Fiche de révision : Éléments et réactions nucléaires

📋 Plan du Cours

1. Éléments chimiques et isotopes
2. Abondance des éléments chimiques
3. Fission et fusion nucléaires
4. Radioactivité et désintégrations
5. Décroissance et datation radioactives
6. Applications médicales de la radioactivité
7. Radioprotection et écrans des rayonnements
8. Formation des éléments dans les étoiles
9. Supernova et éléments lourds
10. Fusion et fission nucléaires
11. Origine cosmique du lithium au bore

📖 1. Éléments chimiques et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotopes : Atomes d’un même élément qui possèdent le même numéro atomique Z et des nombres de neutrons différents.

★ À maîtriser

• Un noyau atomique est constitué de protons et de neutrons ; Z désigne le nombre de protons, N le nombre de neutrons et A le nombre de nucléons.

• Les 92 premiers éléments, jusqu’à l’uranium de numéro atomique 92, sont naturels ; les autres sont artificiels.

• À partir du polonium, de numéro atomique 84, aucun élément ne possède d’isotope à noyau stable.

Compléments

• Un isotope est représenté par le symbole $^{A}_{Z}X$, où A est le nombre de masse, Z le numéro atomique et X le symbole chimique de l’élément.

• Les éléments sont rangés dans le tableau de Mendeleïev par numéro atomique croissant.

• Jusqu’au bismuth, de numéro atomique 83, les éléments ont des isotopes stables, sauf trois exceptions : le technétium, le prométhium et le bismuth, et peuvent aussi avoir des isotopes instables.

• À partir du neptunium, les éléments sont tous artificiels et radioactifs.

📖 2. Abondance des éléments chimiques

★ À maîtriser

• Les éléments les plus abondants dans l’Univers sont l’hydrogène et l’hélium ; ils représentent respectivement 92 % et 7 % de la quantité de matière, les autres éléments représentant 1 %.

• Dans la croûte terrestre, les éléments représentent en masse :

  • oxygène 47 %
  • silicium 28 %
  • aluminium 8 %
  • fer 5 %
  • calcium 4 %
  • sodium 3 %
  • potassium 3 %
  • magnésium 2 %

• Dans le corps humain, les éléments représentent en masse :

  • oxygène 65 %
  • carbone 18 %
  • hydrogène 10 %
  • azote 3 %
  • calcium 2 %
  • phosphore 1 %
  • autres éléments 1 %

Compléments

• Les éléments les plus abondants en masse sont H et He dans l’Univers, O, H, Fe et Si dans la Terre, et H, O et C chez les êtres vivants.

📖 3. Fission et fusion nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Fission : Réaction nucléaire provoquée où un noyau lourd, frappé par un neutron, se scinde en deux noyaux plus légers en produisant 2 ou 3 neutrons.
• Fusion nucléaire : Consiste à faire fusionner deux noyaux légers pour former un noyau plus lourd, avec un fort dégagement d’énergie.

★ À maîtriser

• À masse engagée équivalente, la fusion dégage 10 fois plus d’énergie que la fission.

📌 Lors d’une réaction nucléaire, le nombre de masse A et le numéro atomique Z sont conservés.

Compléments

• Les noyaux lourds capables de subir une fission sont dits fissiles.

• L’uranium 235 est le seul atome naturel fissile et le combustible des centrales nucléaires conventionnelles.

• La fission est très énergétique et l’énergie des bombes atomiques provient de fissions en chaîne volontairement non contrôlées.

• La fusion est à l’origine de la lumière des étoiles, mais sa production contrôlée sur Terre est encore impossible car son amorçage exige des températures et des pressions considérables.

• Chaque seconde, une étoile comme le Soleil convertit environ 4 milliards de kg de matière en énergie de rayonnement.

• L’énergie des bombes à hydrogène provient de la fusion nucléaire.

💡 Astuce mémo

La fission fait éclater un noyau lourd ; la fusion assemble deux noyaux légers.

📖 4. Radioactivité et désintégrations

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité : Désintégration spontanée de noyaux instables, qui émettent une particule et se transforment en noyaux d’un autre élément.

★ À maîtriser

• Une désintégration radioactive peut émettre une particule α, qui est un noyau d’hélium $^{4}_{2}\mathrm{He}$, une particule β⁻ ou une particule β⁺.

• L’activité d’un échantillon, exprimée en becquerels (Bq), correspond au nombre de noyaux qui se désintègrent en une seconde.

Compléments

📌 Une équation de désintégration radioactive se complète en conservant le nombre de masse A et le numéro atomique Z.

• Chaque désintégration fait diminuer de 1 le nombre N de noyaux radioactifs présents dans l’échantillon.

• La demi-vie est une caractéristique propre à chaque noyau radioactif.

📖 5. Décroissance et datation radioactives

🔑 Notions clés & Définitions

• Demi-vie : Durée au bout de laquelle la population initiale de noyaux radioactifs est divisée par deux.

