Fiche de révision : Éléments chimiques et radioactivité

📋 Plan du Cours

1. Constituants et notation atomiques
2. Formation des éléments chimiques
3. Fusion, fission et synthèse stellaire
4. Abondance des éléments dans la matière
5. Radioactivité et demi-vie
6. Modes de désintégration radioactive

📖 1. Constituants et notation atomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Symbole atomique : Le symbole atomique ${}^{A}_{Z}X$ indique que X est le symbole de l’atome, A le nombre de nucléons, Z le nombre de protons et d’électrons dans un atome neutre, et A−Z le nombre de neutrons.

★ À maîtriser

• Les trois particules de l’atome sont :

  • les protons, chargés positivement
  • les neutrons, électriquement neutres
  • les électrons, chargés négativement

• Un atome électriquement neutre possède autant de protons que d’électrons, contrairement aux ions qui ne sont pas électriquement neutres.

Compléments

• La classification périodique rassemble les atomes représentatifs des éléments chimiques et les classe par numéro atomique croissant.

• Le rayon d’un atome est d’environ $10^{-10}\,\mathrm{m}$ et celui de son noyau d’environ $10^{-15}\,\mathrm{m}$.

• La constante d’Avogadro vaut environ $6{,}022\times10^{23}\,\mathrm{mol}^{-1}$, et correspond au nombre d’atomes contenus dans 12 g de carbone 12.

📖 2. Formation des éléments chimiques

★ À maîtriser

• Il y a 13,8 milliards d’années, le Big Bang a créé une soupe originelle de particules.

• 🔄 La formation des premiers éléments suit cette chronologie :

  1. Une microseconde après le Big Bang, les quarks et les électrons apparaissent.
  2. Vers 100 secondes, protons et neutrons s’associent pour former les futurs noyaux d’hydrogène
  3. Vers 380 000 ans, les électrons interagissent avec les noyaux pour former les premiers atomes neutres

Compléments

• Par interaction gravitationnelle, les premiers éléments chimiques et les nuages de poussières s’amassent et donnent naissance aux galaxies, dans lesquelles se forment ensuite les étoiles.

• Les étoiles forment par fusion des éléments plus lourds jusqu’au fer, notamment le carbone (Z = 6), l’oxygène (Z = 8) et le silicium (Z = 14), jusqu’au fer (Z = 26), à des températures de plusieurs millions de degrés.

💡 Astuce mémo

Big Bang → particules → noyaux → atomes → galaxies et étoiles

📖 3. Fusion, fission et synthèse stellaire

★ À maîtriser

• La fusion nucléaire assemble deux noyaux légers pour former un noyau plus lourd, comme dans la réaction ${}^{2}_{1}\mathrm{H}+{}^{3}_{1}\mathrm{H}\rightarrow{}^{4}_{2}\mathrm{He}+{}^{1}_{0}\mathrm{n}$.

• La fission nucléaire sépare, sous l’action d’un neutron, un noyau fissile en deux noyaux plus légers et quelques neutrons, comme dans ${}^{1}_{0}\mathrm{n}+{}^{235}_{92}\mathrm{U}\rightarrow{}^{94}_{38}\mathrm{Sr}+{}^{139}_{54}\mathrm{Xe}+3{}^{1}_{0}\mathrm{n}$.

📌 Dans toute transformation nucléaire, le nombre de masse A et le nombre de charge Z sont conservés.

Compléments

• Les transformations nucléaires libèrent d’énormes quantités d’énergie sous forme de rayonnements électromagnétiques.

• Les étoiles suffisamment massives finissent leur vie en supernova, où des températures de plusieurs milliards de degrés permettent la synthèse d’éléments plus lourds que le fer.

💡 Astuce mémo

Fusion : deux noyaux s’assemblent ; fission : un noyau se sépare.

📖 4. Abondance des éléments dans la matière

★ À maîtriser

• Dans l’Univers, l’hydrogène représente environ 75 % de la masse, l’hélium environ 23 à 24 %, et les autres éléments environ 1 à 2 %.

