Le noyau en action
Certains noyaux sont instables : ils émettent de la radiation au hasard, se désintègrent selon des demi-vies, et — dans les réacteurs et les étoiles — libèrent de l'énergie par fission ou fusion. Cette section couvre la notation atomique, les trois radiations ionisantes avec leurs puissances pénétrantes, les calculs de demi-vie, la réaction en chaîne de fission, et pourquoi la fusion allume les étoiles mais pas nos centrales électriques.
Edexcel International GCSE Physique 4PH1, Section 7 (énoncés 7.1–7.26). Unités : bequerel (Bq), avec le temps en s, min ou h.
Radioactivité
Un atome maintient des protons et des neutrons dans un noyau ; la notation $^{A}_{Z}X$ donne le nombre de masse (nucléon) A et le nombre atomique (protonique) Z. Les isotopes partagent Z mais diffèrent par le nombre de neutrons.
Les noyaux instables émettent — au hasard — alpha α (noyau d'hélium, $^4_2$He), bêta-moins β⁻ (un électron, créé lorsqu'un neutron se transforme en proton) et gamma γ (onde électromagnétique haute énergie, sans particules). Équilibrage : le nombre de masse et la charge sont conservés.
Vérification corrigée. Carbone-14 : $^{14}_{6}C \rightarrow {}^{14}_{7}N + {}^{0}_{-1}e$ — A reste 14 ; charge 6 = 7 + (−1) ✓. Radon : $^{222}_{86}Rn \rightarrow {}^{218}_{84}Po + ^{4}_{2}He$.
Exemple résolu (remplissage). Strontium-90 se désintègre par émission bêta : $^{90}_{38}\text{Sr} \rightarrow {}^{90}_{39}\text{Y} + {}^{0}_{-1}e$. Le nombre de masse reste 90 et le numéro atomique augmente de 1, car un neutron s'est transformé en proton. Uranium-238 se désintègre par émission alpha : $^{238}_{92}\text{U} \rightarrow {}^{234}_{90}\text{Th} + {}^{4}_{2}\text{He}$ ; le nombre de masse diminue de 4 et le numéro atomique de 2. L'émission gamma ne modifie aucun nombre.
| Rayonnement | Nature | Ionisant | Portée dans l'air |
|---|---|---|---|
| alpha | 2p + 2n | le plus intense | quelques cm |
| bêta | électron rapide | moyen | dizaines de cm |
| gamma | onde électromagnétique | le plus faible | mètres |
Détection : film photographique (badge) ou un tube Geiger-Müller. Les rayonnements de fond proviennent des roches et des rayons cosmiques (espace), des aliments, des usages médicaux et des retombées.
L'activité (en becquerels ; 1 Bq = 1 désintégration/s) diminue régulièrement : la demi-vie est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux non désintégrés se désintègrent. Exemple résolu. Source de 800 Bq avec une demi-vie de 6 h : après 24 h (4 demi-vies), l'activité est de $= 800/2^4 = 50$ Bq.
Exemple résolu (demi-vie à partir de comptages, avec bruit de fond). Un tube Geiger-Müller enregistre 680 coups par minute depuis un échantillon ; le bruit de fond est de 40 coups par minute. Douze jours plus tard, il enregistre 120 coups par minute.
- Comptages corrigés : $680 - 40 = 640$ au départ et $120 - 40 = 80$ à la fin.
- $640 \to 320 \to 160 \to 80$ correspond à trois demi-vies en 12 jours, donc la demi-vie est de $12 \div 3 = 4.0$ jours.
Diviser 680 par deux trois fois donne 85, pas 120 : omettre le bruit de fond donne une réponse erronée.
Utilisations : traceurs médicaux (courte demi-vie, gamma), traitement du cancer, stérilisation, contrôle d'épaisseur (bêta traversant le papier). La contamination (matériau radioactif sur vous — doit être éliminé) diffère de l'irradiation (exposition au rayonnement — s'arrête lorsque la source disparaît). Dangers : mutation de l'ADN, dommages cellulaires et tissulaires ; les déchets radioactifs doivent être stockés en sécurité pendant leur longue durée de vie.
