Fiche de révision : Noyau atomique et nucléosynthèse

📋 Plan du Cours

1. Composition et notation du noyau
2. Isotopes et abondance isotopique
3. Nucléosynthèse primordiale
4. Nucléosynthèse stellaire
5. Radioactivité, fusion et fission
6. Désintégrations alpha et bêta
7. Lois de conservation de Soddy
8. Échelles et constituants de l’atome

📖 1. Composition et notation du noyau

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre de masse : Nombre total de nucléons du noyau, soit la somme des protons et des neutrons.
• Numéro atomique : Nombre de protons du noyau.

★ À maîtriser

• Dans la notation nucléaire ᴬZX, A est le nombre de masse, Z le numéro atomique et X le symbole chimique de l’élément.

Compléments

📐 Formule - Le nombre de neutrons d’un noyau vérifie $N = A - Z$.

• Dans un atome neutre, le nombre d’électrons est égal au nombre de protons.

📖 2. Isotopes et abondance isotopique

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotopes : Noyaux ayant le même nombre de protons Z mais des nombres de neutrons différents, donc des nombres de masse A différents.
• Abondance isotopique relative : Proportion d’un isotope dans un élément naturel.

★ À maîtriser

📐 Formule - La masse molaire atomique moyenne est la moyenne pondérée des masses molaires isotopiques par leurs abondances relatives : $M = \sum_i x_i M_i$, où les abondances xᵢ sont exprimées comme des fractions.

Compléments

• Le carbone 12 et le carbone 14 sont isotopes car ils ont Z = 6 et des nombres de masse différents, 12 et 14.

📌 Le carbone 12 et le carbone 14 sont isotopes, tandis que l’hydrogène 1 et l’hélium 3 ne le sont pas car leurs numéros atomiques diffèrent.

• Le chlore naturel contient du chlore 35 à 75,77 % et du chlore 37 à 24,23 % ; leurs masses molaires sont respectivement 34,97 g/mol et 36,97 g/mol, et la valeur moyenne indiquée est 35,45 g/mol.

• Le bore naturel est composé de bore 10 et de bore 11, de masses molaires respectives 10,01 g/mol et 11,01 g/mol, et sa masse molaire moyenne vaut 10,81 g/mol.

💡 Astuce mémo

Même Z : même élément ; A différent : isotope différent.

📖 3. Nucléosynthèse primordiale

★ À maîtriser

• Selon le modèle du Big Bang, l’Univers est né il y a environ 13,8 milliards d’années dans un état extrêmement dense et chaud, puis s’est refroidi en se dilatant.

• La nucléosynthèse primordiale, entre 3 et environ 20 minutes après le Big Bang, forme les premiers noyaux légers, essentiellement d’hydrogène et d’hélium, avec des traces de lithium.

Compléments

• Vers 10⁻⁶ seconde après le Big Bang, les quarks s’assemblent pour former les premiers protons et neutrons.

• Vers 380 000 ans après le Big Bang, les noyaux capturent des électrons libres et forment les premiers atomes neutres, lors de la recombinaison.

• Après la recombinaison, l’Univers devient transparent à la lumière.

• Quelques centaines de millions d’années après le Big Bang, la gravitation rassemble la matière pour former les premières étoiles et galaxies.

💡 Astuce mémo

Particules → nucléons → noyaux légers → atomes → étoiles.

📖 4. Nucléosynthèse stellaire

★ À maîtriser

• Pendant l’essentiel de leur vie, les étoiles fusionnent des noyaux d’hydrogène en noyaux d’hélium.

📌 Les étoiles de faible masse comme le Soleil s’arrêtent après avoir formé du carbone et de l’oxygène, tandis que les étoiles très massives peuvent fusionner des noyaux jusqu’au fer 56.

Compléments

• Le fer 56 est présenté comme l’élément le plus stable ; au-delà, la fusion ne libère plus d’énergie.

• Les éléments chimiques plus lourds que le fer ne sont pas produits par fusion nucléaire pendant la vie paisible d’une étoile.

• Les étoiles très massives peuvent exploser en supernova et laisser une étoile à neutrons.

💡 Astuce mémo

Étoile comme le Soleil : carbone et oxygène ; étoile très massive : fusion jusqu’au fer.

📖 5. Radioactivité, fusion et fission

★ À maîtriser

📌 La radioactivité est la désintégration spontanée d’un noyau instable, tandis que la fusion réunit des noyaux et que la fission divise un noyau lourd.

Compléments

• La réaction ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n est une fusion, car deux noyaux légers se réunissent pour former un noyau plus lourd.

• La réaction ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3 ¹₀n est une fission, car un noyau lourd se sépare en noyaux plus légers.

• La réaction ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He est une radioactivité alpha, car un noyau émet une particule alpha.

💡 Astuce mémo

Un noyau se désintègre ; deux noyaux fusionnent ; un noyau lourd se scinde.

📖 6. Désintégrations alpha et bêta

📝 Points essentiels

• Une désintégration alpha émet un noyau d’hélium ⁴₂He, diminue A de 4 et diminue Z de 2.

• Lors d’une désintégration bêta moins, un neutron se transforme en proton et un électron ⁰₋₁e est émis ; A ne change pas et Z augmente de 1.

• Lors d’une désintégration bêta plus, un proton se transforme en neutron et un positon ⁰₁e est émis ; A ne change pas et Z diminue de 1.

📖 7. Lois de conservation de Soddy

★ À maîtriser

📌 Lors d’une réaction nucléaire, la somme des nombres de masse A et la somme des numéros atomiques Z sont conservées de part et d’autre de l’équation.

Compléments

• Pour identifier une particule ou un noyau manquant dans une équation nucléaire, on applique séparément la conservation de A et celle de Z.

📖 8. Échelles et constituants de l’atome

📝 Points essentiels

• Les protons et les neutrons sont constitués de quarks up et down.

• La taille caractéristique d’un atome est d’environ 10⁻¹⁰ m, tandis que celle de son noyau est d’environ 10⁻¹⁵ m.

• La masse de l’électron est indiquée comme étant 9,1 × 10⁻³¹ kg.

💡 Astuce mémo

L’atome mesure environ 10⁻¹⁰ m, le noyau environ 10⁻¹⁵ m.

📊 Tableaux de synthèse

Effet des désintégrations sur le noyau