CTM08 – Transformations nucléaires 2nde

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CTM08 - Transformations nucléaires

I– La transformation nucléaire

1) Définitions Une transformation nucléaire est une transformation de noyaux atomiques. Elle se distingue d'une réaction chimique, qui ne concerne que les électrons ou les liaisons entre les atomes. La réaction chimique conserve les éléments alors que la réaction nucléaire transforme les noyaux atomiques (et donc ne conserve pas les éléments

chimiques). Les transformations nucléaires sont naturelles (elles n'ont pas été inventées par les humains).

2) Isotopie Des atomes sont isotopes si leur noyau possède le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

Ils correspondent au même élément chimique et ont des propriétés chimiques identiques mais des propriétés physiques différentes.

Ils ont le même numéro atomique (ou nombre de charge) Z.

Ils n’ont pas le même nombre de nucléons (ou nombre de masse) A.

Exemple : 126 C,

136 C et

146 C sont des isotopes du carbone

Application 1 :

1. Quels sont les isotopes parmi les éléments suivants ? 235

92 U, 92

41Nb, 41

20Ca, 238

92 U, 58

20Ca

2. Donner la composition du noyau de césium 137 137

55 Cs

I– La radioactivité Nous allons étudier des réactions nucléaires particulières : les réactions de radioactivité. Ces réactions sont spontanées et non prévisibles : si on observe un noyau radioactif, on sait qu'il va se transformer tout seul mais on est incapable de prévoir quand cette transformation se fera. Pourtant, si on observe une grande quantité de noyaux radioactifs identiques, on est capable de faire des statistiques et de dire quel sera le nombre de noyaux qui se sera transformé au bout d'un certain temps mais on ne saura pas quels noyaux vont se transformer (pour faire un parallèle : on connait à l'avance le nombre de décès en France par an, à quelques unités près, sauf catastrophes exceptionnelles

comme actuellement…, mais on est incapable de dire qui sera concerné !).

Nous allons voir les 4 principaux types de réactions de radioactivités : (alpha), – (béta –), + (béta +) et (gamma)

Les lois de conservation des réactions nucléaires (lois de Soddy) Lors d’une réaction nucléaire, il y a conservation de la charge électrique Z (en fait le numéro atomique Z (le nb de p) devient la charge électrique)

conservation du nombre de masse ou nombre de nucléons (A).

1) Radioactivité (alpha)

Un noyau A

ZX (le noyau père) se transforme en un autre noyau A–4

Z–2Y (le noyau fils) en émettant un noyau d'hélium 4

2He AZX A–4

Z–2Y + 42He noyau père noyau fils

Exemple : 213

84 Po 209

82 Pb + 4

2He

2) Radioactivité – (béta –)

Un noyau A

ZX se transforme en un autre noyau A

Z+1Y en émettant un électron 0

–1e (une particule –) AZX AZ+1Y + 0–1e

Exemple : 209

82 Pb 209

83 Bi + 0

–1e

3) Radioactivité + (béta +)

Un noyau A

ZX se transforme en un autre noyau A

Z–1Y en émettant un positron 0

1e (une particule +) AZX AZ–1Y + 01e

Exemple : 205

82 Pb 205

81 Tl + 0

1e

Lois de Soddy : on constate bien que A = A – 4 + 4 = A Z = Z – 2 + 2 = Z

Lois de Soddy : on constate bien que A = A + 0 = A Z = Z +1 – 1 = Z

Lois de Soddy : on constate bien que A = A + 0 = A Z = Z – 1 + 1 = Z

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4) Radioactivité (gamma) La plupart du temps, les réactions , – et + s'accompagnent d'une émission d'un rayonnement constitué d'un photon gamma porteur d'une très grande énergie.

Un noyau excité A

ZX* se désexcite en émettant un photon gamma : AZX* AZ X + 00

Exemples (cf. exemple de +):

205

82 Pb* 205

82 Pb + 0

0 OU 205

82 Pb* 205

81 Tl + 0

1e + 0

0

Application 2 :

Ecrire les réactions suivantes : radioactivité des noyaux excité 228

90 Th*, 177

79 Au*, radioactivité – du noyau

non excité 243

94 Pu et radioactivité + du noyau non excité

250

99 Es

Cf. Act01 : Le césium et Act02 : jeu de l'alchimiste nucléaire

Exercices :

1*, 2*, 4*, 6*, 7, 8*, 9, 10*, 11 et 18 pages 136-140

II– Fusion et fission nucléaire

1) Fusion nucléaire Il y a fusion nucléaire lorsque 2 noyaux légers (Z<26)

s’assemblent pour former un noyau plus lourd. Cette réaction nécessite une température de plusieurs millions de degrés pour être initiée. Lors de cette réaction, de grandes quantités d’énergie sont libérées sous forme de rayonnement.