• Dans la Terre, le fer représente environ 32 % de la masse, l’oxygène 30 %, le silicium 15 % et les autres éléments 23 %.

• Dans le corps humain, l’oxygène représente environ 65 % de la masse, le carbone 18,5 %, l’hydrogène 9,5 %, l’azote 3,2 % et les autres éléments 3,8 %.

Compléments

• La présence sur Terre d’éléments plus lourds que le fer, comme le cobalt, le nickel et le zinc, indique que le système solaire est postérieur à une explosion de supernova.

• Les molécules organiques des êtres vivants sont essentiellement constituées d’hydrogène, de carbone, d’oxygène et d’azote, et des molécules organiques existent aussi sur d’autres corps du système solaire.

📖 5. Radioactivité et demi-vie

🔑 Notions clés & Définitions

• Désintégration radioactive : La désintégration radioactive est la transformation spontanée et inéluctable d’un noyau instable en un autre noyau plus stable, selon un phénomène aléatoire.
• Demi-vie radioactive : La demi-vie radioactive est la durée nécessaire pour que la moitié des noyaux présents initialement dans un échantillon macroscopique se désintègrent.

★ À maîtriser

• Les êtres vivants maintiennent un taux de carbone 14 constant de leur vivant ; après leur mort, le carbone 14 n’est plus renouvelé et son taux diminue, ce qui permet d’estimer l’âge d’un échantillon à partir du rapport ¹⁴C / ¹²C.

Compléments

• Pour un même élément chimique, certains isotopes sont stables et d’autres sont instables parce qu’ils ont trop de neutrons, trop de protons, ou les deux.

• La demi-vie est une propriété caractéristique du noyau radioactif considéré.

• Le carbone 14 a une demi-vie de 5 730 ans.

• 🔄 Pour lire une demi-vie sur un graphique :

  1. Repérer le nombre initial de noyaux à t = 0.
  2. Diviser ce nombre par deux.
  3. Projeter la valeur obtenue sur la courbe et lire la durée correspondante sur l’axe horizontal.

💡 Astuce mémo

Sans renouvellement du carbone 14 après la mort, sa proportion diminue.

📖 6. Modes de désintégration radioactive

★ À maîtriser

• La radioactivité α émet un noyau d’hélium ${}^{4}_{2}\mathrm{He}$ sans électrons, de charge 2+, et modifie le numéro atomique selon ${}^{A}_{Z}X\rightarrow{}^{A-4}_{Z-2}Y+{}^{4}_{2}\mathrm{He}$.

• La radioactivité β⁻ concerne les noyaux ayant trop de neutrons : un neutron se transforme en proton, ce qui augmente le numéro atomique de 1 et émet un électron selon ${}^{A}_{Z}X\rightarrow{}^{A}_{Z+1}Y+{}^{0}_{-1}e$.

• La radioactivité β⁺ concerne les noyaux ayant trop de protons : un proton se transforme en neutron, ce qui diminue le numéro atomique de 1 et émet un positon selon ${}^{A}_{Z}X\rightarrow{}^{A}_{Z-1}Y+{}^{0}_{+1}e$.

• La radioactivité γ émet un photon, rayonnement électromagnétique de très haute énergie, lorsqu’un noyau fils excité se désexcite sans changer d’élément chimique, selon ${}^{A}_{Z}Y^{*}\rightarrow{}^{A}_{Z}Y+\gamma$.

Compléments

• Une désintégration radioactive peut émettre des particules α ou β, tandis que le rayonnement γ correspond à de l’énergie émise sous forme de photons.

• Le carbone 14 se désintègre par radioactivité β⁻ en azote 14 selon ${}^{14}_{6}\mathrm{C}\rightarrow{}^{14}_{7}\mathrm{N}+{}^{0}_{-1}e$.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des désintégrations radioactives