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Marianne

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Énergie et réaction nucléaire

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Stabilité des noyaux

  • La radioactivité est la désintégration spontanée des noyaux instables.
  • La vallée de la stabilité représente l’ensemble des noyaux stables.
  • Le défaut de masse est la différence entre la masse du noyau et celle de la somme de la masse de ses nucléons (ZZ protons et NN neutrons) pris séparément :

Δm=(Z×mpro+A×mneu)mnoy\Delta m=(Z\times m{\text{pro}}+A\times m{\text{neu}})-m_{\text{noy}}

  • L’énergie de liaison ElEl est l’énergie qu’il faut fournir pour dissocier un noyau en ses nucléons isolés : El=Δmc2El=\frac{\Delta m}{c^2}
  • Compte tenu de l’ordre de grandeur très faible de cette énergie, on l’exprime en électron-Volt (eV) : 1eV=1,6×1019J1eV=1,6\times 10^{-19}\text{J}
  • L’énergie de liaison par nucléon est le rapport de l’énergie de liaison d’un noyau par son nombre de masse : ElA\frac{E_l}{A}, plus ce rapport est grand, plus le noyau est stable.

Les différentes désintégrations

  • Une désintégration radioactive est une réaction nucléaire spontanée au cours de laquelle un noyau radioactif (dit noyau père) se dégrade en un noyau plus ou moins stable (dit noyau fils).
  • Le bilan d’une désintégration radioactive s’écrit :

ZAXZAY+Z"A"P+γ^{A}{Z}X\rightarrow ^{A'}{Z'}Y+^{A"}_{Z"}P+\gamma

  • La loi de Soddy impose que lors d’une réaction nucléaire le nombre de masse A et le numéro atomique Z sont conservés :

ZAXZAY+Z"A"P+γ^{A}{Z}X\rightarrow ^{A'}{Z'}Y^*+^{A"}_{Z"}P+\gamma

  • A=A+AA=A'+A''
  • Z=Z+ZZ=Z'+Z''
  • L’activité AA d’un échantillon de matière radioactive est le nombre de désintégrations par seconde.
  • Cette activité diminue au cours du temps, l’activité diminue de moitié au bout d’une durée nommée période radioactive (ou t12t\frac{1}{2}).
  • Une réaction nucléaire est spontanée, aléatoire, inéluctable et ne dépend pas de la pression ou de la température.
  • Il existe trois types de radioactivité selon les particules émises :
  • la radioactivité α\alpha :
    Elle concerne des noyaux lourds, c’est l’émission d’une particule α\alpha qui est en fait un noyau d’hélium 24He^{4}_{2}\text{He}, selon le bilan :

ZAXZ2A4Y+24He^{A}{Z}{X}\rightarrow^{A-4}{Z-2}{Y}+^{4}_{2}\text{He}

  • la radioactivité β\beta^- :
    Elle concerne les noyaux qui ont trop de neutrons, c’est l’émission d’une particule β\beta^- c’est-à-dire un électron qu’on note 10e^{0}_{-1}e. Un neutron se transforme en proton avec émission d’énergie et d’une particule de masse négligeable, l’antineutrino. Cette réaction est possible grâce à l’interaction faible.
    Le bilan de cette réaction est :

ZAXZ+1AY+1  0e^{A}{Z}X\rightarrow^{A}{Z+1}Y+_{\scriptsize-1}^{~~\scriptsize0} e

  • la radioactivité β+\beta^+
    Elle concerne les noyaux qui ont trop de protons, c’est l’émission d’une particule β+\beta^+ c’est-à-dire un positon qu’on note 10e^{0}_{1}e, le positon est l’antimatière de l’électron.
    Un proton se transforme en neutron avec émission d’énergie et d’une particule de masse négligeable le neutrino cette réaction est possible grâce à l’interaction faible.
    Le bilan de cette réaction est :

ZAXZ1AX+10e^{A}{Z}X\rightarrow^{A}{Z-1}X+^{0}_{1}e

Radioactivité artificielle

  • Les réactions de fission nucléaire sont provoquées par des bombardements de petites particules très rapides sur des gros noyaux instables qui se cassent en deux noyaux fils et d’autres particules.
  • Les réactions de fusion nucléaire sont la fusion de deux noyaux légers en un noyau plus lourd, plus d’autres particules.

Étude énergétique des réactions nucléaires

  • Lors d’une réaction nucléaire, il y a une différence de masse entre la masse des réactifs et celle des produits, c’est la perte de masse Δm\Delta m :

Δm=mreˊactifsm,produits\Delta m=m{\text{réactifs}} - m,{\text{produits}}

  • L’énergie libérée lors d’une réaction nucléaire est liée à sa perte de masse: El=Δm×c2E_l=\Delta m\times c^2