Fiche de révision : Transformations nucléaires et radioactivité

📋 Plan du Cours

1. Formation des éléments chimiques
2. Abondance des éléments chimiques
3. Transformations nucléaires
4. Réaction de fission nucléaire
5. Stabilité et radioactivité des noyaux
6. Isotopes et types de radioactivité
7. Désintégration et demi-vie radioactive
8. Datation au carbone 14

📖 1. Formation des éléments chimiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Big Bang : Théorie qui décrit, à partir de preuves contemporaines, la naissance de l’Univers il y a environ 13,8 milliards d’années, à partir d’un état très dense et chaud entré en expansion.
• Nucléosynthèse primordiale : Formation, au moment du Big Bang, d’hydrogène et d’une faible quantité d’hélium, avec des traces de béryllium et de lithium.
• Nucléosynthèse stellaire : Fabrication de nouveaux éléments par fusion nucléaire dans les étoiles, jusqu’au fer, à l’exception du lithium, du bore et du béryllium.

★ À maîtriser

• 🔄 La nucléosynthèse primordiale suit ces étapes :

  1. Formation de deutérium à partir de neutrons et de protons autour de 10⁹ K.
  2. Formation d’éléments légers par réactions nucléaires.
  3. Arrêt après environ 15 minutes, lorsque l’expansion abaisse trop la densité et la température.

• L’explosion d’une supernova produit par fusion, fission ou désintégration les autres éléments chimiques, puis les expulse dans l’espace à plusieurs milliers de kilomètres par seconde.

Compléments

• À la fin de la nucléosynthèse primordiale, la proportion est d’environ un noyau d’hélium pour douze protons, et 98 % de la matière de l’Univers est constituée d’hydrogène et d’hélium.

• L’effondrement gravitationnel d’un nuage de gaz échauffe celui-ci jusqu’à permettre la fusion de l’hydrogène; l’énergie libérée arrête l’effondrement et l’étoile entre dans la séquence principale.

• Plus une étoile est massive, plus elle peut amorcer des réactions de fusion avec des éléments lourds et synthétiser notamment du carbone, puis de l’oxygène et du néon.

📌 Une étoile suffisamment massive pour synthétiser du fer finit en supernova, tandis qu’une étoile moins massive, comme le Soleil, perd progressivement une grande partie de sa masse et laisse une naine blanche.

💡 Astuce mémo

Big Bang → étoiles → supernovæ

📖 2. Abondance des éléments chimiques

★ À maîtriser

• Dans l’Univers, les atomes sont environ composés de 90 % d’hydrogène et de 10 % d’hélium; les autres éléments sont présents à l’état de traces.

• Dans la croûte terrestre, les abondances massiques indiquées sont de 47 % d’oxygène, 28 % de silicium, 8 % d’aluminium, 4,5 % de fer, 3,5 % de calcium et 2,5 % de sodium.

Compléments

• Dans la croûte terrestre, les abondances atomiques indiquées sont de 2,2 % de magnésium, 0,46 % de titane, 0,22 % d’hydrogène et 0,19 % de carbone.

💡 Astuce mémo

Univers riche en H-He, croûte riche en O-Si

📖 3. Transformations nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotope : Noyaux d’un même élément ayant le même nombre de protons Z, mais des nombres de neutrons différents; ils ont les mêmes propriétés chimiques et des masses légèrement différentes.
• Réaction nucléaire : Transformation d’un ou plusieurs noyaux en nouveaux noyaux, qui peut modifier leurs nombres de protons Z et de nucléons A, change l’élément si Z change et peut émettre un rayonnement gamma selon le cours.
• Fusion nucléaire : Réaction qui fusionne des noyaux atomiques pour former des noyaux plus lourds et libère une grande quantité d’énergie; elle se produit notamment au cœur du Soleil.

★ À maîtriser

📌 Dans une équation de réaction nucléaire, les règles de Soddy imposent la conservation du nombre de nucléons, A₁ + A₂ = A₃ + A₄, et de la charge électrique, Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄.

• Dans le cœur du Soleil, la répulsion électrique entre deux noyaux est surmontée grâce à une très grande énergie cinétique, associée à une température de 15 millions de degrés.

