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05/10/2017 1 l’atome La Radio acti vité

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1

l’atome

La

Radio

acti

vité

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.

Puissance 10

Historique Antiquité : philosophe grec: Démocrite: idée d’une partie de matière insécable

1895 - Les rayons X - Rœntgen (A)

1896 - découverte de « rayons » émis par des sels d'Uranium - H. Becquerel (F)

1898 – découverte du Polonium puis du Radium - P. et M. Curie (F)

1899 – Rutherford élabore une théorie du phénomène radioactif

1915 - Structure de l'atome - Bohr (D) noyau, protons , électrons

1932 –Chadwick met en évidence le neutron

1934 - La radioactivité artificielle - F. Joliot et I. Curie (F)

1938-39 - La fission de l'Uranium - Hahn, Strassmann, Meitner (A)

1939 - La réaction en chaîne - brevet Joliot et Kowarsky (F)

1942 -la pile atomique de Fermi (Chicago)

1945 – l’arme atomique

1948 - La pile ZOE (REA) (F - EL1) 1952 - Pile expérimentale (F - EL2)

1957 - Pile expérimentale (F - EL3)

1956 Marcoule (kWh nucléaire) (F - G 1)

1966 Brennilis (F- EL4)

Futur: La fusion - ( le soleil sur terre) TOKOMAK et ITER

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R/d environ 10 000

d

L’atome

Modèle de

Niels BOHR

un noyau

R environ 1 angström = 10-10 m = 0,1 nanomètre

= 1/10 de milliardième de mètre

des électrons

L’atome

d’hydrogène

e-

1 électron -

1 proton +

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Proton

1 charge +

Neutron

Charge 0

1 proton +

1 électron

1 charge -

Exemple d’atome simple

2 protons ++

2 neutrons

2 électrons - -

Électron

Charge -

Au centre un noyau constitué de protons

et de neutrons

Des électrons gravitent autour du noyau

sur des orbites

La charge électrique du noyau est

positive.

La charge des électrons est négative et

opposée.

Les forces sont de nature électrique.

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1 proton peut se transformer en 1

neutron avec éjection d’un électron de

charge positive et d’un neutrino

(radioactivité Béta plus)

1 proton qui a une charge positive +

et reçoit une charge e - devient 1

neutron en libérant 1 neutrino

1 électron qui s’en va de l’atome :

radioactivité Beta moins

La dimension de chaque atome s’exprime

en ANGSTRÖM 1/10 milliardième de mètre

La dimension de l’atome est de l’ordre de l’angström.

C’est la dimension des orbites électroniques mais le noyau est

10 000 fois plus petit.

Chaque atome a ses dimensions bien particulière

Le plus petit de 0,3 angström

Les plus grands 3 angströms

1 angström = 10-10

m = 0,1 nanomètre

= 1/10 de milliardième de mètre

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La Structure électronique de l’atome est en

couches déterminées par la mécanique

quantique

Dans l’ordre de remplissage K,L,M, N, O ….

K

L

M

Les électrons sont répartis selon des couches

définies par la mécanique quantique

K

L

M

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Atome de fluor

Entre chaque couche et sous

couche pour chaque atome,

des différences de niveau

d’énergie. Les électrons vont

« sauter » spontanément ou

sous l’effet d’un « chocs

externe », d’une sous-couche

et couche libérant une

énergie caractéristique de

chaque atome représentée ici

par des vecteurs. Chaque

longueur de vecteur

correspond à une énergie

précise libérée à chaque saut

d’électron qui se réarrange

d’une sous-couche ou couche

à une autre.

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On a vu le noyau le plus simple, l’Hydrogène.

Le noyau le plus lourd existant naturellement est

l’uranium : 92 protons et 146 neutrons; on peut dire

Uranium 238 (92 + 146) , mais il existe aussi

uranium 235 (143 neutrons), uranium 234 (142

neutrons), toujours 92 électrons …

Ces Uranium sont nommés isotopes de l’Uranium…

Il existe, ou on peut fabriquer, de nombreuses

combinaisons de nombre de protons et de nombre de

neutrons mais celles-ci seront plus ou moins stables

selon le « nuage » ci-dessous; en noir les plus stables,

moins stable quand le rapport neutron / proton s’écarte

de la zone médiane noire

Nb de neutrons

Nb de protons

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Numéro atomique : c’est le nombre de protons du noyau

Il caractérise un élément en chimie H =1, O=8, C= 6, U =92…. )

Masse atomique: cette notion permet de faire la relation entre

l’échelle atomique et notre échelle de perception habituelle.

Par convention on prend la masse du noyau d’hydrogène (un

proton) masse 1 ; le neutron a aussi une masse atomique de 1

La masse atomique d’un atome est la somme du nombre de

protons et de neutrons (Uranium 238 (92 + 146) .

Pour l’écriture la lettre est le symbole atomique de l’élément,

le chiffre en bas à gauche est le numéro atomique

Le chiffre en haut à gauche est la masse atomique nombre de

proton plus nombre de neutron : mais comme U pour uranium

est nécessairement 92 on dit aussi uranium 238 et même

parfois U8

H

1

1 U n 0

1 238

92 O 8

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Neutron hydrogène oxygène uranium

• On parle de la notion d’atome-

gramme directement liée à la masse

atomique. Le nombre d’atomes dans

un atome gramme est de 6,02. 10

puissance 23 : 6,02. 1023

: c’est le

nombre d’Avogrado.

