Fiche de révision : Radioactivité et noyau atomique

📋 Plan du Cours

1. Structure générale de l’atome
2. Particules élémentaires et interactions
3. Nucléides et classifications atomiques
4. Masse énergie et liaison nucléaire
5. Stabilité et instabilité des noyaux
6. Principes généraux de la radioactivité
7. Modes de désintégration nucléaire
8. Désexcitation et rayonnement gamma
9. Lois quantitatives de décroissance
10. Filiation et médecine nucléaire

📖 1. Structure générale de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Constitué d’un cortège électronique de rayon environ 10^-10 m entourant un noyau de rayon environ 10^-14 m, formé de protons et de neutrons.

★ À maîtriser

• Un atome est électriquement neutre parce que la charge négative totale de ses électrons compense la charge positive totale de ses protons.

Compléments

• Le noyau est presque sphérique, mesure quelques femtomètres et son volume est proportionnel au nombre de masse A.

💡 Astuce mémo

Petit cortège électronique autour d’un noyau beaucoup plus compact

📖 2. Particules élémentaires et interactions

📝 Points essentiels

📌 Les fermions sont des particules massives de spin 1/2 qui constituent la matière, tandis que les bosons ont un spin entier ou nul et transmettent les interactions fondamentales.

• Les fermions comprennent deux familles, les quarks et les leptons, et trois générations dont seule la première constitue la matière ordinaire.

• Le photon transmet l’interaction électromagnétique, le gluon l’interaction nucléaire forte, les bosons intermédiaires l’interaction nucléaire faible et le graviton l’interaction gravitationnelle.

💡 Astuce mémo

Fermions = matière ; bosons = messagers

📖 3. Nucléides et classifications atomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre de masse : Le nombre total de nucléons, égal à la somme du nombre de protons Z et du nombre de neutrons N.
• Nucléide : Un type d’atome défini par le couple (A, Z), c’est-à-dire par son nombre de nucléons et son nombre de protons.

★ À maîtriser

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

Compléments

• Le technétium 99m est un isomère métastable qui se désexcite par émission d’un rayonnement gamma de 140 keV pour donner du technétium 99.

💡 Astuce mémo

A-Z-N : masse, protons, neutrons

📖 4. Masse énergie et liaison nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie de liaison : L’énergie nécessaire pour extraire une particule du noyau ou annuler l’interaction forte entre les nucléons.

📝 Points essentiels

📐 Formule — L’équivalence masse-énergie s’écrit $E = mc^2$, avec $c = 3 \times 10^8\ \text{m·s}^{-1}$. — Einstein, 1905

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

📐 Formule — L’énergie moyenne de liaison par nucléon s’écrit $W/A = mc^2/A$ et vaut environ 8 MeV par nucléon pour la plupart des noyaux.

💡 Astuce mémo

Défaut de masse → énergie de liaison

📖 5. Stabilité et instabilité des noyaux

★ À maîtriser

📌 La stabilité nucléaire résulte d’un équilibre entre la répulsion coulombienne des protons et l’attraction de l’interaction nucléaire forte entre nucléons.

📌 Un noyau stable ne se modifie pas spontanément, tandis qu’un noyau instable se transforme pour atteindre un état plus stable en émettant un rayonnement.

Compléments

• Les noyaux pairs-pairs représentent environ 82 % des noyaux stables, les noyaux pairs-impairs environ 13 % et les noyaux impairs-impairs environ 5 %.

📌 La fusion concerne surtout les noyaux très légers de nombre de masse A inférieur à 20, tandis que la fission concerne surtout les noyaux très lourds de A supérieur à 190.

💡 Astuce mémo

Déséquilibre des forces → instabilité → rayonnement

📖 6. Principes généraux de la radioactivité

★ À maîtriser

• La désintégration radioactive modifie la structure du noyau, tandis que la désexcitation libère un excès d’énergie sans modifier sa structure nucléaire.

• Toute transformation radioactive conserve la quantité de mouvement, l’énergie, la charge électrique et le nombre de nucléons.

