Les transformations nucléaires spontanées : les désintégrations radioactives
Les transformations nucléaires spontanées sont dues à l'existence de noyaux radioactifs. Le bilan d'une désintégration radioactive est représenté par une équation nucléaire. Cette équation nucléaire permet de mettre en évidence les lois de conservation de la charge et du nombre de masse.
Les noyaux radioactifs
Les noyaux d'éléments chimiques peuvent exister sous différentes formes appelées isotopes. Certains de ces éléments chimiques sont stables, d'autres sont radioactifs et se désintègrent spontanément.
Les isotopes
Un élément chimique peut posséder plusieurs isotopes. Les isotopes ont un même numéro atomique, mais un nombre de masse différent.
Isotopes
Deux atomes sont isotopes s'ils ont :
- Le même numéro atomique Z : ils correspondent donc au même élément chimique et ont les mêmes propriétés chimiques.
- Un nombre de masse A différent : leur noyau ne contient pas le même nombre de neutrons. Ils ont même une masse différente.
Les atomes de carbone 12 _6^{12}\ce{C} et carbone 14 _6^{14}\ce{C} sont isotopes :
- Le carbone _6^{12}\ce{C} a un noyau composé de 6 protons et de 6 neutrons.
- Le carbone _6^{14}\ce{C} a un noyau composé de 6 protons et 8 neutrons.
La radioactivité
Parmi les isotopes d'un élément chimique, seuls certains sont stables. Les autres se désintègrent spontanément : ils sont radioactifs.
Radioactivité
La radioactivité est le phénomène décrivant la désintégration spontanée des noyaux instables d'une espèce chimique.
Parmi les isotopes du carbone, seul le carbone 12, \ce{_6^{12}C} est stable alors que les carbones 13 \ce{_6^{13}C} et 14 \ce{_6^{14}C} sont radioactifs.
La stabilité des noyaux est liée à leur composition. Certains sont radioactifs car ils comportent un excès de protons ou de neutrons. D'autres sont simplement trop lourds.
Les phénomènes de radioactivité ne concernent que le noyau des atomes, c'est pourquoi on parle de transformations « nucléaires ».
La radioactivité est un phénomène :
- Spontané : Elle se déclenche sans intervention extérieure.
- Aléatoire : On ne peut pas prévoir l'instant de la désintégration.
- Inéluctable : Un noyau instable se désintègrera tôt ou tard.
- Indépendant de la pression et de la température.
Un seul atome de carbone 14 (\ce{_6^{14}C}) peut se désintégrer naturellement au bout de quelques secondes ou après cent mille années. Sa désintégration est aléatoire.
Le bilan d'une désintégration radioactive
On représente le bilan d'une désintégration radioactive par une équation nucléaire. Au cours de cette réaction, un noyau radioactif donne naissance à un noyau plus stable.
Désintégration radioactive
La désintégration radioactive est une réaction nucléaire spontanée au cours de laquelle un noyau radioactif donne naissance à un noyau plus stable.
Le carbone 14 \ce{_6^{14}C} se désintègre spontanément en un atome d'azote 14 \ce{_7^{14}N} et en un électron e^-.
La désintégration radioactive du noyau instable, appelé noyau père et noté _{Z}^{A}X, s'accompagne de l'émission :
- d'un noyau fils, noté _{Z'}^{A'}Y. Généralement, le noyau fils est obtenu dans un état excité et il est noté _{Z'}^{A'}Y^* ;
- d'une particule, notée _{Z''}^{A''}P ;
- d'un rayonnement électromagnétique \gamma (gamma), émis lors de la désexcitation du noyau fils.
Le bilan de la désintégration peut s'écrire :
\bf _{Z}^{A}X \ce{->} _{Z'}^{A'}Y + _{Z''}^{A''}P + \gamma
Le bilan de la désintégration de l'uranium 238 est donné par la réaction nucléaire suivante :
{92}^{238}U \ce{->} _{90}^{234}Th + _{2}^{4}He + \gamma
Dans cette réaction :
- _{90}^{234}Th est le noyau fils ;
- _{2}^{4}He est la particule ;
- \gamma est le rayonnement électromagnétique émis.