Où trouve-t-on de la fusion nucléaire ?

Dans le cœur du Soleil (et dans toute les étoiles), les noyaux d’hydrogène sont suffisamment comprimés pour déclencher des réactions de fusion thermonucléaire.

Dans une bombe H (bombe thermonucléaire) : le détonateur de ce type de bombe est une bombe nucléaire (bombe A, cf. fission). Ce type de bombe n'a jamais été employé sur un théâtre d'opération.

Exemple : 2

1H + 3

1H 4

2He + 1

0n Lois de Soddy : A= 2+3 = 4+1 Z = 1+1=2+0

2) Fission nucléaire : Il y a fission nucléaire lorsque un noyau lourd (Z>26), bombardé par un neutron, est divisé en s’assemblent pour former 2 noyaux plus légers en libérant d'autres neutrons. Lors de cette réaction, de grande quantité d'énergie est libérée sous forme de rayonnement.

Où trouve-t-on de la fission nucléaire ?

Dans les centrales nucléaires, l'énergie libérée est récupérée pour faire chauffer de l'eau et pour faire tourner un alternateur afin de fabriquer de l'électricité (cf. figure du doc A page 131).

Dans une bombe A (bombe nucléaire) : utilisées par les américains contre le Japon les 6 et 9 août 1945 à Hiroshima (bombe A à l'Uranium) et Nagasaki (bombe A au Plutonium). [9 pays ont l'arme atomique (rangés par ordre

décroissant du nombre d'ogives nucléaires): Russie, USA, France, Chine, Royaume-Uni, Pakistan, Inde, Israël, Corée du Nord]

Exemple : 1

0n + 235

92 U 92

36Kr + 141

56 Ba + 3 1

0n Lois de Soddy : A= 1+235 = 236 Z = 92+141+ 3*1 = 236

Que sont les déchets nucléaires ? Il y a plusieurs types de déchets nucléaires :

Les déchets "légers" : tous les matériaux qui ont été au contact de matériaux radioactifs ont des atomes qui sont devenus radioactifs. Il faut donc les conserver à l'écart jusqu'à ce qu'ils ne soient plus radioactifs (quelques dizaines d'années). Ils sont stockés sur le site des centrales nucléaires.

Les déchets "lourds" : ce sont les noyaux radioactifs qui sont les produits des réactions nucléaires de fission (notamment dans les centrales nucléaires). Ils doivent être mis à l'écart jusqu'à ce qu'ils ne soient plus radioactifs (cela peut prendre des centaines ou des milliers d'années). Pour l'instant, ils sont stockés au centre de retraitement de la Hague (Calvados) et un projet envisage de les enterrer à Bure (Haute Marne).

Cf. Act03 : La fusion et Act04 : la fission

Exercices : 12*, 13, 19*et 23 pages 139-141

Exercice global : 24*page 142

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III – Distinguer transformation physique, chimique et nucléaire

Transformation physique CTM06

Les espèces chimiques ne sont pas modifiées.

Pas de nouvelles espèces formées.

Pas de nouvel élément.

Seul l'état physique est modifié (dans la majorité des cas)

Exemple : fusion H2O (s) H2O (l)

Transformation chimique CTM07

Les espèces chimiques présentes à l’état initial sont modifiées.

Formation de nouvelles espèces.

Conservation des éléments chimiques et des charges électriques

Exemple : 4 Fe (s) + 3 O2 (g) 2 Fe2O3 (s)

Transformation nucléaire CTM08

Le noyau de l’atome est modifié (le nombre de protons ou de neutrons est modifié ‼).

Non conservation de l’élément chimique.

Énergies mises en jeu plus importantes.