• La radioactivité est une transformation nucléaire spontanée, inéluctable, aléatoire et exoénergétique, indépendante de la combinaison chimique, de la pression et de la température.

Compléments

• La radioactivité naturelle comprend notamment l’uranium 238, le thorium 232, le potassium 40 et le carbone 14, tandis que la radioactivité artificielle comprend notamment le fluor 18, le carbone 11, le gallium 64 et 68, l’iode 123 et 131 et le technétium 99m.

💡 Astuce mémo

Désintégration = noyau modifié ; désexcitation = noyau inchangé

📖 7. Modes de désintégration nucléaire

★ À maîtriser

• Lors d’une désintégration alpha, un noyau lourd de Z supérieur à 82 émet une particule alpha, c’est-à-dire un noyau d’hélium, et diminue son nombre de masse.

• Lors d’une désintégration bêta moins, un neutron se transforme en proton avec émission d’un électron et d’un antineutrino, tandis que le nombre de masse A reste constant.

• Lors d’une désintégration bêta plus, un proton se transforme en neutron avec émission d’un positon et d’un neutrino, tandis que le nombre de masse A reste constant.

• Lors d’une capture électronique, un noyau riche en protons capture un électron d’une couche profonde et transforme un proton en neutron avec émission d’un neutrino.

Compléments

• La désintégration bêta plus nécessite une énergie excédentaire minimale de 1,022 MeV, correspondant à l’énergie de deux photons d’annihilation de 511 keV.

💡 Astuce mémo

α diminue A ; β transforme n et p ; capture électronique neutralise un proton

📖 8. Désexcitation et rayonnement gamma

★ À maîtriser

• Après avoir perdu son énergie cinétique, le positon s’annihile avec un électron en produisant deux photons gamma de 511 keV émis en sens opposés.

📌 Lors d’une désexcitation nucléaire, l’excès d’énergie est libéré soit par émission d’un photon gamma, soit par transfert à un électron de conversion interne.

Compléments

• Les rayonnements gamma proviennent du noyau et sont généralement plus énergétiques que les rayons X, avec une fréquence plus élevée et une longueur d’onde plus courte.

• La période du technétium 99m est de 6 heures, tandis que celle de son père le molybdène 99 est de 66 heures.

💡 Astuce mémo

Photon γ ou électron de conversion

📖 9. Lois quantitatives de décroissance

🔑 Notions clés & Définitions

• Constante radioactive : La probabilité qu’un atome radioactif se désintègre pendant une unité de temps.
• Période radioactive : Le temps au bout duquel le nombre de noyaux radioactifs initiaux est réduit de moitié.
• Activité : L’activité d’une source radioactive est le nombre de désintégrations par unité de temps et s’exprime en becquerels, avec 1 Bq égal à 1 désintégration par seconde.
• Taux d’émission : Le taux d’émission est le nombre de rayonnements d’un type et d’une énergie déterminés émis par unité de temps, exprimé en s^-1.

📝 Points essentiels

• La période radioactive du fluor 15O est de 2,05 minutes, tandis que celle de l’uranium 238 est de 4,5 milliards d’années.

💡 Astuce mémo

Constante radioactive → demi-vie → activité

📖 10. Filiation et médecine nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Filiation radioactive : L’ensemble des désintégrations allant d’un noyau père radioactif vers un noyau final stable.

★ À maîtriser

📌 Lorsque le noyau fils est radioactif, son activité dépend à la fois de sa production par le père et de sa propre désintégration.

📌 Lorsque la période du fils est négligeable devant celle du père, un équilibre séculaire s’établit et la quantité de fils reste constante car sa production égale sa désintégration.

• Les usages médicaux des rayonnements sont:
  • diagnostic in vivo par gamma ou bêta plus
  • diagnostic in vitro par gamma ou bêta moins
  • thérapie par bêta moins ou alpha

Compléments

• Les générateurs permettent de reconstituer en permanence un radionucléide fils à période courte à partir d’un radionucléide père à période plus longue.

💡 Astuce mémo

Désintégration du père → production du fils → équilibre

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des désintégrations