Fiche de révision : Noyaux et radioactivité

📋 Plan du Cours

1. Particules et forces fondamentales
2. Structure et classification des atomes
3. Masse et énergie nucléaires
4. Stabilité des noyaux
5. Transformations et radioactivité

📅 Repères chronologiques

1. 1896Henri BECQUEREL observe qu’un sulfate d’uranyl placé dans l’obscurité impressionne une plaque photographique enveloppée de papier noir.
2. 1898Pierre et Marie CURIE isolent le polonium et le radium et montrent que la radioactivité est une propriété atomique du noyau d’uranium.
3. 1934Irène et Frédéric JOLIOT-CURIE découvrent la radioactivité artificielle.

📖 1. Particules et forces fondamentales

★ À maîtriser

• Les fermions sont des particules de matière, élémentaires ou composites, tandis que les bosons sont les particules médiatrices des interactions entre fermions.

📌 Les quarks u et d composent les nucléons et sont confinés dans les hadrons, tandis que les leptons, comme les électrons et les neutrinos, peuvent se déplacer librement.

• Le photon véhicule l’interaction électromagnétique, le gluon véhicule l’interaction forte et les bosons W et Z véhiculent l’interaction faible.

Compléments

• Les mésons sont composés de deux quarks, tandis que les baryons sont composés de trois quarks.

💡 Astuce mémo

Fermions = matière ; bosons = médiateurs

📖 2. Structure et classification des atomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléide : Type d’atome défini par son nombre de masse A et son numéro atomique Z.

★ À maîtriser

📌 Les isotopes ont le même Z mais des N différents, les isotones ont le même N mais des Z différents, les isobares ont le même A mais des Z et N différents, et les isomères ont les mêmes Z, N et A mais des niveaux d’énergie différents.

• Un atome neutre possède autant d’électrons que de protons, avec une charge protonique de +1,6 × 10-19 C et une charge électronique de -1,6 × 10-19 C.

Compléments

• Le noyau contient les protons et les neutrons, tandis que le cortège électronique contient les électrons ; la masse de l’atome est concentrée à environ 99,75 % dans les nucléons.

💡 Astuce mémo

A-Z-N : masse, protons, neutrons

📖 3. Masse et énergie nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Défaut de masse : Différence entre la somme des masses des nucléons séparés et la masse du noyau lié.

★ À maîtriser

📐 Formule — La masse du noyau vérifie $M(A,Z)=Z m_p+N m_n-dm$, où dm est le défaut de masse.

📐 Formule — L’énergie de liaison des nucléons vérifie $W=dm c^2$, avec $c=3×10^8$ m/s. — Einstein, 1905

Compléments

• Une unité de masse atomique vaut 1,6605 × 10-27 kg et correspond à 931,502 MeV/c2.

💡 Astuce mémo

Défaut de masse → énergie de liaison

📖 4. Stabilité des noyaux

★ À maîtriser

📌 Un noyau stable reste inchangé et possède une durée de vie infinie, tandis qu’un noyau instable se transforme spontanément vers un état plus stable en émettant un rayonnement.

📌 Pour les noyaux légers avec Z ≤ 20, la stabilité correspond approximativement à N/Z ≈ 1, tandis que le rapport augmente progressivement jusqu’à 1,5 pour les noyaux lourds stables.

• Les noyaux très légers avec A < 20 peuvent libérer de l’énergie par fusion, tandis que les noyaux très lourds avec A > 190 peuvent en libérer par fission.

Compléments

• Environ 82 % des noyaux stables sont pairs-pairs, 13 % sont pairs-impairs et 5 % sont impairs-impairs.

💡 Astuce mémo

Fusion des légers, fission des lourds

📖 5. Transformations et radioactivité

★ À maîtriser

📌 La désintégration libère l’excès énergétique en modifiant la structure du noyau, tandis que la désexcitation libère l’énergie sans modifier cette structure.

• La radioactivité est la propriété de certains noyaux de se transformer en un ou plusieurs noyaux en émettant des particules alpha, des électrons bêta ou un rayonnement électromagnétique gamma.

• Les transformations radioactives sont spontanées, inéluctables, aléatoires et indépendantes de la combinaison chimique, de la pression et de la température.

Compléments

• Toute transformation radioactive respecte quatre conservations:
  • la quantité de mouvement
  • l’énergie
  • la charge électrique
  • le nombre de nucléons

💡 Astuce mémo

Désintégration : structure modifiée ; désexcitation : structure conservée

📊 Tableaux de synthèse

Classification des noyaux