Fiche de révision : Éléments chimiques et radioactivité

📋 Plan du Cours

1. Abondance des éléments chimiques
2. Formation des éléments dans les étoiles
3. Analyse spectrale du Soleil
4. Radioactivité et demi-vie
5. Datation au carbone 14
6. Rayonnements radioactifs
7. Radioactivité naturelle et artificielle
8. Écriture des noyaux et désintégrations
9. Nucléosynthèse et abondance des éléments
10. Datation par le carbone 14
11. Isotopes et désintégration de l’uranium
12. Applications de la radioactivité et fusion

📖 1. Abondance des éléments chimiques

★ À maîtriser

• La matière de l’Univers est principalement constituée d’hydrogène et d’hélium, les deux éléments les plus légers.

• La Terre est surtout constituée de fer, d’oxygène, de silicium et de magnésium.

• Les êtres vivants sont principalement constitués d’hydrogène, d’oxygène, de carbone et d’azote.

Compléments

• Dans le corps humain, les proportions indiquées sont de 61,1 % d’hydrogène, 24,1 % d’oxygène, 12,5 % de carbone, 1,4 % d’azote et 0,9 % d’autres éléments.

💡 Astuce mémo

Hydrogène-hélium dans l’Univers, oxygène-silicium dans la croûte terrestre

📖 2. Formation des éléments dans les étoiles

🔑 Notions clés & Définitions

• Fusion : Réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux légers s’unissent pour former un noyau plus lourd.
• Fission : Réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau lourd est scindé en deux noyaux plus légers sous l’impact d’un neutron.

★ À maîtriser

• Les premiers éléments formés après le Big Bang sont l’hydrogène et l’hélium, issus de noyaux légers assemblés quelques minutes après le début de l’expansion de l’Univers.

• Dans les étoiles, des réactions de fusion construisent des noyaux plus lourds à partir de noyaux plus légers, en commençant par l’hydrogène.

• À la fin de leur vie, certaines étoiles massives explosent en supernova, favorisant la formation d’éléments lourds qui sont ensuite dispersés dans l’Univers.

Compléments

• Les étoiles se forment lorsque la gravitation rassemble les premiers atomes, plus de cent millions d’années après le Big Bang.

• Les étoiles sont composées à 99 % d’hydrogène et d’hélium.

📌 Dans une réaction nucléaire, le nombre de nucléons et le nombre de protons sont conservés.

• La fusion libère environ 2 × 10¹¹ J par gramme d’hydrogène fusionné, la fission environ 8 × 10⁷ J par gramme d’uranium 235 fissionné et la combustion du pétrole environ 4 × 10⁴ J par gramme brûlé.

• Quatre noyaux d’hydrogène ¹₁H peuvent s’unir pour former un noyau d’hélium ⁴₂He, puis deux noyaux d’hélium peuvent former un noyau de béryllium ⁸₄Be.

• La réaction ¹²₆C + ⁴₂He → ¹⁶₈O forme un noyau d’oxygène à partir d’un noyau de carbone et d’un noyau d’hélium.

• Les éléments plus lourds que le fer peuvent être synthétisés lors de l’explosion en supernova d’étoiles suffisamment massives.

• Hans Albrecht Bethe explique le premier, en 1938, les réactions de fusion nucléaire dans les étoiles et leur production d’énergie.

💡 Astuce mémo

Hydrogène → hélium → béryllium → éléments plus lourds

📖 3. Analyse spectrale du Soleil

★ À maîtriser

• En 1860, Robert Wilhelm Bunsen et Gustav Robert Kirchhoff découvrent que les raies spectrales sont caractéristiques d’un élément chimique.

• En comparant les raies de Fraunhofer aux spectres d’éléments présents sur Terre, Bunsen et Kirchhoff établissent que ces éléments sont aussi présents dans le Soleil.

Compléments

• Joseph von Fraunhofer dénombre plus de 570 raies noires dans le spectre de la lumière visible du Soleil, appelées raies de Fraunhofer.

• En 1924, Cecilia Payne montre que l’hydrogène et l’hélium sont beaucoup plus abondants dans les étoiles que les éléments lourds.

📖 4. Radioactivité et demi-vie

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité : Désintégration spontanée d’un noyau instable, appelé noyau père, en un noyau fils, avec émission d’un rayonnement.
• Demi-vie : Durée nécessaire pour que la moitié des noyaux initialement présents dans un échantillon macroscopique radioactif se soit désintégrée.

