Physique atomique et nucléaire
Atome
Il est constitué d’un noyau entouré d’électron. Si l’atome a un diamètre d’un angstrom (10-10m), cela revient à dire que son noyau a un diamètre égal à 10-5 angstrom (10-15m = 1 fm). (A cause du vent vide de la matière. )
Propriétés
chimiques des éléments : elles sont voisines
quand les éléments ont la même couche électronique externe.
Classification des éléments :
H
He
Li
F Ne
Na
Cl Ar
K
Br Kr
|
Astuce mémotechnique pour retenir la 2ème et 3ème ligne du tableau périodique :
Lili Besa Bien Chez Notre Oncle Fidèle Nestor |
La couche électronique externe donne leurs
propriétés aux éléments. Les électrons ont un niveau
électronique pour empêcher les attractions nucléaires de type
électrostatique. Ce niveau électronique est précisé par la
physique quantique.
Un électron qui passe d’une couche électronique à l’autre,
perd une quantité d’énergie très précise. (car quantifiée)
Cette énergie peut-être apportée par un photon (particule électronique) qui est importé et s’éloigne.
Structure du noyau : diamètre de 10-15 mètres, densité de 108 tonnes par centimètre cube. Il est constitué de nucléons : les neutrons et les protons (qui ont approximativement la même masse).
Les isotopes
: nombre de protons (nombre de masse Z) identiques La
variation de N produit les isotopes.
Ex :
|
116C |
126C |
136C |
146C |
|
Radioactif (R*)
Emission β+ et capture électronique.
Utilisation en TEP (Tomographie par Emission de Positons)
|
Stable99 % (proportion magnétique)
Utile mais finalement assez inintéressant |
Stable 1%
Utilisation en RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) |
R*
Emission de β-.
Datation au carbone 14. |
Donc
les isotopes ont : ---> Le même
nombre de protons (Z).
---> Les mêmes comportements chimiques.
---> Un nombre de masse (A) différent.
12 g
MC = -------
N
Les
isobares : nombre de masse A (nucléons)
identique.
=A=
= N + Z.
Cette classification est très utile pour comprendre les
transformations isobariques.
Les isotones :
nombre de neutrons N identique.
A = =N=
+ Z
Quelques constantes utiles :
- la charge élémentaire 1,602.10-19 C
- l’électron-volt :
1 eV = 1,6.10-19 x 1 = 1,6.10-19J (Coulomb x Volt = Joule).
1
- courant électrique : 1 ampère = 1 coulomb.s-1 =
--------------- électron.s-1
1,6.10-19
- unité de masse atomique (UMA) : égale à 1/12 de la masse du carbone
1
12
1 u.m.a. = ------- x ------ =
1,67.10-23 kg
12
N
N = 6,02.1023.
-vitesse de la lumière : la
célérité.
Vlumière = c = 2,998.105 km.s-1 ≈ 3.105 km.s-1.
-masse du noyau :
M(A, Z) = Zmp (masse du proton) + Nmn (masse du neutron) – Δm
(défaut de masse).
Energie de liaison du noyau ---> E = mc².
 |
A : a des nombres magiques : 4, 8, 12, 16… Ces valeurs sont un gage de stabilité |
Parabole de masse
Pour un nombre de masse A donné, la masse
nucléaire varie.
Exemple pour A = 135 :
Interactions entre
nucléons (cohésion du noyau)
 |
Interaction
nucléaire forte : - courte portée. - indépendance de la charge. - compense les forces de répulsion électrostatique |
Classifications des rayonnements
-un
mode de propagation de l’énergie dans l’espace.
-classer selon leur nature :
---> les rayonnements particulaires formés d’un
flux de particules matériellesdéviés de masse de repos.
---> les rayonnements électromagnétiques
qui, constitués par un flux de photons, peuvent être
considérés comme étant de l’énergie pure. (la colle des
atomes)
Caractéristiques des rayonnements
électromagnétique
Toute charge électriquement oscillante crée en tout point de l’espace un champ électrique et un champ magnétique dont les plans sont perpendiculaires. Ils se déplacent à vitesse constante dans le vide (célérité). Ils sont le constituant d’une onde électromagnétique.
 |
L’onde
électromagnétique est caractérisée : - soit par sa longueur d’onde λ (m). - soit par sa fréquence η (Hz) λη = c (célérité) - soit par l’énergie qu’elle véhicule |
hc
1240
Ejoules = hη = ----- {Eev ≈ -------- }
λ
λ(nm)
Radioactivité
Certains isotopes sont instables ; ils
reviennent à la stabilité en émettant des particules et des
rayonnements électromagnétique.
