Fiche de révision : Réactions nucléaires et radioactivité

📋 Plan du Cours

1. Fusion nucléaire et premiers noyaux
2. Formation des éléments dans les étoiles
3. Radioactivité et stabilité des noyaux
4. Découverte et mesures de la radioactivité
5. Rayonnements et équations nucléaires
6. Demi-vie et décroissance radioactive

📖 1. Fusion nucléaire et premiers noyaux

📝 Points essentiels

• Quelques minutes après le Big Bang, l’Univers, à environ 10⁹ K, était assez chaud et dense pour que des particules élémentaires forment des noyaux d’hydrogène, de deutérium, d’hélium et de lithium par fusion nucléaire.

📖 2. Formation des éléments dans les étoiles

🔑 Notions clés & Définitions

• Fission nucléaire : Cassure de certains noyaux sous l’impact de neutrons ou d’autres particules légères.

★ À maîtriser

• Dans les étoiles formées par accrétion d’atomes créés lors du Big Bang, des noyaux légers fusionnent pour produire des noyaux plus lourds, notamment le carbone (Z = 6), l’oxygène (Z = 8) et le fer (Z = 26).

Compléments

• Les éléments chimiques produits dans les étoiles sont dispersés à la fin de la vie de l’étoile.

💡 Astuce mémo

Fusion des noyaux légers → éléments plus lourds ; fin de vie stellaire → dispersion.

📖 3. Radioactivité et stabilité des noyaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité : Transmutation naturelle d’un noyau instable en un autre noyau par désintégration.

★ À maîtriser

• Un noyau peut être instable si sa composition présente un déséquilibre entre neutrons et protons, ou s’il est trop lourd et possède un excès d’énergie.

• La radioactivité est aléatoire, inéluctable, spontanée et indépendante de la substance dans laquelle se trouve le noyau radioactif.

• Lors d’une désintégration, un noyau instable émet une particule α ou β et/ou un rayonnement γ, puis devient un noyau fils plus stable ; si celui-ci reste instable, il se désintègre à son tour.

Compléments

• Les désintégrations successives ont contribué à la formation des 94 éléments chimiques présents sur Terre.

📖 4. Découverte et mesures de la radioactivité

★ À maîtriser

📐 Formule - L’activité radioactive s’exprime en becquerels : $1\ \mathrm{Bq}=1\ \text{désintégration par seconde}$.

• La dose efficace, mesurée avec un dosimètre porté en permanence, s’exprime en sieverts (Sv), souvent en millisieverts (mSv), et tient compte de l’énergie reçue par kilogramme de tissu, du type de rayonnement et de la sensibilité des organes touchés.

Compléments

• En 1896, Henri Becquerel découvre la radioactivité en constatant qu’un sel d’uranium placé sur une plaque photographique protégée de la lumière l’impressionne spontanément.

• En 1898, Pierre et Marie Curie découvrent le polonium et le radium et proposent le terme « radioactivité ».

• En France, l’exposition moyenne naturelle et médicale est d’environ 4,5 mSv/an, tandis que la limite réglementaire pour les travailleurs exposés est de 20 mSv/an.

• À énergie égale, le rayonnement α est plus nocif pour l’organisme que le rayonnement γ.

• La radioactivité est utilisée pour : la radiothérapie et l’imagerie par scintigraphie ou TEP, la datation au carbone 14, la production d’électricité, la stérilisation de matériel médical et de certains aliments, le contrôle des soudures par gammagraphie

💡 Astuce mémo

Le becquerel caractérise la source ; le sievert caractérise l’effet reçu par la personne.

📖 5. Rayonnements et équations nucléaires

★ À maîtriser

• Les centrales nucléaires utilisent l’uranium 235, noté ²³⁵₉₂U.

• Dans une centrale, un neutron est absorbé par un noyau d’uranium 235, qui se casse en deux noyaux plus légers en libérant de l’énergie et 2 ou 3 neutrons susceptibles de provoquer d’autres fissions.

• Dans la notation nucléaire ᴬ_ZX, A désigne le nombre de nucléons et Z le nombre de protons ; une équation nucléaire conserve A et la charge Z.

📐 Formule - Lors d’une émission α, le noyau émet un noyau d’hélium ⁴₂He et l’équation générale est ${}^{A}_{Z}X \rightarrow {}^{A-4}_{Z-2}Y + {}^{4}_{2}\mathrm{He}$; par exemple, ${}^{238}_{92}\mathrm{U} \rightarrow {}^{234}_{90}\mathrm{Th} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}$.

📐 Formule - Lors d’une émission β⁻, un neutron du noyau se transforme en proton et un électron est émis ; l’équation générale est ${}^{A}_{Z}X \rightarrow {}^{A}_{Z+1}Y + {}^{0}_{-1}e$; par exemple, ${}^{14}_{6}\mathrm{C} \rightarrow {}^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{0}_{-1}e$.

📐 Formule - Le rayonnement γ est un photon de très haute énergie émis par un noyau fils excité lors de sa désexcitation, sans changement de A ni de Z : ${}^{A}_{Z}Y^{*} \rightarrow {}^{A}_{Z}Y + \gamma$.

Compléments

📐 Formule - Lors d’une émission β⁺, un positon ⁰₁e est émis et l’équation générale est ${}^{A}_{Z}X \rightarrow {}^{A}_{Z-1}Y + {}^{0}_{1}e$.

📖 6. Demi-vie et décroissance radioactive

🔑 Notions clés & Définitions

• Demi-vie : Durée au bout de laquelle la moitié des noyaux radioactifs d’un échantillon s’est désintégrée ; elle se note T ou t₁/₂ et s’exprime en secondes dans le SI, mais aussi en minutes, jours ou années selon le noyau.

★ À maîtriser

• La population de noyaux radioactifs d’un échantillon décroît au cours du temps et est divisée par deux au bout d’une demi-vie.

📐 Formule - Dans le modèle des dés, le nombre moyen de dés restants après n lancers vérifie $N_{n+1}\approx\frac{5}{6}N_n$ et $N_n\approx N_0\left(\frac{5}{6}\right)^n$.

Compléments

📐 Formule - Dans le modèle de lancers de dés où une face sur six est marquée, la probabilité de désintégration à chaque lancer est $p=\frac{1}{6}$ et la fraction moyenne de dés restants est $\frac{5}{6}$.

• Pour 100 dés au départ, les nombres théoriques de dés restants après 0 à 12 lancers sont respectivement 100, 83, 69, 58, 48, 40, 33, 28, 23, 19, 16, 13 et 11, tandis que les résultats réels fluctuent autour de ces valeurs.