Fiche de révision : Éléments chimiques et radioactivité

📋 Plan du Cours

1. Abondance des éléments chimiques
2. Réactions nucléaires dans les étoiles
3. Radioactivité et demi-vie
4. Réactions nucléaires et nucléosynthèse
5. Abondance et origine des éléments
6. Radioactivité et applications
7. Datation par le carbone 14
8. Demi-vie et datation radioactive
9. Activité du carbone 14
10. Énergie libérée par la fission
11. Désintégration de l’uranium et radon

📖 1. Abondance des éléments chimiques

★ À maîtriser

• Les scientifiques recensent 118 éléments chimiques différents dans l’Univers, dont 94 naturels et 24 créés artificiellement.

• L’hydrogène représente près des trois quarts, soit environ 75 %, de la masse des atomes présents dans l’Univers, et l’hélium en représente environ un quart, soit 25 %.

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

• Les êtres vivants sont principalement constitués de molécules organiques faites de carbone et d’hydrogène, et contiennent également de l’oxygène et de l’azote.

• Les éléments présentés comme indispensables à la vie sont :

  • carbone
  • hydrogène
  • oxygène
  • azote

Compléments

• L’Univers s’est constitué il y a 13,8 milliards d’années, juste après le Big Bang, à partir d’un petit nombre de particules élémentaires organisées en unités de plus en plus complexes.

• La Terre comprend des éléments plus massifs que le fer, ce qui indique que le système solaire est postérieur à une explosion de supernova.

• L’Univers compte 118 éléments chimiques recensés, dont 94 présents à l’état naturel et 24 créés artificiellement.

• Dans la Terre, les proportions en nombre d’atomes sont de 49 % d’oxygène, 17 % de magnésium, 14 % de fer, 14 % de silicium et 3,7 % de soufre.

• En masse, la Terre contient 35 % de fer, 30 % d’oxygène, 13 % de magnésium, 15 % de silicium et 2,4 % de nickel.

• Dans le corps humain, les proportions en nombre d’atomes sont de 61 % d’hydrogène, 24 % d’oxygène, 13 % de carbone et 1,5 % d’azote.

• Dans les êtres vivants, les proportions en masse sont de 10 % d’hydrogène, 65 % d’oxygène, 18 % de carbone et 3 % d’azote.

💡 Astuce mémo

Hydrogène et hélium dominent l’Univers, tandis que l’oxygène et le silicium dominent la croûte terrestre.

📖 2. Réactions nucléaires dans les étoiles

🔑 Notions clés & Définitions

• Fusion nucléaire : Réaction au cours de laquelle deux noyaux légers s’unissent pour former un noyau plus lourd, en libérant une grande quantité d’énergie notamment sous forme de rayonnement lumineux.
• Fission nucléaire : Réaction au cours de laquelle un noyau lourd, sous l’impact d’un neutron, se divise généralement en deux noyaux plus légers et libère de l’énergie.

★ À maîtriser

• L’hydrogène est le carburant majeur des étoiles et sa transformation nucléaire en hélium constitue la première étape de la nucléosynthèse.

📌 Dans les réactions de fusion et de fission, le nombre de nucléons A et le numéro atomique Z sont conservés.

Compléments

• Des fusions successives dans les étoiles conduisent d’abord à la formation du fer, puis les étoiles les plus massives peuvent former des éléments plus lourds que le fer lors de leur phase ultime.

• La fission est utilisée dans les centrales électriques thermiques nucléaires.

• La fusion libère environ $2 \times 10^{11}$ J par gramme d’hydrogène fusionné, la fission environ $8 \times 10^{10}$ J par gramme d’uranium 235 fissionné, et la combustion du pétrole environ $4 \times 10^{4}$ J par gramme brûlé.

💡 Astuce mémo

Fusion : des noyaux légers s’unissent ; fission : un noyau lourd se brise.

