QCM : Physique nucléaire et radioactivité — 33 questions

Explication

La physique nucléaire analyse l’organisation de la matière, les noyaux et les interactions qui expliquent la stabilité ou l’instabilité des atomes. L’étude des molécules et des liaisons électroniques relève davantage de la chimie moléculaire.

Explication

Un atome comprend un noyau entouré d’électrons, alors qu’une molécule résulte de l’association de plusieurs atomes. Confondre ces deux notions revient à attribuer à l’atome une structure moléculaire qu’il ne possède pas.

Explication

En 1887, Thompson met en évidence les électrons, ce qui révèle que l’atome possède une structure interne. Rutherford découvre le noyau plus tard, en 1911.

Explication

Rutherford découvre le noyau atomique en 1911. La découverte du neutron est attribuée à Chadwick en 1932, tandis que Bohr modifie le modèle atomique en 1913.

Explication

En 1932, Chadwick découvre le neutron et montre que le noyau est constitué de protons et de neutrons. La découverte du noyau lui-même est antérieure et revient à Rutherford en 1911.

Explication

Le nombre de neutrons s’obtient en soustrayant le nombre de protons au nombre total de nucléons, soit $N=A-Z$. Le nombre de masse $A$ compte tous les nucléons, tandis que $Z$ compte les protons.

Explication

Un élément chimique est défini par son nombre de protons, représenté par $Z$. Le nombre de neutrons ou de nucléons peut varier sans changer l’élément chimique concerné.

Explication

Des isotopes appartiennent au même élément parce qu’ils ont le même numéro atomique, tout en différant par leur nombre de masse. Des noyaux ayant le même nombre de masse mais des numéros atomiques différents sont des isobares.

Explication

Le même nombre d’électrons conduit à des propriétés chimiques similaires, tandis que la différence de nombre de masse peut modifier les propriétés physiques. Le nombre d’électrons ne varie pas entre isotopes neutres d’un même élément.

Explication

L’état fondamental est l’état stable associé à l’énergie totale minimale et à la liaison électronique maximale. L’état excité correspond au contraire à un apport d’énergie qui perturbe la configuration électronique.

Explication

L’excitation déplace un électron vers une couche moins liée sans nécessairement le faire sortir de l’atome. L’éjection complète de l’électron correspond à une ionisation, tandis que le comblement d’une vacance relève de la désexcitation.

Explication

La désexcitation commence par le comblement d’une vacance électronique et libère l’excès d’énergie par émission X ou par effet Auger. L’éjection d’un électron décrit une ionisation, et les transformations nucléaires ne constituent pas le mécanisme indiqué ici.

Explication

L’énergie de liaison mesure l’énergie à fournir pour séparer les nucléons qui constituent le noyau. Elle ne désigne pas directement l’énergie libérée par une transformation nucléaire, ni les échanges d’énergie électroniques.

Explication

La cohésion nucléaire résulte de l’interaction forte, attractive et suffisamment intense pour surpasser la répulsion électrostatique entre protons. Les électrons ne participent pas à la cohésion du noyau et les neutrons ne suppriment pas la répulsion électrique entre protons.

Explication

La masse du noyau lié est inférieure à la somme des masses de ses nucléons libres, et le défaut de masse correspond à une énergie selon $E=\Delta m c^2$. L’égalité avec la somme des masses négligerait précisément le défaut de masse.

Explication

Un photon est une onde électromagnétique dont les champs électrique et magnétique sont transverses à la propagation. Les particules alpha et bêta sont des rayonnements particulaires, et non des photons.

Explication

En combinant $E=h\nu$ et $\nu=\frac{c}{\lambda}$, on obtient $E=\frac{hc}{\lambda}$ : une longueur d’onde plus courte correspond donc à une énergie plus élevée. La relation proposée avec $h\lambda/c$ inverse cette dépendance.

Explication

La conversion interne transfère l’énergie de désexcitation à un électron du cortège, qui est alors éjecté. L’émission gamma, en revanche, produit directement un photon gamma.

Explication

Un noyau stable est dans son état fondamental, ne se transforme pas spontanément et conserve ses nombres de masse A et atomique Z. Une transformation spontanée caractérise au contraire l’instabilité radioactive.

Explication

Pour les éléments légers, la stabilité se situe approximativement près de $N=Z$, tandis que les noyaux plus lourds nécessitent davantage de neutrons pour compenser la répulsion proton-proton. L’égalité entre neutrons et protons ne suffit donc plus pour les noyaux lourds.

Explication

Henri Becquerel a découvert la radioactivité en 1896 lors de ses expériences sur des sels d’uranium. Rutherford et Curie ont ensuite apporté des contributions majeures à l’étude de la radioactivité, mais ne sont pas l’auteur de cette découverte initiale.

Explication

L’exposition naturelle moyenne est d’environ 3 mSv par an, provenant notamment du rayonnement cosmique, de l’inhalation, de l’ingestion et du sol. Une valeur de 0,3 mSv par an sous-estime fortement cette exposition globale.

Explication

Les transformations radioactives respectent la conservation de la charge, des nucléons et de l’énergie. Le nombre de protons est lié à Z, tandis que le nombre total de nucléons correspond à A ; ces deux grandeurs ne doivent pas être confondues avec le nombre d’électrons.

Explication

Une désintégration radioactive change l’élément chimique, de X vers Y, alors qu’une désexcitation électromagnétique libère de l’énergie en conservant le même élément, de X* vers X. Confondre ces processus revient à attribuer un changement d’élément à une simple perte d’excitation.

Explication

Les désintégrations bêta moins, bêta plus et la capture électronique sont isobariques : elles conservent A. L’émission alpha est non isobarique et diminue le nombre de masse de quatre unités.

Explication

La désintégration bêta moins convertit un neutron en proton et s’accompagne de l’émission d’un électron et d’un antineutrino. La transformation d’un proton en neutron correspond à la bêta plus, et non à la bêta moins.

Explication

En bêta moins, le nombre de masse reste égal à $A$ tandis que le numéro atomique augmente d’une unité, avec émission d’un électron et d’un antineutrino. La deuxième équation décrit une bêta plus, tandis que la dernière correspond à une émission alpha.

Explication

La bêta plus transforme un proton en neutron et produit un positon ainsi qu’un neutrino. L’augmentation du numéro atomique est associée à la bêta moins, tandis que la capture électronique suit un autre mécanisme.

Explication

La capture électronique fait intervenir un électron d’une couche interne, capturé par un proton qui se transforme en neutron, avec émission d’un neutrino. L’émission d’un positon caractérise la bêta plus, qui ne repose pas sur la capture d’un électron par le noyau.

Explication

La constante radioactive $\lambda$ représente une probabilité de transformation par unité de temps et s’exprime généralement en $\mathrm{s}^{-1}$. Le temps de division par deux désigne la période radioactive, tandis que le nombre de transformations par unité de temps désigne l’activité.

Explication

La décroissance radioactive du nombre de noyaux suit une loi exponentielle décroissante, donnée par $N(t)=N(t_0)e^{-\lambda(t-t_0)}$. Une exponentielle croissante ne traduit pas la diminution progressive de la population radioactive.

Explication

L’activité est le débit de transformations nucléaires et son unité est le becquerel. Le nombre de noyaux restants est représenté par $N$, tandis que la probabilité individuelle de transformation par unité de temps correspond à $\lambda$.

Explication

L’activité est proportionnelle au nombre de noyaux et vérifie $A=\lambda N=\frac{\ln 2}{T_p}N$; elle décroît donc au cours du temps comme la population radioactive. La relation inverse entre activité et constante radioactive ne respecte pas cette définition.