Fiche de révision : Univers, éléments et radioactivité

📋 Plan du Cours

1. Tableau périodique et noyaux
2. Formation de l’univers et des éléments
3. Composition actuelle de l’univers
4. Structure et stabilité des noyaux
5. Fission, fusion et transmutation
6. Décroissance et activité radioactive
7. Datation au carbone 14
8. Exploitation des décroissances

📅 Repères chronologiques

1. 1896Henri Becquerel a découvert la radioactivité en montrant que l’uranium émet des rayonnements qui impressionnent les plaques photographiques.
2. 1898Pierre et Marie Curie ont isolé le polonium et le radium, deux éléments naturels radioactifs.
3. 1934Irène Curie et Frédéric Joliot ont créé les premiers éléments radioactifs artificiels.
4. 16 juillet 1945La première bombe atomique a explosé dans le désert du Nouveau-Mexique aux États-Unis.

📖 1. Tableau périodique et noyaux

📝 Points essentiels

• Dimitri Mendeleïev a établi le tableau périodique en 1869.

• Le tableau périodique comprend:

  • 18 colonnes
  • 7 périodes
  • 118 éléments chimiques

📌 Les éléments du tableau périodique sont classés par numéros atomiques croissants, de gauche à droite et de haut en bas.

• Le noyau d’hydrogène le plus courant contient un proton, tandis que le noyau d’hélium le plus courant contient deux protons et deux neutrons.

📖 2. Formation de l’univers et des éléments

★ À maîtriser

• L’univers s’est formé lors du Big Bang, il y a 13,8 milliards d’années, sous la forme initiale de protons, de neutrons et d’électrons.

• La découverte accidentelle du rayonnement fossile par des ingénieurs de Bell Télécom en 1965 a apporté une preuve de l’existence du Big Bang.

• Les noyaux d’hydrogène, de deutérium et d’hélium se sont formés dans les 380000 premières années qui ont suivi le Big Bang.

• Dans les étoiles, la fusion de noyaux légers d’hydrogène et d’hélium produit des noyaux plus lourds comme ceux du carbone, de l’oxygène et de l’azote.

Compléments

• Les supernovæ projettent dans toutes les directions les éléments formés au cœur des étoiles, permettant la formation de nouvelles étoiles et de systèmes planétaires.

💡 Astuce mémo

Big Bang → noyaux légers → étoiles → éléments lourds

📖 3. Composition actuelle de l’univers

★ À maîtriser

• L’hydrogène représente 25 % de la masse de l’univers et l’hélium 73 %, soit 98 % de la masse totale à eux deux.

• L’hydrogène représente 90 % des atomes de l’univers et l’hélium 8 %, soit 98 % des atomes à eux deux.

Compléments

• Les masses atomiques de l’hydrogène et de l’hélium sont respectivement de 1,00784 u et 4,00260 u.

• Sur Terre, l’hydrogène représente 0,20 % et l’hélium 0,00042 % de la composition indiquée dans le cours.

📖 4. Structure et stabilité des noyaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Constitué d’un noyau formé de protons et de neutrons, autour duquel gravitent des électrons.
• Nucléons : Les protons et les neutrons sont les nucléons constitutifs du noyau.

📝 Points essentiels

• Un noyau instable éjecte des particules afin de se stabiliser en formant un noyau fils ; cette transformation est une désintégration radioactive.

📌 Deux isotopes d’un même élément possèdent le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents, comme le carbone 12 et le carbone 14.

💡 Astuce mémo

Noyau stable : cohésion suffisante ; noyau instable : désintégration

📖 5. Fission, fusion et transmutation

📝 Points essentiels

• La fission casse un noyau père en deux noyaux plus petits, tandis que la fusion réunit deux noyaux pour en former un plus gros.

• La transmutation transforme un noyau en un autre sans modifier le nombre de nucléons, en transformant un proton en neutron ou inversement.

• Lors d’une transformation nucléaire, le nombre de nucléons et la charge électrique globale se conservent.

• Dans une centrale nucléaire, l’eau ralentit les neutrons issus de la fission de l’uranium 235 afin qu’ils déclenchent la fission d’autres noyaux d’uranium 235 et entretiennent la réaction en chaîne.

💡 Astuce mémo

Fission : un gros noyau devient deux petits ; fusion : deux petits deviennent un gros

📖 6. Décroissance et activité radioactive

🔑 Notions clés & Définitions

• Activité radioactive : Nombre de désintégrations produites par seconde et se mesure en becquerels.

• Demi-vie : Durée au bout de laquelle la moitié des noyaux radioactifs initiaux se sont désintégrés.

★ À maîtriser

• Pour l’uranium, un échantillon passe de 1 kg à 500 g en 4,5 milliards d’années, à 250 g en 9 milliards d’années et à 125 g en 13,5 milliards d’années.

Compléments

📌 Les désintégrations radioactives suivent une loi statistique : le nombre de noyaux diminue globalement, mais les mesures individuelles fluctuent.

💡 Astuce mémo

Désintégrations aléatoires → décroissance globale → demi-vie

📖 7. Datation au carbone 14

★ À maîtriser

• Le carbone 12 possède 6 protons et 6 neutrons, tandis que le carbone 14 possède 6 protons et 8 neutrons et est radioactif.

• Les rayons cosmiques produisent du carbone 14 à partir de l’azote de la haute atmosphère ; le carbone 14 forme ensuite du dioxyde de carbone intégré aux végétaux par la photosynthèse.

• Après la mort d’un organisme, la quantité de carbone 12 reste stable tandis que le carbone 14 se désintègre en azote 14 avec une demi-vie de 5730 ans.

📌 La datation au carbone 14 estime l’âge d’un échantillon en mesurant son carbone 14, en le comparant au carbone 12 et en utilisant une courbe de calibration.

Compléments

• La proportion naturelle du carbone 14 est d’environ un isotope de carbone 14 pour 1000 milliards d’isotopes de carbone 12.

💡 Astuce mémo

Mort de l’organisme → carbone 14 décroissant → âge estimé

📖 8. Exploitation des décroissances

★ À maîtriser

• Pour le thorium 227, la masse est divisée par deux tous les 19 jours ; après 57 jours, il reste 0,125 mg sur 1 mg initial.

Compléments

📌 Après 76 jours, il ne reste que 6,25 % de la masse initiale de thorium 227 dans l’exemple étudié.

• Les déchets des centrales contiennent encore beaucoup d’uranium non consommé et peuvent rester très radioactifs pendant plusieurs milliards d’années.

• Obtenir autant d’énergie qu’avec 1 g d’uranium nécessite de brûler environ 1 tonne de charbon.

📊 Tableaux de synthèse

Fission, fusion et transmutation