📖 3. Radioactivité et demi-vie

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité : Désintégration spontanée d’un noyau instable, appelé noyau père, en un noyau fils qui peut être stable ou radioactif, avec émission d’une particule α ou β et éventuellement d’un rayonnement γ.
• Demi-vie : La demi-vie d’un échantillon macroscopique radioactif est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initialement présents se sont désintégrés ; elle est caractéristique du noyau radioactif.
• Demi-vie : Durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initialement présents dans un échantillon macroscopique s’est désintégrée.

★ À maîtriser

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

• Les demi-vies indiquées sont de 8,1 jours pour l’iode 131, 14,3 jours pour le phosphore 32, 74 jours pour l’iridium 192, 5,25 années pour le cobalt 60, 30 années pour le césium 137, 5 730 années pour le carbone 14 et $4{,}5 \times 10^{9}$ années pour l’uranium 238.

• La détermination du nombre de noyaux de carbone 14 présents dans un échantillon de matière organique permet d’en déterminer l’âge par datation au carbone 14.

Compléments

• Parmi les 2 800 noyaux connus, seuls 256 sont stables.

• L’activité radioactive, exprimée en becquerels (Bq), correspond au nombre de noyaux qui se désintègrent par seconde et décroît au cours du temps.

• La demi-vie de l’oxygène 15 est de $1{,}2 \times 10^{2}$ secondes.

• La radioactivité est utilisée :

  • dans les centrales thermiques
  • en médecine curative
  • en imagerie médicale
  • en archéologie

📌 L’utilisation de substances radioactives nécessite des précautions pour se protéger des rayonnements.

• La demi-vie est caractéristique du noyau radioactif, et l’activité radioactive d’un échantillon, mesurée en becquerels (Bq), est divisée par deux au bout d’une demi-vie.

💡 Astuce mémo

Désintégrations spontanées → diminution statistique des noyaux radioactifs.

📖 4. Réactions nucléaires et nucléosynthèse

★ À maîtriser

• La fusion de l’hydrogène en hélium constitue la première étape de la nucléosynthèse stellaire et libère une grande quantité d’énergie, notamment sous forme de rayonnement lumineux.

• Des fusions successives dans les étoiles produisent des noyaux jusqu’au fer, puis les étoiles les plus massives peuvent former des éléments plus lourds que le fer lors d’une supernova.

Compléments

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

💡 Astuce mémo

Hydrogène → fusions stellaires → fer → éléments plus lourds

📖 5. Abondance et origine des éléments

★ À maîtriser

• Les éléments les plus abondants dans l’Univers sont l’hydrogène et l’hélium, tandis que ceux les plus abondants sur Terre sont le fer, l’oxygène, le silicium et le magnésium.

• Chez les êtres vivants, les éléments les plus abondants sont :

  • l’hydrogène
  • l’oxygène
  • le carbone
  • l’azote

• Dans les étoiles, des réactions de fusion nucléaire forment, à partir de l’hydrogène initial, les noyaux des éléments plus lourds.

Compléments

• Certaines étoiles en fin de vie explosent en supernova et dispersent dans l’Univers les éléments chimiques qu’elles ont formés.

• Cécilia Payne a découvert que les étoiles étaient essentiellement composées d’hydrogène et d’hélium, mais Henry Russell l’a convaincue de présenter ses conclusions comme incertaines dans sa thèse publiée, avant de reconnaître son erreur.

💡 Astuce mémo

Fusion dans les étoiles → éléments plus lourds, puis dispersion par les supernovas

📖 6. Radioactivité et applications

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité : Désintégration spontanée et irréversible de noyaux instables, accompagnée de l’émission de rayonnements alpha, bêta ou gamma, jusqu’à la formation de noyaux stables.

★ À maîtriser

• Henri Becquerel a découvert la radioactivité en constatant qu’une plaque photographique restée avec un sel d’uranium dans un tiroir, à l’abri de la lumière, était impressionnée.

• La radioactivité est utilisée en radiothérapie pour éliminer des cellules cancéreuses.

Compléments

• Pour tester l’impression de plaques photographiques par des sels d’uranium, Becquerel les a placées avec l’échantillon sous papier noir, puis a comparé les résultats après exposition au Soleil et après conservation à l’abri de la lumière.

