Physique nucléaire
Le noyau représente un millionième de l'atome mais concentre presque toute sa masse — et les noyaux instables émettent de l'énergie sous forme de rayonnement, de fragments de fission ou de fusion qui allument les étoiles. Le septième module d'OxfordAQA traite du modèle nucléaire, des trois types de radiations, de la demi-vie, de la contamination contre l'irradiation, des réacteurs et de la (P) fusion.
Physique International GCSE OxfordAQA 9203, module 3.7 (Version 5.1). Les affirmations marquées (P) concernent uniquement le Paper-2-.
Structure atomique
Un atome mesure environ 10⁻¹⁰ m de diamètre : un minuscule noyau positif (protons et neutrons, concentrant presque toute la masse) entouré d'électrons — preuve de Rutherford par la diffusion alpha d'un noyau concentré. Masse du proton 1 charge +1 ; masse du neutron 1 charge 0 ; charge de l'électron −1, masse négligeable. Un atome neutre a autant de protons que d'électrons ; les atomes perdent ou gagnent des électrons pour devenir des ions.
${}^{A}_{Z}X$ : A = nombre de masse (protons + neutrons), Z = nombre protonique ; les isotopes partagent Z et diffèrent par leur nombre de neutrons.
Rayonnements ionisants provenant du noyau
Les noyaux instables se désintègrent aléatoirement, insensibles à la chimie ou à la physique, en émettant :
| Rayonnement | Nature | Ionisant | Portée dans l'air |
|---|---|---|---|
| alpha | 2p + 2n (noyau d'hélium) | le plus fort | quelques cm |
| bêta-moins | électron rapide (neutron → proton) | moyen | dizaines de cm |
| gamma | onde électromagnétique | le plus faible | mètres |
Les équations nucléaires conservent le nombre de masse et la charge : ${}^{238}_{92}U \rightarrow\, {}^{234}_{90}Th +\, {}^{4}_{2}He$ (alpha) ; ${}^{14}_{6}C \rightarrow\, {}^{14}_{7}N +\, {}^{0}_{-1}e$ (bêta). Le rayonnement de fond provient des roches, de l'espace, des aliments et des dispositifs médicaux. (P) La demi-vie est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux (ou le taux de comptage) se désintègre — la plupart des noyaux instables ont une demi-vie courte ; les moins instables persistent sur des millénaires. La contamination (atomes radioactifs sur vous) est un danger persistant ; l'irradiation expose sans rendre radioactif. Dangers : mutations, dommages cellulaires et tissulaires.
Fission nucléaire et (P) fusion
La fission divise un gros noyau instable : U-235 ou Pu-239 absorbe un neutron, se scinde en deux noyaux plus petits avec 2–3 neutrons et bien plus d'énergie que toute réaction chimique. Les neutrons frappant d'autres noyaux déclenchent une réaction en chaîne ; dans un réacteur, les barres de contrôle absorbent les neutrons pour maintenir une fission par neutron.
Les déchets radioactifs restent dangereux pendant des durées déterminées par leur demi-vie — un coût de gestion des déchets pour l'énergie nucléaire. (P) La fusion joint deux noyaux légers en un plus lourd, convertissant la masse en énergie : elle alimente les étoiles, mais les noyaux positifs se repoussent, nécessitant donc des températures et pressions extrêmes.
Vérifiez-vous
- Donnez les masses relatives et les charges du proton, du neutron et de l'électron.
- Dans ${}^{19}_{9}F$, combien y a-t-il de protons et de neutrons ?
- Que révèle l'expérience de diffusion alpha sur l'atome ?
- Nommez les trois radiations et leurs natures.
- Quelle radiation est arrêtée par du papier, et laquelle pénètre l'aluminium ?
- Équilibrez la désintégration alpha de ${}^{226}_{88}Ra$.
- (P) Définissez la demi-vie.
- (P) Expliquez la différence entre contamination et irradiation.
- Que font les barres de contrôle dans un réacteur ?
- (P) Pourquoi la fusion nécessite-t-elle des températures extrêmes ?
Réponses : 1 proton 1, +1 ; neutron 1, 0 ; électron ~0, −1 ; 2 9 protons, 10 neutrons ; 3 masse et charge concentrées dans un noyau minuscule — la plupart des alphas traversent, quelques-uns rebondissent ; 4 alpha = noyau de He ; béta = électron rapide ; gamma = onde EM ; 5 alpha ; gamma (plomb épais) ; 6 ${}^{226}_{88}Ra \rightarrow\, {}^{222}_{86}Rn +\, {}^{4}_{2}He$ ; 7 (P) temps nécessaire pour que le nombre de noyaux (ou le taux de comptage) soit divisé par deux ; 8 (P) contamination — matériel radioactif sur vous jusqu'à élimination ; irradiation — exposition qui cesse dès que la source disparaît ; 9 absorber les neutrons, maintenant la réaction à un fission par neutron ; 10 (P) noyaux positifs se repoussent, ils doivent donc entrer en collision très rapidement.