Fission et fusion
Fendre un gros noyau ou joindre deux petits noyaux — les deux libèrent de l'énergie et alimentent chacun une machine différente.
La fission : un neutron frappe un U-235, le scindant en deux noyaux filles radioactifs, 2–3 neutrons et énergie cinétique — et si ces neutrons frappent d'autres U-235, une réaction en chaîne s'enclenche. Le modérateur ralentit les neutrons afin qu'ils fendent les noyaux efficacement ; les barres de commande absorbent les neutrons pour maintenir le taux constant ; le blindage protège les travailleurs. La fusion réunit de petits noyaux en un plus grand, convertissant la masse en énergie — source du Soleil. La fusion nécessite une température et une pression énormes car les protons chargés positivement se repoussent électrostatiquement — les noyaux doivent entrer en collision assez vite pour surmonter cette répulsion.
Erreurs courantes
- Dire qu'une particule bêta provient des couches électroniques. Elle est produite dans le noyau lors de la transformation d'un neutron en proton.
- Diminuer le numéro atomique lors d'une désintégration bêta. La désintégration bêta moins augmente le numéro atomique de 1 ; la désintégration alpha le diminue de 2 et le nombre de masse de 4.
- Croire que deux demi-vies éliminent tout l'échantillon. Après deux demi-vies, un quart subsiste ; après trois, un huitième.
- Oublier de soustraire le fond avant de diviser par deux.
- Qualifier gamma comme le plus dangereux car il est le plus pénétrant. À l'intérieur du corps, alpha cause le plus de dommages car il est le plus ionisant.
- Confondre contamination et irradiation. Un objet irradié ne devient pas radioactif.
- (P) Dire que les barres de contrôle ralentissent les neutrons. Le modérateur les ralentit ; les barres de contrôle les absorbent.
Vérifiez-vous
- Dans $^{19}_{9}F$, indiquez les nombres de protons, de neutrons et d'électrons dans l'atome neutre.
- Nommez les trois types de rayonnements ionisants et leurs natures.
- Rédigez l'équation complète de la désintégration alpha de $^{226}_{88}Ra$.
- Quel rayonnement est arrêté par du papier, et lequel traverse l'aluminium ?
- Citez deux sources de rayonnement de fond.
- Définissez la demi-vie.
- Une source de 3200 Bq a une demi-vie de 8 jours. Calculez son activité après 32 jours.
- Énoncez la différence entre contamination et irradiation.
- Nommez les rôles du modérateur, des barres de contrôle et du blindage dans un réacteur.
- Pourquoi la fusion nécessite-t-elle de telles températures élevées ?
Réponses : 1 9 protons, 10 neutrons, 9 électrons ; 2 alpha — noyau d'hélium (2p+2n) ; bêta-moins — électron rapide ; gamma — onde électromagnétique haute énergie ; 3 $^{226}_{88}Ra \rightarrow {}^{222}_{86}Rn + {}^{4}_{2}He$ ; 4 alpha arrêté par du papier ; gamma traverse l'aluminium (nécessite du plomb épais) ; 5 n'importe lesquels : roches/matériaux de construction, rayons cosmiques, aliments/boissons, médical, gaz radon, retombées nucléaires ; 6 le temps nécessaire pour que la population radioactive non désintégrée attendue ou l'activité de la source diminue de moitié ; 7 32 jours = 4 demi-vies : $3200 \rightarrow 1600 \rightarrow 800 \rightarrow 400 \rightarrow 200$ Bq ; 8 contamination — matériau radioactif collé à soi, danger persiste jusqu'à élimination ; irradiation — exposition aux radiations provenant d'une source, cesse lorsque la source est retirée ; 9 modérateur ralentit les neutrons pour une fission efficace ; barres de contrôle absorbent les neutrons pour réguler le taux ; blindage absorbe les radiations s'échappant pour protéger les travailleurs ; 10 les protons chargés positivement de deux noyaux se repoussent électrostatiquement, donc les noyaux doivent entrer en collision à une vitesse énorme — atteinte uniquement à très haute température et pression — pour se rapprocher suffisamment pour fusionner.