Fiche de révision : Radiochimie et rayonnements radioactifs

📋 Plan du Cours

1. Structure et nomenclature du noyau
2. Cohésion et stabilité nucléaires
3. Masses et énergie de liaison
4. Isotopes et familles nucléaires
5. Propriétés des rayonnements
6. Désintégrations alpha et bêta
7. Rayonnements gamma et conversion interne
8. Activité et exercices nucléaires

📅 Repères chronologiques

1. 1896W. Roentgen et H. Becquerel découvrent les rayons X associés aux électrons de l’atome
2. 1898Pierre et Marie Curie découvrent deux éléments radioactifs, le polonium et le radium
3. 1899E. Rutherford identifie les rayonnements alpha et bêta
4. 1934F. Joliot et I. Curie découvrent la radioactivité artificielle par synthèse d’éléments radioactifs

📖 1. Structure et nomenclature du noyau

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Constitué d’un noyau formé de protons et de neutrons, entouré d’un cortège d’électrons dont la charge équilibre celle du noyau.
• Nombre de masse : Égal au nombre total de protons et de neutrons du noyau.
• Numéro atomique : Égal au nombre de protons du noyau et au nombre d’électrons d’un atome neutre.

📝 Points essentiels

• Une mole contient $N_A = 6{,}02\times10^{23}$ atomes.

💡 Astuce mémo

Z identifie l’élément, A compte les nucléons

📖 2. Cohésion et stabilité nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Interaction forte : Assure la cohésion du noyau entre les nucléons et est 100 à 1000 fois plus intense que la force électrique, mais son rayon d’action est de l’ordre de $10^{-15}\ \text{m}$.

★ À maîtriser

📌 Un noyau présentant un excès de neutrons tend à se stabiliser par émission bêta moins, tandis qu’un noyau présentant un excès de protons tend à se stabiliser par émission bêta plus ou capture électronique.

• Il n’existe pas de noyaux stables avec un numéro atomique Z supérieur ou égal à 84.

Compléments

• Les protons contiennent deux quarks up et un quark down, tandis que les neutrons contiennent deux quarks down et un quark up.

💡 Astuce mémo

Excès de neutrons ou de protons → transformation vers la vallée de stabilité

📖 3. Masses et énergie de liaison

★ À maîtriser

📐 Formule — L’énergie de liaison du noyau vérifie $E_L = \Delta m c^2$, où $\Delta m$ est le défaut de masse.

• L’énergie équivalente à une unité de masse atomique est de 931,5 MeV.

• Plus l’énergie de liaison par nucléon est grande, plus le noyau est stable.

Compléments

📐 Formule — La masse du noyau vérifie $m_{noyau}=Z m_{proton}+N m_{neutron}-\Delta m$.

💡 Astuce mémo

Défaut de masse → énergie de liaison → stabilité accrue

📖 4. Isotopes et familles nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotopes : Atomes d’un même élément qui possèdent le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents.
• Isobares : Atomes qui possèdent le même nombre de masse A mais des numéros atomiques différents.
• Isotones : Atomes qui possèdent le même nombre de neutrons.

📝 Points essentiels

• Le chlore naturel contient 75,77 % de chlore-35 et 24,23 % de chlore-37, ce qui donne une masse atomique moyenne de 35,4526 g/mol.

💡 Astuce mémo

Isotopes : même Z ; isobares : même A ; isotones : même N

📖 5. Propriétés des rayonnements

🔑 Notions clés & Définitions

• Particule alpha : Noyau d’hélium constitué de deux protons et de deux neutrons.

📝 Points essentiels

• Les particules alpha sont très ionisantes et sont arrêtées par quelques centimètres d’air ou une feuille d’aluminium.

• Les particules bêta sont des électrons ou des positrons et possèdent un pouvoir de pénétration supérieur à celui des particules alpha.

• Les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques neutres et très pénétrants, pouvant nécessiter plusieurs décimètres de plomb ou plusieurs mètres de béton pour être absorbés.

💡 Astuce mémo

Alpha ionise fortement mais pénètre peu, gamma ionise indirectement mais pénètre beaucoup

📖 6. Désintégrations alpha et bêta

★ À maîtriser

📌 Lors d’une désintégration nucléaire, le nombre de masse et le numéro atomique se conservent selon les lois de Soddy : $A=A_1+A_2$ et $Z=Z_1+Z_2$.

📐 Formule — Une désintégration alpha s’écrit $^{A}_{Z}X\rightarrow{}^{A-4}_{Z-2}Y+{}^{4}_{2}He$.

📐 Formule — Une désintégration bêta moins s’écrit $^{A}_{Z}X\rightarrow{}^{A}_{Z+1}Y+{}^{0}_{-1}e+\nu_e$ et transforme un neutron en proton.

📐 Formule — Une désintégration bêta plus s’écrit $^{A}_{Z}X\rightarrow{}^{A}_{Z-1}Y+{}^{0}_{+1}e+\nu_e$ et transforme un proton en neutron.

Compléments

📐 Formule — La capture électronique s’écrit $^{A}_{Z}X+{}^{0}_{-1}e\rightarrow{}^{A}_{Z-1}Y+\nu_e$ et transforme un proton en neutron.

💡 Astuce mémo

Alpha diminue A et Z ; bêta moins augmente Z ; bêta plus et capture électronique diminuent Z

📖 7. Rayonnements gamma et conversion interne

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement gamma : Photon électromagnétique émis lors de la désexcitation d’un noyau, sans modification de sa composition.

★ À maîtriser

📐 Formule — L’énergie d’un photon gamma vérifie $E=h\nu$, avec $h=6{,}62\times10^{-34}\ \text{J·s}$.

Compléments

• L’énergie des rayonnements gamma étudiés se situe entre 60 keV et 3 MeV.

• Lors d’une conversion interne, le noyau excité transfère directement son énergie à un électron interne, l’éjecte, puis le réarrangement électronique produit un rayon X ou un électron Auger.

💡 Astuce mémo

Noyau excité → désexcitation gamma ou conversion interne → réarrangement électronique

📖 8. Activité et exercices nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Becquerel : Unité d’activité correspondant à une désintégration par seconde : $1\ \text{Bq}=1\ \text{désintégration par seconde}$.
• Activité spécifique : Activité radioactive par unité de masse.

★ À maîtriser

• Le curie vaut $1\ \text{Ci}=3{,}7\times10^{10}\ \text{Bq}$ et correspond à l’activité d’un gramme de radium.

Compléments

• Dans la désintégration du radium-226 en plomb-206, cinq désintégrations alpha diminuent le nombre de masse de 20 unités et quatre désintégrations bêta moins rétablissent le numéro atomique final.

💡 Astuce mémo

Becquerel mesure une désintégration par seconde, curie une activité beaucoup plus grande

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des rayonnements