Fiche de révision : Éléments chimiques et radioactivité

📋 Plan du Cours

1. Formation des éléments dans les étoiles
2. Noyau atomique et isotopes
3. Radioactivité et désintégration nucléaire
4. Décroissance radioactive et demi-vie
5. Désintégration alpha
6. Datation au carbone 14
7. Réaction triple alpha
8. Fusion et fission nucléaires
9. Origine du carbone 14

📖 1. Formation des éléments dans les étoiles

★ À maîtriser

• Il y a 13,8 milliards d’années, juste après le Big Bang, l’Univers était principalement constitué de noyaux d’hydrogène, élément de numéro atomique Z = 1 constitué d’un seul proton.

• Dans les étoiles, la fusion de noyaux légers forme des noyaux plus lourds et libère de l’énergie.

• Les fusions successives au cours de la vie des étoiles produisent d’abord du fer, présenté comme l’élément le plus stable de la classification périodique, puis des éléments plus lourds dans la phase finale de l’étoile.

• Les compositions prédominantes sont les suivantes :

  • Dans l’Univers : hydrogène et hélium.
  • Sur Terre : oxygène, fer, silicium et magnésium.
  • Chez les êtres vivants : carbone, hydrogène, oxygène et azote (CHON).

Compléments

• Une réaction de fusion donnée est $^{2}_{1}\mathrm{H}+{}^{1}_{1}\mathrm{H}\rightarrow{}^{3}_{2}\mathrm{He}$.

• Lors d’une fission nucléaire, un noyau lourd se scinde en deux noyaux plus légers sous l’impact d’un neutron.

• La fission de l’uranium 235 est représentée par $^{235}_{92}\mathrm{U}+{}^{1}_{0}\mathrm{n}\rightarrow{}^{94}_{38}\mathrm{Sr}+{}^{140}_{54}\mathrm{Xe}+2{}^{1}_{0}\mathrm{n}$.

💡 Astuce mémo

Hydrogène → hélium → fer → éléments plus lourds

📖 2. Noyau atomique et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotope : Versions d’un même élément chimique ayant le même nombre de protons, mais des nombres de neutrons différents.
• Nucléon : Particule du noyau atomique : il s’agit d’un proton ou d’un neutron.

★ À maîtriser

• Dans la notation symbolique $^{A}_{Z}X$, A désigne le nombre de nucléons, Z le numéro atomique et le nombre de protons, et X l’élément chimique.

Compléments

• La cohésion du noyau atomique, malgré la répulsion électrique entre protons positifs, est maintenue par l’interaction forte.

📐 Formule - Le nombre de neutrons est égal au nombre de nucléons moins le nombre de protons : $n=A-p$.

• Le noyau $^{63}_{29}\mathrm{Cu}$ contient 29 protons et 34 neutrons.

📖 3. Radioactivité et désintégration nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité : Transformation spontanée d’un noyau instable, appelé noyau père, en un noyau stable ou instable, appelé noyau fils, avec émission de particules et/ou de rayonnement électromagnétique.

★ À maîtriser

• La radioactivité est aléatoire, spontanée et inéluctable ; la désintégration est indépendante de paramètres extérieurs tels que la pression ou la température.

📌 Dans une réaction nucléaire, la somme des nombres de masse et la somme des numéros atomiques sont conservées entre les réactifs et les produits.

Compléments

• Un excès de protons par rapport aux neutrons, ou un excès de neutrons par rapport aux protons, rend certains noyaux instables.

• La radioactivité est un phénomène naturel qui se produit sans stimulation extérieure.

• La démarche scientifique suit ces étapes :

  • Observation
  • Hypothèse
  • Expérience
  • Conclusion
  • Communication

• Dans la désintégration $^{210}_{84}\mathrm{Po}\rightarrow{}^{206}_{82}\mathrm{Pb}+{}^{4}_{2}\mathrm{He}$, les nombres de masse vérifient 210 = 206 + 4 et les numéros atomiques vérifient 84 = 82 + 2.

📖 4. Décroissance radioactive et demi-vie

🔑 Notions clés & Définitions

• Demi-vie : Temps au bout duquel la moitié des noyaux radioactifs initialement présents a disparu par transformation spontanée.