Sachant qu'en se désexcitant, le noyau fils émet un rayonnement \gamma, le bilan d'une désintégration peut également s'écrire en indiquant que le noyau fils est formé dans un état excité :
_{Z}^{A}X \ce{->} _{Z'}^{A'}Y^* + _{Z''}^{A''}P
Le bilan de la désintégration de l'uranium 238 est donné par la réaction nucléaire suivante :
_{92}^{238}U \ce{->} _{90}^{234'}Th^* + _{2}^{4}He
Où _{90}^{234'}Th^* \ce{->} _{90}^{234'}Th + \gamma est la réaction d'émission de \gamma.
On distingue trois types de désintégration qui se différencient par la nature de la particule émise :
Les lois de conservation
Lors d'une réaction nucléaire, il y a conservation du nombre de charges (protons) et du nombre de masse (nucléons).
Lois de conservation du nombre de masse et du nombre de charge (loi de Soddy)
Lors d'une désintégration nucléaire, il y a conservation du nombre de charge Z et du nombre de masse (de nucléons) A.
Soit la réaction nucléaire d'une désintégration suivante :
\bf _{Z}^{A}X \ce{->} _{Z'}^{A'}Y^* + _{Z''}^{A''}P
Les lois de Soddy montrent que :
\bf A = A' + A"
\bf Z = Z' + Z"
L'atome d'uranium se désintègre spontanément en thorium 234 (_{90}^{234}Th) et en hélium 4 (_{2}^{4}He) qui sont des noyaux plus stables.
On a :
- A_{Th}=234 et A_{He}=4
- Z_{Th}=90 et Z_{He}=2
D'après les lois de Soddy, on a :
- A_{Th} + A_{He} = 234+4=238=A_U .
- Z_{Th} + Z_{He} = 90+2=92=Z_U.
On a bien conservation du nombre de masse et du nombre de charges.
On peut écrire la réaction nucléaire suivante :
_{92}^{238}U \ce{->} _{90}^{234'}Th^* + _{2}^{4}He
Les transformations nucléaires provoquées
Il existe deux types de transformations nucléaires provoquées : la fusion et la fission nucléaire.
La fusion nucléaire
Les réactions de fusion nucléaire se produisent au cœur des étoiles. Dans les étoiles, la température et la pression très élevées permettent de vaincre la répulsion entre les noyaux. Ces noyaux, de masse faible, peuvent alors s'assembler pour former un noyau plus lourd.
Fusion
La fusion est une réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux légers s'associent et forment un noyau plus lourd.
Une des réactions de fusion nucléaire ayant lieu au cœur du Soleil est la fusion de deux isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, produisant de l'hélium et dégageant un neutron :
_{1}^{2}\text{H} + _{1}^{3}\text{H} \ce{->} _{2}^{4}\text{He}^{*} + _{0}^{1}n
Ce sont les fusions nucléaires qui confèrent aux étoiles leur énergie.
Chaque seconde, le Soleil transforme 600 millions de tonnes d'hydrogène (ou de ses isotopes) en hélium. Ces transformations nucléaires libèrent une immense quantité d'énergie dont une partie se propage jusqu'à la Terre sous forme de rayonnement.
La fission nucléaire
Les réactions de fission nucléaire se produisent lorsqu'un neutron entre en collision avec un noyau lourd. Cette collision provoque l'éclatement du noyau lourd en deux noyaux plus légers.
Fission
La fission est une réaction nucléaire au cours de laquelle l'impact d'un neutron sur un noyau lourd provoque son éclatement en deux noyaux plus légers.
Dans les centrales nucléaires, une des fissions exploitées est celle de l'uranium 235, provoquée par l'impact d'un neutron :
_{0}^{1}n + _{92}^{235}\text{U} \ce{->} _{38}^{94}\text{Sr}^{*} + _{54}^{139}\text{Xe}^{*} + 3 _{0}^{1}n
Les neutrons émis peuvent à leur tour atteindre un noyau cible, rendant possible une réaction en chaîne. Ce phénomène est utilisé dans les centrales nucléaires.
Les réactions de fissions nucléaires libèrent beaucoup d'énergie et sont ainsi exploitées dans les centrales nucléaires. Les noyaux fils étant souvent radioactifs, ces réactions produisent des déchets dangereux (parfois pendant des millions d'années) qu'il faut gérer.
La fission d'un gramme d'uranium 235 produit pratiquement autant d'énergie que la combustion de 69 kg de pétrole.
