Structure atomique

La radioactivité existe depuis plus d'un siècle, mais elle soigne toujours le cancer, alimente les réseaux et exige des règles de sécurité strictes. Cette référence couvre AQA GCSE Physique 8463, sujet 4.4 Structure atomique.

Comment ce sujet est abordé à l'examen :

• Papier 1 (4.1–4.4) couvre ce sujet. Le soutien de la fiche d'équations dépend de la série d'examen. Pratiquer la notation, les équations équilibrées, les graphiques et les explications ainsi que les calculs.
• Rayonnement de fond, dangers de la demi-vie, utilisations et fission/fusion sont physique uniquement.
• Les rapports de décroissance nette après plusieurs demi-vies sont Niveau Supérieur.
• Vous devez écrire des équations nucléaires équilibrées pour la désintégration alpha et bêta simple (équilibrer les numéros atomiques et les nombres de masse ; le nom du produit fils n'est pas requis).

Un atome est très petit : rayon d'environ $1\times10^{-10}$ m. Sa structure :

• Noyau : chargé positivement, avec des protons et des neutrons ; contient la majeure partie de la masse de l'atome, mais a un rayon inférieur à 1/10 000 de celui de l'atome.
• Électrons : chargés négativement, disposés en niveaux d'énergie. L'absorption de rayonnement électromagnétique déplace un électron vers un niveau supérieur, plus éloigné du noyau ; l'émission le déplace vers un niveau inférieur, plus proche.

Notation : $\ ^{A}_{Z}X$ où $Z$ = numéro atomique (protons) et $A$ = nombre de masse (protons + neutrons). Dans un atome neutre, électrons = protons ; les atomes n'ont pas de charge globale.

• Isotopes : atomes d'un même élément (même $Z$) mais ayant un nombre différent de neutrons (différents $A$).
• Nombre de neutrons dans le noyau = $A - Z$.
• Les atomes qui perdent un ou plusieurs électrons externes deviennent des ions positifs.

Exemple résolu. Carbone-14 : $\ ^{14}_{6}\text{C}$.

• Protons = 6 ; électrons = 6 (neutre) ; neutrons = $14 - 6 = 8$.
• Le carbone-12 possède 6 neutrons — même élément, nombre de neutrons différent : ce sont des isotopes.

De nouvelles données expérimentales peuvent modifier ou remplacer un modèle scientifique :

1. Avant la découverte de l'électron : les atomes étaient considérés comme de minuscules sphères indivisibles.
2. Découverte de l'électron → le modèle du pudding aux pruneaux : une sphère de charge positive avec des électrons négatifs encastrés à l'intérieur.
3. Diffusion alpha (Rutherford) : la plupart des particules alpha traversaient directement, certaines rebondissaient → la masse et la charge positive devaient être concentrées au centre → le modèle nucléaire a remplacé le pudding aux pruneaux.
4. Bohr l'a adapté : les électrons orbitent à des distances spécifiques ; ses calculs correspondaient aux observations.
5. Des travaux ultérieurs ont montré que la charge positive se présente en unités entières — le proton ; les expériences de Chadwick (environ 20 ans plus tard) ont prouvé l'existence du neutron.

Expliquer la preuve qui a modifié le modèle : si le modèle au pudding était correct, les particules alpha devraient toutes passer avec de faibles déviations (B1) ; certaines rebondissent presque tout droit vers l'arrière (B1), ce qui n'est possible que si la masse et la charge positive sont concentrées dans un minuscule noyau dense et positif (B1).

Certains noyaux sont instables. Ils émettent des radiations lorsqu'ils se transforment pour devenir plus stables — un processus aléatoire appelé désintégration radioactive.

• Activité : le taux de désintégration d'une source ; unité becquerel (Bq).
• Taux de comptage : nombre de détecteurs par seconde, après prise en compte du bruit de fond si nécessaire. Un détecteur enregistre généralement seulement une partie des émissions ; son taux de comptage n'est pas automatiquement l'activité de la source en Bq.

Rayonnement	Identité	Pouvoir ionisant	Blindage
alpha α	noyau d'hélium	fort	papier / peau
bêta β	électron rapide	moyen	mm d'aluminium
gamma γ	rayonnement électromagnétique	faible	le plomb épais le réduit

L'alpha contient deux protons et deux neutrons et ne parcourt que quelques centimètres dans l'air. Le bêta est émis lorsqu'un neutron se transforme en proton ; sa portée dans l'air est plus grande. Le gamma a la plus grande portée de ces trois types et est réduit, mais non totalement arrêté, par du plomb ou du béton épais. Un noyau peut également émettre un neutron ; les propriétés détaillées des neutrons ne sont pas requises ici.