• Une réaction de fusion nucléaire libère beaucoup d’énergie en assemblant des noyaux pour former un noyau plus lourd.

Compléments

• Les isotopes du titane de numéro atomique Z = 22 sont le titane 46, qui possède 24 neutrons, le titane 47, qui en possède 25, et le titane 48, qui en possède 26.

📌 L’argon 40 et le calcium 40 ne sont pas des isotopes, car leurs nombres de protons diffèrent : Z = 18 pour l’argon et Z = 20 pour le calcium.

• Les particules éjectées et leurs nombres A et Z sont :

  • Proton : A = 1, Z = 1
  • Neutron : A = 1, Z = 0
  • Électron : A = 0, Z = −1
  • Positron : A = 0, Z = 1

• Dans le Soleil, des réactions de fusion comprennent la formation du deutérium et d’un positron à partir de deux noyaux d’hydrogène, puis la formation de l’hélium 3 à partir du deutérium et de l’hydrogène.

💡 Astuce mémo

Température élevée → fusion des noyaux → libération d’énergie

📖 4. Réaction de fission nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Fission nucléaire : Réaction qui casse des noyaux atomiques en noyaux plus légers et dégage beaucoup d’énergie.

★ À maîtriser

• Dans une centrale nucléaire, l’énergie de la fission sert à produire de la vapeur, qui fait tourner des turbines reliées à des alternateurs transformant le mouvement en énergie électrique.

Compléments

• Lors d’un exemple de fission, un neutron frappe un noyau d’uranium 235, qui se brise en un noyau de baryum 139, un noyau de krypton 94 et trois neutrons.

📖 5. Stabilité et radioactivité des noyaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité : Transformation d’un noyau instable en un nouveau noyau.

★ À maîtriser

📌 La stabilité d’un noyau dépend de la compétition entre l’interaction forte, qui attire les nucléons, et l’interaction électromagnétique, qui repousse les protons : le noyau est stable si l’interaction forte domine et instable, donc radioactif, si l’interaction électromagnétique domine.

Compléments

• Une transformation radioactive fait passer un noyau $^{A}_{Z}X$ à un nouveau noyau $^{A'}_{Z'}Y$.

💡 Astuce mémo

Interaction forte : attraction ; interaction électromagnétique : répulsion

📖 6. Isotopes et types de radioactivité

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotopes : Atomes d’un même élément chimique ayant le même nombre de protons et des nombres de neutrons différents.

★ À maîtriser

📌 La radioactivité spontanée se produit sans intervention extérieure et de manière aléatoire, tandis que la radioactivité provoquée est artificielle et résulte d’une intervention extérieure.

Compléments

• Pour un élément chimique, certains isotopes sont stables et d’autres radioactifs.

• Le diagramme de Segrè, ou diagramme (N,Z), indique les isotopes stables ou radioactifs et le type d’émission radioactive.

📖 7. Désintégration et demi-vie radioactive

🔑 Notions clés & Définitions

• Désintégration radioactive : Transformation spontanée d’un noyau instable qui permet son retour à la stabilité.
• Temps de demi-vie : Durée au bout de laquelle la population initiale $N_0$ est divisée par deux.

★ À maîtriser

• La désintégration d’un noyau radioactif donné est aléatoire et imprévisible, mais l’évolution d’une population de noyaux suit une loi de probabilité.

📐 Formule - Après $n$ demi-vies, le nombre de noyaux restants est $N_0/2^n$.

Compléments

• Les temps de demi-vie indiqués sont :
  • 4,5 × 10⁹ ans pour l’uranium 238
  • 1,3 × 10⁹ ans pour le potassium 40
  • 8,0 × 10⁴ ans pour le thorium 230
  • 5,7 × 10³ ans pour le carbone 14
  • 1,6 × 10³ ans pour le radium 226
  • 22 ans pour le plomb 210

📖 8. Datation au carbone 14

★ À maîtriser

• La datation au carbone 14 repose sur la diminution, après la mort d’un organisme, du carbone 14 radioactif qu’il contient et dont le taux n’est plus renouvelé par l’alimentation.

Compléments

• Le taux de carbone 14 est constant chez les êtres vivants.

💡 Astuce mémo

Mort → arrêt du renouvellement en carbone 14 → diminution de son taux