★ À maîtriser

📐 Formule - Au bout d’une demi-vie, $N(T_{1/2})=\frac{N_0}{2}$, où $N_0$ est le nombre initial de noyaux.

• Le carbone 14 permet de dater des objets âgés de quelques centaines d’années à 50 000 ans et possède une demi-vie de 5730 ans.

Compléments

• La courbe $N=f(t)$ représente le nombre de noyaux radioactifs en fonction du temps et est spécifique à chaque noyau radioactif.

• Après une, deux puis trois demi-vies, il reste respectivement $N_0/2$, $N_0/4$ puis $N_0/8$ noyaux.

• La demi-vie du bismuth 207 est de 32 ans.

💡 Astuce mémo

Après 1, 2 puis 3 demi-vies, il reste respectivement 1/2, 1/4 puis 1/8 de la population initiale.

📖 6. Applications médicales de la radioactivité

★ À maîtriser

• Les radiotraceurs sont utilisés en imagerie nucléaire, notamment pour des examens comme :

  • la radiographie
  • la scintigraphie
  • la TEP

• La radioactivité et la médecine nucléaire permettent de diagnostiquer une maladie, de suivre son évolution ou de la soigner, notamment dans le cas des tumeurs et des cancers.

Compléments

• L’iode 131 est utilisé en radiothérapie pour détruire des cellules cibles et pour détecter les cancers de la thyroïde.

📖 7. Radioprotection et écrans des rayonnements

★ À maîtriser

• La radioprotection vise à protéger les personnes de la radioactivité en diminuant leur exposition aux rayonnements, notamment en limitant la durée d’exposition et en portant des protections.

📌 Le principe ALARA consiste à maintenir l’exposition aux rayonnements aussi basse que raisonnablement possible.

Compléments

• Le rayonnement α traverse quelques centimètres d’air et est absorbé par quelques millimètres de papier.

• Le rayonnement β traverse quelques dizaines de centimètres d’air et est absorbé par quelques millimètres d’aluminium.

• Le rayonnement γ traverse plusieurs centaines de mètres d’air et est absorbé par quelques dizaines de centimètres de plomb ou quelques mètres de béton.

• La dose liée aux rayonnements s’exprime en sieverts, et l’unité couramment employée est le millisievert.

💡 Astuce mémo

α s’arrête au papier, β à l’aluminium, γ demande plomb ou béton

📖 8. Formation des éléments dans les étoiles

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléosynthèse : Processus de synthèse des éléments chimiques dans l’Univers.

★ À maîtriser

• Dans le Soleil, la fusion de quatre noyaux d’hydrogène produit de l’hélium et libère l’énergie qui fournit principalement chaleur et lumière.

• Dans les étoiles, des réactions de fusion forment des éléments de plus en plus lourds jusqu’au fer.

Compléments

• La formation de noyaux plus lourds que le fer par fusion nécessite un apport externe d’énergie, et la fusion stellaire s’arrête au fer.

• Les étoiles massives synthétisent des atomes au-delà du carbone et présentent des couches concentriques.

💡 Astuce mémo

Hydrogène → hélium → éléments plus lourds jusqu’au fer

📖 9. Supernova et éléments lourds

★ À maîtriser

• 🔄 La fin de vie d’une étoile massive suit ces étapes :

  1. Le cœur constitué de fer cesse de produire de l’énergie.
  2. L’étoile s’effondre sous l’effet de la gravité.
  3. Une onde de choc expulse les couches externes lors d’une explosion de supernova.

• Les réactions de la nucléosynthèse explosive comprennent :

  • la fusion
  • la fission
  • la capture nucléaire
  • la désintégration

Compléments

• Le fer est présenté comme l’élément le plus stable du point de vue des réactions nucléaires.

• Des noyaux plus lourds que le fer apparaissent lors de l’explosion finale de très grosses étoiles, notamment :

  • l’or
  • l’argent
  • le plomb
  • l’uranium

💡 Astuce mémo

Cœur de fer sans production d’énergie → effondrement → supernova et nucléosynthèse explosive

📖 10. Fusion et fission nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Fusion nucléaire : Réaction où deux noyaux légers s’unissent, sous de fortes températures et pressions, pour former un noyau plus lourd, avec un fort dégagement d’énergie.
• Fission nucléaire : Réaction provoquée dans laquelle un noyau lourd, frappé par un neutron de faible énergie, se scinde généralement en deux noyaux plus légers et produit deux ou trois neutrons.

📝 Points essentiels

• Les neutrons produits par une fission peuvent à leur tour provoquer de nouvelles fissions.

💡 Astuce mémo

Fusion : deux noyaux légers s’unissent ; fission : un noyau lourd se scinde

📖 11. Origine cosmique du lithium au bore

📝 Points essentiels

• Des rayons cosmiques, essentiellement des protons de haute et d’ultra-haute énergie, brisent des noyaux de carbone, d’azote et d’oxygène en nucléides plus petits, produisant du lithium, du béryllium et du bore.

📊 Tableaux de synthèse

Écrans des rayonnements