plusieurs particules.

📝 Points essentiels

• La fusion du deutérium ²₁H et du tritium ³₁H produit de l’hélium ⁴₂He et un neutron ¹₀n.

• La fission de l’uranium ²³⁵₉₂U par un neutron ¹₀n peut produire du strontium ⁹⁴₃₈Sr, du xénon ¹⁴⁰₅₄Xe et deux neutrons ¹₀n.

• La fusion et la fission peuvent être provoquées ou se produire naturellement dans les étoiles ; elles nécessitent de l’énergie pour se déclencher, puis en libèrent davantage.

💡 Astuce mémo

Fusion : petits noyaux réunis ; fission : gros noyau cassé.

📖 5. Types de désintégration radioactive

★ À maîtriser

• La désintégration alpha concerne les noyaux radioactifs comportant un grand nombre de nucléons, qui émettent un noyau plus léger et une particule alpha correspondant à un noyau d’hélium ⁴₂He.

• La désintégration bêta moins concerne les noyaux ayant un excès de neutrons par rapport aux protons et s’accompagne de l’émission d’un électron ⁰₋₁e.

• La désintégration bêta plus concerne les noyaux ayant un excès de protons par rapport aux neutrons et s’accompagne de l’émission d’un positon ⁰₁e.

• Un noyau fils dans un état excité peut émettre un photon de haute énergie appelé rayonnement gamma pour se désexciter.

Compléments

• Les photons de la lumière visible sont moins énergétiques que les photons gamma.

📖 6. Décroissance radioactive et demi-vie

🔑 Notions clés & Définitions

• Demi-vie : Durée au bout de laquelle la population de noyaux radioactifs d’un échantillon est divisée par deux.

★ À maîtriser

• La désintégration des noyaux radioactifs instables se produit au cours du temps sans qu’on puisse savoir quand chaque noyau se désintégrera.

• La population radioactive suit une loi mathématique de décroissance et le nombre N de noyaux diminue avec le temps t.

Compléments

• N₀ désigne le nombre de noyaux radioactifs à l’instant initial t₀ = 0.

• Après une, deux et trois demi-vies, la population passe respectivement de N₀ à N₀/2, N₀/4 et N₀/8.

💡 Astuce mémo

Après T, 2T puis 3T, la population passe de N₀ à N₀/2, N₀/4 puis N₀/8.

📖 7. Datation par désintégration radioactive

★ À maîtriser

• La demi-vie du carbone 14 est de 5550 ans.

• Le carbone 14 est présent à taux constant dans les êtres vivants ; après leur mort, l’arrêt des échanges de matière entraîne la diminution de son taux par désintégration, ce qui permet de dater approximativement leur mort par mesure de l’échantillon.

Compléments

• Si un échantillon de charbon contient 16 fois moins de carbone 14 qu’à sa formation et que la demi-vie vaut 5550 ans, quatre demi-vies se sont écoulées, soit un âge de 22 200 ans.

📐 Formule - Dans la désintégration de l’uranium 238 en plomb, la conservation du nombre de masse et du numéro atomique donne $238 = A + 6\times 0 + 8\times 4$ et $92 = Z + 6\times(-1) + 8\times 2$, donc $A = 206$ et $Z = 82$.

📖 8. Applications et chaînes nucléaires

★ À maîtriser

• Le polonium 210 émet des particules alpha ; ce rayonnement peu pénétrant ne franchit pas la peau, mais le polonium est dangereux par ingestion ou inhalation.

Compléments

• L’activité massique du polonium 210 est de 1,66·10¹⁴ Bq par gramme.

📌 La toxicité du polonium 210 est aiguë après absorption d’une grande quantité, tandis qu’une absorption régulière de faibles quantités entraîne une toxicité chronique associée à un risque de cancer.

• La chaîne de désintégration partant de l’uranium 238 se termine par le plomb 206 stable et comprend le polonium 210 comme étape intermédiaire.

• La dose létale de polonium 210 correspond à une activité de 10 MBq, et la commission d’enquête a estimé qu’Alexander Litvinenko avait avalé deux microgrammes de polonium 210.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des transformations nucléaires