• Les applications de la radioactivité comprennent : la radiobiologie et l’imagerie médicale, la stérilisation des aliments, la production d’électricité, l’armement, le suivi des masses d’air ou d’eau par des traceurs, la datation en archéologie et en géologie

• Les risques de la radioactivité comprennent :

  • la stérilité
  • les mutations génétiques
  • les cancers

📖 7. Datation par le carbone 14

★ À maîtriser

• Après la mort d’un organisme, le carbone 14 se désintègre en azote 14 et la quantité de carbone 14 présente dans l’organisme décroît au cours du temps.

• Après une demi-vie, il reste la moitié des noyaux radioactifs initiaux ; après deux demi-vies, il en reste un quart, et après trois demi-vies, un huitième.

Compléments

• Pour le carbone 14, une lecture graphique donne une demi-vie d’environ 5 500 ans.

• Avec 5×10^10 noyaux initiaux de carbone 14, il en reste 3,125×10^9 après quatre demi-vies.

• Dans un exemple de datation, une quantité de carbone 14 égale à 40 % de la quantité initiale correspond à une durée de 7 500 ans.

📖 8. Demi-vie et datation radioactive

★ À maîtriser

• La datation au carbone 14 devient difficile au-delà d’environ 50 000 ans, car presque tous les noyaux initiaux se sont alors désintégrés.

Compléments

• La demi-vie estimée graphiquement de la courbe a est de 23 500 ans, ce qui correspond au plutonium 239 dont la demi-vie tabulée est de 24 000 ans.

• La demi-vie estimée graphiquement de la courbe b est de 2 000 ans, ce qui correspond au radium 226 dont la demi-vie tabulée est de 1 600 ans.

• La limite de datation au carbone 14 correspond à environ 8 demi-vies, estimées graphiquement à 6 000 ans chacune.

📖 9. Activité du carbone 14

★ À maîtriser

• À t = 0, l’activité du carbone 14 est d’environ 0,23 Bq par gramme, à partir de 13,5 désintégrations par minute et par gramme.

Compléments

📐 Formule - L’activité radioactive vérifie $A = \frac{N_{\text{désintégrations}}}{\Delta t}$.

• À 10 000 ans, l’activité du carbone 14 est de 0,066 Bq par gramme, soit 0,0033 Bq pour 50 mg.

• Une activité de 0,034 Bq correspond à 2,04 désintégrations par minute et par gramme de carbone 14 et à un âge estimé de 16 500 ans pour le bois du renne.

📖 10. Énergie libérée par la fission

★ À maîtriser

• La fission de 2,56 × 10²¹ atomes d’uranium libère environ 7,58 × 10¹⁰ J.

• La fission de 1 g d’uranium libère environ 1 800 fois plus d’énergie thermique que la combustion de 1 kg de pétrole.

Compléments

• Un gramme d’uranium contient environ 0,0042 mol d’atomes d’uranium.

• Un gramme d’uranium contient environ 2,56 × 10²¹ atomes.

📖 11. Désintégration de l’uranium et radon

★ À maîtriser

• Un kilogramme de pechblende contient environ 2,23 × 10²⁴ noyaux d’uranium, dont 99,3 % d’uranium 238 et 0,7 % d’uranium 235.

• La demi-vie de l’uranium 235 est de 700 millions d’années, soit 0,7 milliard d’années.

• Pour remonter à la population ancienne de noyaux d’uranium 235, on double le nombre de noyaux à chaque intervalle de demi-vie de 700 millions d’années.

Compléments

• La masse molaire du dioxyde d’uranium UO₂ est de 270 g·mol⁻¹.

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

• La désintégration de l’uranium 235 a produit environ 1,33 × 10²⁴ noyaux de radon dans le morceau de roche.

• La quantité de radon produite est estimée à 2,21 mol, soit un volume de 53,0 L.

📊 Tableaux de synthèse

Éléments dominants selon le milieu

Fusion et fission nucléaires