Exemple : 1

0n + 235

92 U 92

36Kr + 141

56 Ba + 3 1

0n

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Correction exercices CTM 08 : Transformations nucléaires Commentaires en italique Application 1 :

1) 235

92 U et 238

92 U sont des isotopes de l'uranium ; 41

20Ca et 58

20Ca sont des isotopes du calcium

2) 137

55 Cs : Z= 55 donc il y a 55 p ; A – Z= 137 – 55 = 82 donc il y a 82 n; Dans un atome, il y a autant de p que d'e– donc il y a 82 e

–

Application 2 :

Radioactivité : 228

90 Th* 224

88 Ra + 4

2He + 0

0 ; 177

79 Au* 173

77 Ir + 4

2He + 0

0

Radioactivité – :

243

94 Pu 243

95 Am + 0

–1e ; Radioactivité – :

250

99 Es 250

98 Cf + 0

1e

1*, 2*, 4*, 6*, 8* et 10* pages 136-138 : corrigés à la fin du livre

7 page 138 : 1. L'ion X

3+ possède 10 électrons donc X possède 13 électrons (car l'atome X a perdu 3 e– pour se transformer en ion X3+) ainsi X est

l'aluminium 13Al. L'ion X3+

possède 27 nucléons donc l'atome X a aussi 27 nucléons (A = 27) ainsi X = 27

13Al

L'ion Y2+

possède 10 électrons donc Y possède 12 électrons (car l'atome Y a perdu 2 e– pour se transformer en ion Y2+) ainsi Y est le

magnésium 12Mg. L'ion Y2+

possède 24 nucléons donc l'atome Y a aussi 24 nucléons (A = 24) ainsi Y = 24

12Mg

2. Les 2 ions X3+

= Al3+

et Y2+

= Mg2+

ne sont pas des ions isotopes car ils n'ont pas le même numéro atomique Z.

9 page 138 : 107

46 Pd 107

47 Ag + 0

–1e La particule est un noyau d'argent 107

47 Ag

11 page 138 : 212

83 Bi A

ZTl + 4

2He Lois de Soddy : 212 = A + 4 A = 208 ; 83 = Z + 2 Z = 81 donc 208

81 Tl 212

83 Bi 208

81 Tl + 4

2He

123

53 I 123

52 Te + A

Ze Lois de Soddy : 123 = 123 + A A = 0 ; 53 = 52+ Z Z = 1 donc 0

1e 123

53 I 123

52 Te + 0

1e

1

0n + A

ZU 94

38Sr + 139

54 Xe + 3 1

0n Lois de Soddy : 1+A = 94+139+3 A = 235 ; 0+Z = 38+54+0 Z = 92 donc 235

92 U 1

0n + 235

92 U 94

38Sr + 139

54 Xe + 3 1

0n

18 page 124 :

1. 238

94 Pu A

ZX + 4

2He Lois de Soddy : 238 = A+4 A = 234 ; 94 = Z+2 Z = 92 donc c'est de l'uranium 234

92 U 238

94 Pu 234

92 U + 4

2He

2. 30 % des noyaux qui se sont désintégrés correspond à 70 % des noyaux restant. Si au début, on a 9.1010

désintégrations par

seconde, 70 % de 9.1010

= 6,3.1010

désintégrations par seconde.

D'après le graphique, cela correspond à environ 50 ans. La durée d'utilisation de ce stimulateur cardiaque est donc de 50 ans.

12*, 19* et 24* pages 139-142 : corrigés à la fin du livre

13 page 139 : 1

0n + 235

92 U 94

38Sr + 139

54 Xe + 3 1

0n

23 page 141 : 1. "Le carbone 14 est un isotope instable du carbone 12" : Cette phrase signifie que le carbone 14 est radioactif.

2. 14

6 C A

ZX + 0

–1e Lois de Soddy : 14 = A+0 A = 14 ; 6 = Z – 1 Z = 7 donc c'est de l'azote 14

7 N 14

6 C 14

7 N + 0

–1e

3. La teneur de carbone 14 est constante dans l'atmosphère. Tant qu'un organisme vit, il absorbe par l'alimentation et par la respiration des atomes de carbone et donc absorbe toujours le même pourcentage de carbone 14. Ainsi le pourcentage de

carbone 14 parmi les atomes de carbone dans un organisme vivant reste constante.

4. Quand l'organisme meurt, les atomes de carbone 14 se désintègre progressivement et ne sont pas renouvelés par l'alimentation et la respiration. Leur quantité dans un gramme de carbone diminue donc progressivement (la teneur ou le

pourcentage d carbone 14 diminue).

5. 10,1 désintégrations par minute et par gramme de carbone correspond (cf. graphique C) à 2500 ans. Le vaisseau a donc été construit il y a 2500 ans soit vers –500 environ.