★ À maîtriser

📐 Formule - Si $N_0$ noyaux sont présents à l’instant initial, il en reste $\frac{N_0}{2}$ après une demi-vie, $\frac{N_0}{4}$ après deux demi-vies et $\frac{N_0}{8}$ après trois demi-vies.

Compléments

• Chaque nucléide possède une demi-vie propre, dont la durée peut varier de quelques nanosecondes à plusieurs milliards d’années.

• La demi-vie du polonium 212 est de $3\times10^{-7}\ \mathrm{s}$ et celle de l’uranium 235 est de 704 000 000 ans.

• L’activité d’un échantillon radioactif diminue avec le temps à mesure que les noyaux instables qu’il contient disparaissent.

💡 Astuce mémo

À chaque période, la moitié des noyaux restants disparaît

📖 5. Désintégration alpha

📝 Points essentiels

• Lors d’une désintégration α, la particule émise est un noyau d’hélium.

📖 6. Datation au carbone 14

★ À maîtriser

• La courbe de décroissance du rapport ¹⁴C/¹²C permet de déterminer l’âge carbone 14 d’un échantillon.

Compléments

• La datation au carbone 14 de l’œuvre Notre-Dame-de-grâce porte sur un prélèvement de 6 mg du cadre en bois, dont le rapport ¹⁴C/¹²C mesuré est de 9,06 × 10⁻¹³.

• La datation au carbone 14 ne permet pas de dater des objets âgés de plus de 50 000 ans.

💡 Astuce mémo

Mort de l’organisme → le carbone 14 n’est plus renouvelé et décroît.

📖 7. Réaction triple alpha

★ À maîtriser

• La réaction triple alpha forme des noyaux de carbone 12 dans les étoiles vers la fin de leur vie.

• La réaction triple alpha se déroule en deux étapes : deux noyaux d’hélium 4 forment du béryllium 8 sans émission de rayon gamma, puis le béryllium 8 réagit avec un noyau d’hélium 4 pour former du carbone 12 avec émission d’un rayon gamma.

Compléments

• La réaction triple alpha se produit lorsque la température atteint environ 100 MK, permettant au béryllium 8 de rencontrer un noyau d’hélium et de former du carbone 12 stable.

• Les numéros atomiques indiqués sont Z = 2 pour l’hélium, Z = 4 pour le béryllium et Z = 6 pour le carbone.

💡 Astuce mémo

Deux noyaux d’hélium 4 → béryllium 8 → carbone 12.

📖 8. Fusion et fission nucléaires

★ À maîtriser

📌 La fusion nucléaire assemble des noyaux atomiques, tandis que la fission nucléaire correspond à leur division.

Compléments

• Dans le tableau de l’exercice, la fusion nucléaire est décrite comme provoquée et la fission nucléaire comme spontanée.

💡 Astuce mémo

Fusion : des noyaux s’assemblent ; fission : un noyau se divise.

📖 9. Origine du carbone 14

★ À maîtriser

• 🔄 La formation du carbone 14 atmosphérique suit cette chaîne :

  1. Les rayons cosmiques provoquent des réactions nucléaires dans l’atmosphère.
  2. Ces réactions libèrent des neutrons.
  3. Les neutrons réagissent avec l’azote et produisent du carbone 14 radioactif.

• Chez les êtres vivants, le carbone 14 est renouvelé en permanence jusqu’à leur mort malgré sa désintégration.

• La demi-vie du carbone 14 est de 5 730 ans.

Compléments

• Le carbone 14 réagit avec le dioxygène de l’air pour former du dioxyde de carbone ¹⁴CO₂, qui est absorbé par les êtres vivants.

• Après la mort d’un organisme, le rapport ¹⁴C/¹²C de son échantillon sert à déterminer son âge carbone 14, qui doit être corrigé à l’aide d’une courbe de calibration pour établir l’âge réel.

• Le rapport initial varie notamment avec :

  • l’activité solaire
  • le champ magnétique terrestre
  • les essais nucléaires

💡 Astuce mémo

Rayons cosmiques → neutrons → azote → carbone 14 → êtres vivants.