• Il en est ainsi pour tous les « atomes

-gramme): 1 gramme d’hydrogène

contient 6,02 .1023

atomes élémentaires

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Les associations d’atomes dépendent des électrons de la

couche externe de chaque atome et de forces électriques

correspondantes., on est dans le domaine des réactions

chimiques atomes, molécules, chaines de molécules

-l’hydrogène 1 (une couche K) et l’oxygène 8 (une couche K

complète à 2 et une couche L à 6 associent leurs

électrons périphériques (hydrogène manque 1 e - et

oxygène manque 2 e- dans sa dernière couche

périphérique)

-les gaz « rares » ou neutres chimiquement: couche

extérieure complète : K 2(He), K2 L 8 (Ne),K2L8M16Ar etc

-Ceci conduit au classement des éléments de la matière dit

Tableau périodique ou Tableau de Mendeleïev; les

éléments d’une même colonne ont les mêmes propriétés

chimiques(valence).

L’hydrogène a un électron périphérique, il en manque UN à

l’hydrogène pour sa couche périphérique ; il en manque DEUX

à l’oxygène pour compléter sa couche périphérique à 8 donc

deux électrons d’hydrogène en commun, pour faire une

molécule d’eau H2O

H H

O

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à suivre les Lavoisides

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lanthanides

actinides

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Molécule? Molécule gramme?

Les atomes s’associent pour former des molécules :

Hydrogène H et oxygène O s’associent pour former de l’eau mais il faut

deux atomes d’hydrogène pour un atome d’oxygène on écrit

H2 + O donne H2O

H: 1 proton et O: 8 protons et 8 neutrons donnent O16

Pour revenir à notre échelle on rappelle la convention de l’atome-gramme

d’H qui est de un g . L’atome gramme d’oxygène sera: O 16 : 8 protons et 8

neutrons donc 16 g soit en poids d’une mole-gramme d’eau : 2g + 16g =18 g

La molécule gramme (mole) de gaz oxygène O 2 (16+16 =32g) dans les

conditions « normales » de température et de pression occupe un volume

de 22,4 litres. Le nombre de molécule élémentaire correspondant à une mole est de 6,023

x 10 puissance 23,

et ainsi quel que soit le gaz. On retrouve le nombre d’Avogadro

6,023 x 10 puissance 23

Une mole-gramme d’eau fera :

2g d’hydrogène H2 + 16g d’oxygène O =18 g Il y a toujours le même nombre de molécules dans des volumes égaux de

gaz différents pris dans les mêmes conditions de température et de

pression.

Notion d’isotope

Prenons l’exemple du chlore naturel; le numéro atomique du

chlore est de 17 (17 protons dans le noyau).

Selon les définitions précédentes les éléments du tableau

devraient avoir une masse atomique (neutrons plus protons)

«nombre entier »; hors mesurés précisément les chiffres s’en

éloignent parfois notablement:

Pour le chlore naturel on trouve 35,5 pourquoi? En fait il y a

plusieurs « variétés » de chlore stable dans la nature:

Le chlore 35 d’abondance naturelle de 75,76 %

Le chlore 37 d’abondance naturelle de 24,24%

Le chlore 35 a 18 neutrons dans le noyau

Le chlore 37 a 20 neutrons dans le noyau

Au point de vue chimique ils ont les mêmes propriétés mais au

point de vue physique et surtout nucléaire ça change tout . Il

s’agit d’isotopes naturels du chlore.

C’est une notion essentielle pour la radioactivité

On parlera du chlore 35 et du chlore 37

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Isotopes naturels de l’Hydrogène

Deutérium

Hydrogène

Tritium

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L’abondance relative des isotopes

naturels est utilisée pour des études

en paléontologie, paléoclimatologie

car ce rapport a pu varier dans le

temps et dans l’espace , sur la Terre

(volcanologie) ou pour démontrer

l’origine de matériaux extérieurs au

système solaire (météorites)

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Les puissances de 10

1 10 10² 10³ 106

1 10 100 1 000 1 000 000

1 déca hecto kilo méga

d h k M

à suivre Giga (G) 109 Tera (T) 10

12

1/10 1/100 1/1000

déci centi milli

m

à suivre micro(μ) 10-6

nano (n) 10-9

pico (p) 10-12

Exposant unité Abréviation

+12 Téra T

+ 9 Giga G

+ 6 Méga M

+ 3 Kilo K

0 Unité de base légale

-3 - 6

milli micro

M μ

-9 -- 12

nano pico

N p

Écriture lecture et expression des puissances de 10

m

n

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Les couches limitées comme ci-dessus en nombre

d’électrons, sont subdivisées en sous couches s,p,d,f , elles

mêmes limitées selon la théorie quantique:

s 2 électrons couche K 2 =2

p 6 couche L 2+6 = 8

d 10 couche M 2+6+10 = 18

f 14 couche N 2+6+10+14 = 32

etc

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