★ À maîtriser

• L’instant de désintégration d’un noyau radioactif individuel est aléatoire et imprévisible.

• La demi-vie est caractéristique du type de noyau radioactif et peut varier d’une fraction de seconde à des milliards d’années.

📐 Formule - Après n demi-vies, le nombre de noyaux radioactifs restants est $N = \frac{N_0}{2^n}$.

Compléments

• Parmi les 2800 noyaux connus, seuls 256 sont stables.

• L’activité radioactive est le nombre de noyaux qui se désintègrent par seconde et s’exprime en becquerels (Bq).

• La demi-vie du carbone 14 est de 5730 années.

• La demi-vie de l’uranium 238 est de 4,5 × 10⁹ années, tandis que celle du polonium 214 est de 164 microsecondes.

• La demi-vie de l’iode 131 est de 8,1 jours, celle du phosphore 32 de 14,3 jours, celle de l’iridium 192 de 74 jours, celle du cobalt 60 de 5,25 années et celle du césium 137 de 30 années.

• La radioactivité est utilisée dans les centrales thermiques, en médecine curative, en imagerie médicale et en archéologie, et ces utilisations nécessitent des précautions de protection contre les rayonnements.

💡 Astuce mémo

Mort de l’organisme → renouvellement du carbone 14 interrompu → quantité décroissante

📖 5. Datation au carbone 14

🔑 Notions clés & Définitions

• Datation au carbone 14 : Estimation du temps écoulé depuis la mort d’un organisme par mesure de la quantité de carbone 14 restante dans un échantillon.

★ À maîtriser

• Le carbone 14 est un isotope du carbone qui se désintègre en azote 14 stable.

• Les êtres vivants absorbent du carbone 14, incorporé par les plantes lors de la photosynthèse puis transféré par les chaînes alimentaires; à leur mort, son renouvellement cesse et sa quantité diminue par désintégration.

• Depuis les années 1980, la datation au carbone 14 peut être effectuée sur 1 mg de matière pour des âges compris entre 300 et 50 000 ans.

Compléments

• La datation au carbone 14 s’applique à des vestiges organiques humains, animaux ou végétaux, ainsi qu’à des objets fabriqués à partir de matériaux organiques.

• Willard F. Libby développe la datation au carbone 14, date la grotte de Lascaux en 1951 et reçoit le prix Nobel de chimie en 1960.

• Les premières datations au carbone 14 nécessitaient plusieurs grammes de matière et permettaient d’estimer des âges compris entre 1000 et 30 000 ans.

• Au-delà de 50 000 ans, la quantité de carbone 14 restante est trop faible pour être mesurée.

• Les premières datations détectaient le rayonnement émis lors des désintégrations, tandis que les méthodes actuelles comptent directement les atomes de carbone 14 avec un spectromètre de masse.

📖 6. Rayonnements radioactifs

★ À maîtriser

• Un rayonnement alpha correspond à l’émission d’un noyau d’hélium ⁴₂He.

• Un rayonnement bêta plus correspond à l’émission d’un positon ⁰₊₁e.

• Un rayonnement bêta moins correspond à l’émission d’un électron ⁰₋₁e.

Compléments

• Les rayonnements radioactifs sont émis lors de la désintégration de noyaux instables qui évoluent vers plus de stabilité.

• Un rayonnement gamma correspond à l’émission d’un photon associé au rayonnement γ.

📖 7. Radioactivité naturelle et artificielle

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité naturelle : Émission d’un rayonnement intense par des noyaux existant dans la nature.
• Radioactivité artificielle : Émission d’un rayonnement intense par des noyaux créés en laboratoire et qui n’existent pas dans la nature.

📝 Points essentiels

• Les éléments radioactifs naturels cités sont l’uranium, le polonium et le radium, tandis que le phosphore relève de la radioactivité artificielle.

💡 Astuce mémo

Naturelle : noyaux trouvés dans la nature ; artificielle : noyaux créés en laboratoire.

📖 8. Écriture des noyaux et désintégrations

★ À maîtriser

• Dans l’écriture conventionnelle d’un noyau, le nombre de masse A indique le nombre de nucléons et le numéro atomique Z indique le nombre de protons.

• Le noyau d’uranium 238, noté ²³⁸₉₂U, contient 238 nucléons, dont 92 protons et 146 neutrons.