Choisissez une source pour une application en associant ces propriétés : alpha pour les détecteurs de fumée (la fumée réduit le courant d'ionisation) ; bêta pour le contrôle d'épaisseur (partiellement absorbé par la feuille) ; gamma pour les traceurs (quitte le corps) et la stérilisation (traverse les emballages et endommage les micro-organismes). Une source scellée réduit le risque de contamination ; elle ne justifie pas de négliger les précautions de manipulation.

Activité à partir d'un graphique. Sur un graphique représentant le nombre de noyaux non désintégrés en fonction du temps, tracez une tangente au temps indiqué. Sa pente descendante correspond au taux de diminution du nombre de noyaux ; l'activité est la valeur absolue positive, en Bq. Lisez deux points bien espacés sur la tangente, et non deux points quelconques sur la courbe.

Exemple résolu (écrit par l'enseignant). La tangente approximative passe par $(0\ \text{s},68000)$ et $(200\ \text{s},12000)$.

Ceci est une estimation basée sur une tangente tracée. La demande AQA de juin 2024 8463/1H Q09.5 exige la même méthode sur son propre graphique à 300 s ; sa réponse officielle est $7.1\times10^{20}$ Bq. Ce sont des graphiques et des données différents.

Équilibrez les numéros de masse (en haut) et les numéros atomiques (en bas) des deux côtés :

• Désintégration alpha : le noyau perd 4 sur le numéro de masse et 2 sur le numéro atomique.
  $$^{238}_{\ 92}\text{U} \rightarrow\ ^{234}_{\ 90}\text{Th} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• Désintégration bêta : un neutron se transforme en proton ; le numéro de masse reste inchangé, le numéro atomique augmente de +1 ; la particule bêta est $\ ^{0}_{-1}\text{e}$.
  $$^{14}_{\ 6}\text{C} \rightarrow\ ^{14}_{\ 7}\text{N} +\ ^{0}_{-1}\text{e}$$
• Émission gamma : ne change aucun des deux numéros.

Exemple résolu. Le Polonium-210 se désintègre par émission alpha. Écrivez l'équation.

• L'émission alpha retire 4 et 2 : $A: 210 - 4 = 206$ ; $Z: 84 - 2 = 82$.
  $$^{210}_{\ 84}\text{Po} \rightarrow\ ^{206}_{\ 82}\text{X} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• Vérifiez que les deux lignes s'équilibrent ✓ (le nom de la fille n'est pas requis).

La désintégration est aléatoire : elle ne peut pas être prédite pour un noyau unique ; seul le comportement moyen d'un grand nombre de noyaux est prévisible.

Demi-vie : le temps nécessaire pour que (a) le nombre de noyaux de l'isotope dans un échantillon diminue de moitié, ou (b) le taux net de comptage / l'activité chute à moitié de sa valeur initiale. Soustrayez d'abord le fond de bruit des lectures du détecteur et conservez la géométrie du détecteur inchangée.

• À partir d'un graphique : relevez le temps nécessaire pour que le taux de comptage diminue de moitié — répétez sur plusieurs réductions halves et faites une moyenne.
• Après $n$ demi-vies, la fraction restante est $1/2^n$ (HT : exprimez sous forme de rapport).

Exemple résolu. L'activité d'un échantillon passe de 800 Bq à 200 Bq en 12 ans.

• Réductions halves : $800 \to 400 \to 200$ correspond à deux réductions halves.
  $$t_{1/2} = \frac{12\ \text{years}}{2} = 6\ \text{years}$$

Demande réelle AQA, juin 2025 8463/1H Q07.4 : le polonium-210 a une demi-vie de 138 jours. Le nombre d'atomes passe de 256 000 à 16 000 : quatre demi-vies, donc le temps est $4 \times 138 = 552$ jours. Q07.5 compare des nombres égaux d'atomes de Po-209 et Po-210 : le Po-209 ayant une durée de vie plus longue présente une activité inférieure. La condition de population égale est importante.

• Contamination : atomes radioactifs indésirables sur ou à l'intérieur d'un objet ou d'une personne. Le danger persiste tant que les atomes y restent, en se désintégrant sur ou dans le corps.
• Irradiation : exposition d'un objet au rayonnement. L'objet irradié ne devient pas radioactif.

La contamination peut continuer à irradier les tissus tant que les atomes radioactifs demeurent présents. L'exposition provenant d'une source externe cesse lorsque cette source est retirée ou efficacement blindée. Comparez l'activité de la source, le type de rayonnement, la distance, la durée d'exposition et si le matériau est à l'intérieur du corps ; la contamination n'est pas toujours la dose la plus élevée. L'alpha externe a une faible pénétration et est arrêté par la peau, mais en interne, son forte ionisation peut endommager les tissus vivants voisins.

Précautions : manipulez les sources avec des pinceaux, maintenez-les à distance, limitez le temps passé à proximité, pointez-les loin des personnes, stockez-les dans des boîtes revêtues de plomb. Les conclusions sur les effets des radiations sont publiées et évaluées par les pairs afin qu'elles puissent être vérifiées.

Le rayonnement de fond nous entoure tout le temps :

• naturelle : roches (gaz radon), rayons cosmiques venant de l'espace, aliments et isotopes naturellement présents dans le corps;
• d'origine humaine : retombées des essais d'armes, accidents nucléaires, utilisations médicales.

La dose dépend de la profession et du lieu (altitude élevée, certaines industries). Unité de dose : sieverts (1000 mSv = 1 Sv ; rappel non requis).

Les mesures d'un échantillon doivent soustraire le taux de comptage de fond en premier.

Demi-vie et danger : pour un nombre égal de noyaux instables, une demi-vie plus courte signifie une activité plus grande. La quantité et les conditions d'exposition comptent également. Une source à longue durée de vie peut nécessiter un stockage sécurisé pendant de nombreuses années. Un traceur médical doit rester actif suffisamment longtemps pour l'examen, puis se désintégrer rapidement pour réduire la dose ultérieure. Une source d'alarme contre l'incendie doit rester utile pendant des années.

Utilisations médicales (chaque = exploration ou destruction) :

• Exploration : un traceur émetteur de gamma (par exemple technétium-99m) injecté pour visualiser les organes sur une radiographie ; le gamma quitte le corps ; une demi-vie appropriée et courte limite la dose après l'examen.
• Destruction : faisceaux de gamma focalisés ou sources implantées détruisent les cellules cancéreuses (radiothérapie) ; bêta pour les affections cutanées.

Évaluation du risque : comparer la dose et les conséquences de la procédure au risque lié à la maladie — avec les chiffres fournis dans l'énoncé.

Fission : fission d'un noyau lourd et instable (uranium-235, plutonium-239).

• La fission spontanée est rare : le noyau absorbe généralement d'abord un neutron.
• Il se scinde en deux noyaux plus petits de taille approximativement égale, libérant deux ou trois neutrons et rayons gamma ; énergie libérée et tous les produits possèdent une énergie cinétique.
• Les neutrons libérés peuvent provoquer d'autres fissions — une réaction en chaîne. Un réacteur la contrôle (barres de contrôle absorbent les neutrons) ; l'explosion d'une arme est une réaction en chaîne non contrôlée.
• Vous devez dessiner ou interpréter le schéma : neutron entrant → deux fragments + neutrons sortants → réaction en chaîne ramifiée.

Fusion : deux noyaux légers se rejoignent pour former un noyau plus lourd ; une partie de la masse se convertit en énergie sous forme de rayonnement. Pour fusionner, les noyaux chargés positivement doivent s'approcher malgré leur répulsion électrique. Ne décrivez pas la fusion comme une liaison chimique ni n'affirmez que tous les systèmes de fusion sont sans déchets.

• Trouver les protons, neutrons et électrons à partir de $A,Z$ ; identifier les isotopes et les ions.
• Expliquer comment les preuves expérimentales ont modifié les modèles atomiques.
• Comparer les propriétés α/β/γ et sélectionner des sources adaptées à une application.
• Équilibrer les équations alpha/bêta simples et vérifier les deux lignes.
• Trouver la demi-vie et la diminution nette (HT) ; déterminer l'activité à partir de la pente d'une tangente.
• Soustraire le bruit de fond ; distinguer les comptages du détecteur de l'activité de la source.
• Comparer les risques d'irradiation/contamination et les précautions correspondantes.
• (physique uniquement) Expliquer le bruit de fond, les applications médicales, les choix de demi-vie ainsi que la fission/fusion.

Erreurs courantes

• Inverser le nombre de masse et le numéro atomique. Le chiffre du haut correspond à protons + neutrons ; celui du bas aux protons ; les neutrons = chiffre du haut − chiffre du bas.
• Modifier le nombre de masse lors d'une désintégration bêta. Un neutron devient un proton et un électron quitte le noyau : le numéro atomique augmente de 1, le nombre de masse reste inchangé.
• Penser que deux demi-vies éliminent l'intégralité de l'échantillon. Après deux demi-vies, il reste $\tfrac14$ ; après trois, il reste $\tfrac18$.
• Lire une demi-vie sans soustraire le bruit de fond. Corriger d'abord chaque comptage, sinon l'activité semble décroître trop lentement.
• Dire qu'un objet irradié devient radioactif. Seule la contamination dépose des atomes radioactifs sur ou dans lui.
• Qualifier le rayonnement gamma de le plus dangereux partout. Le gamma pénètre le plus mais ionise le moins ; l'alpha à l'intérieur du corps est le plus nocif.
• Confondre fission et fusion. La fission scinde un noyau lourd (uranium, plutonium) ; la fusion assemble des noyaux légers (hydrogène dans les étoiles).