Compléments

• La désintégration de ³⁰₁₅P en ³⁰₁₄Si émet un positon ⁰₊₁e et correspond à un rayonnement β⁺.

• La désintégration de ²³⁸₉₂U en ²³⁴₉₀Th émet un noyau d’hélium ⁴₂He et correspond à un rayonnement α.

• La désintégration de ²³⁴₉₀Th en ²³⁴₉₁Pa émet un électron ⁰₋₁e et correspond à un rayonnement β⁻.

📖 9. Nucléosynthèse et abondance des éléments

★ À maîtriser

• Les étoiles massives synthétisent pendant leur vie les éléments chimiques du carbone jusqu’au fer.

• La Terre et les êtres vivants contiennent des éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium, synthétisés avant la formation de la Terre lors de phases de nucléosynthèse stellaire et explosive.

Compléments

• Les éléments synthétisés par des étoiles primitives massives qui ont explosé en supernova ont contribué à la composition de la Terre et des êtres vivants.

• Dans le tableau d’abondance en masse du corps humain, les abondances égales ou supérieures à 0,001 % concernent H (10 %), C (18 %), N (3 %), O (65 %), F (0,0037 %), Na (0,15 %), Mg (0,05 %), P (1 %), S (0,25 %), Cl (0,15 %), K (0,2 %), Ca (1,5 %), Fe (0,006 %) et Zn (0,0032 %).

💡 Astuce mémo

Les étoiles synthétisent des éléments, puis les dispersent : la matière enrichie forme planètes et êtres vivants.

📖 10. Datation par le carbone 14

★ À maîtriser

• Après la mort d’un être vivant, son rapport ¹⁴C/¹²C diminue.

Compléments

• La datation au carbone 14 convient à des échantillons datant de l’Antiquité, mais pas à des échantillons vieux de quelques jours ni à ceux issus des premiers instants de la Terre.

• La datation au carbone 14 repose sur l’assimilation du ¹⁴C par les êtres vivants, la diminution du rapport ¹⁴C/¹²C après leur mort, puis la détermination de l’âge à partir de ce rapport et d’une courbe d’étalonnage.

📖 11. Isotopes et désintégration de l’uranium

🔑 Notions clés & Définitions

• Uranium 235 fissile : Isotope pouvant participer à des réactions de fission qui produisent de l’énergie, notamment dans les centrales nucléaires.

★ À maîtriser

• L’uranium naturel est essentiellement constitué de ²³⁸U à 99,3 % et de ²³⁵U à 0,7 %.

• L’uranium 235 est le seul isotope fissile qui soit un noyau primordial présent depuis la formation de la Terre, en raison de sa demi-vie très longue d’environ 700 millions d’années.

• Pour l’uranium 235, après chaque demi-vie de 700 millions d’années, le nombre de noyaux restants est divisé par deux ; en remontant le temps d’une demi-vie, il est multiplié par deux.

Compléments

• La pechblende est le principal minerai naturel d’uranium et contient du dioxyde d’uranium UO₂.

• Un kilogramme de pechblende correspond, dans le calcul fourni pour le dioxyde d’uranium, à 3,70 mol d’UO₂ et à 2,23×10²⁴ noyaux d’uranium.

• Dans le kilogramme de pechblende calculé, on compte 2,21×10²⁴ noyaux d’uranium 238 et 1,56×10²² noyaux d’uranium 235.

• Il y avait approximativement 1,35×10²⁴ noyaux d’uranium 235 dans le morceau de roche il y a 4,5 milliards d’années, lors de la formation de la Terre.

💡 Astuce mémo

Demi-vie écoulée → noyaux restants divisés par deux ; remonter le temps → les multiplier par deux.

📖 12. Applications de la radioactivité et fusion

★ À maîtriser

• Pour contrôler la fusion, il faut vaincre la répulsion entre noyaux chargés positivement en portant le système à plusieurs dizaines, voire centaines de millions de degrés Celsius.

Compléments

📌 La radiothérapie externe dirige les rayons vers la tumeur en traversant la peau, tandis que la curiethérapie place des sources radioactives, notamment d’iridium ou de césium, au contact de la tumeur à l’intérieur du corps.

• Le système de fusion peut être confiné par un champ magnétique ou par des lasers très puissants, car aucun matériau ne résiste aux températures nécessaires.