On peut distinguer 3 groupes :
(I) Noyau en excès de nucléons :
-
excès de neutrons
transformation isobarique.
-
excès de protons
transformation isobarique
-
excès de neutrons et de protons
émission de particule α++.
(II)
Fission :
Coupure du noyau en deux parties ; les deux nouveaux noyaux s’appelent
fragment de fission.
(III) Désexcitation électromagnétique du noyau : Emission γ et X.
Les transformations isobariques
Zone I : excès de neutrons.
Zone II : excès de protons.
Zone III : zone radioactivité : Emission de particules α.
Instabilité dynamique
(noyau trop gros)
Emission β- : (excès de neutrons)
|
10n ® 11p + |
0-1e + |
00И |
|
|
β- |
Antineutrino |
|
|
ils se partagent l’énergie cinétique éjecter du noyau |
|
| Exemple : 146C 147N +0-1e + 00И. Demi-vie du carbone 14 : 5730 ans… |
 |
Attraction électrostatique qui retient la particule
Bilan
énergétique :
L’énergie dégagée par cette transformation est :
Qβ- (en joule) = [mx – (my + me)]c² = Δmc².
masse
nucléaire.
Masse du noyau père = mx = Mx – Zme = masse de l’atome moins
la masse des électrons.
---> on néglige les énergies de liaison
des électrons.
Masse du noyau fils = my = My – (Z + 1)me.
Qβ- = [(Mx – Zme) – (My – (Z + 1)me) + me)]c².
Qβ- = [Mx – My]c².
Conclusion :
L’émission β- a lieu lorsque la masse atomique du noyau père
est supérieure à celle du noyau fils. Qβ- -----> β-.И (joules)
Calcul de l’énergie dégagée :
Qβ- en joule et la masse en kilogramme.
On utilise désormais les uma et eV.
Pour 1 uma : (mp = 1,00727 uma)
|
Euma |
= mc² |
|
|
|
|
= [1,66.10-27 kg x (3.108)²] J |
|
|
|
|
= |
1,66.10-27.(3.108)² 1,6.10-19 C |
® 931,5 Mev |
---> Qβ- = (Mx – My)uma x 931,5 MeV.
Exemple chiffré :
|
146C |
β- ® |
147N |
MC = 14,003242 uma.
MN = 14,003074 uma.
Eβ-max = Qβ- = Δm x 931,5 MeV.
= 0,000168 x 931,5.
= 0,156 MeV.
Emission β+ : (excès de proton)
|
11p ® 10n |
+ |
0+1e |
+ |
00η. |
|
|
|
Positron β+ |
|
neutrino |
|
|
|
Ils se partagent l’énergie cinétique |
||
Bilan énergétique :
Qβ+ = Δmc² = [mx – (my + me)]c².
Masse du noyau père = mx = Mx – Zme.
Masse du noyau fils = my = My – (Z – 1)me.
Qβ+ = [(Mx – Zme) – (My – (Z – 1)me) + me)]c².
Qβ+ = [Mx – My – 2me]c².
Principale différence avec β-.
Qβ+ = [Mx – My – 2me]uma x 931,5 MeV.uma-1.
Qβ+ = [Mx – My] x 931,5 – 1,022 MeV
seuil énergétique.
Pour avoir une émission β+, il faut que [Mx - My] ≥ 1,022 MeV,
sinon pas de β+. (d’où le spectre).
Exemple chiffré :
MF = 18,000937 uma.
MO = 17,999160 uma.
| Eβ+ max =
Qβ+ = 931,5 x Δm(uma) – 1,022 MeV. = 931,5(0,001777) – 1,022 MeV. = 0,633 MeV. |
 |
Effet secondaire :
---> Utilisé en TEP (Tomographie par émission de positons). Ce sont des masses transformées en énergie pure.
Capture électronique (K-capture) : Excès de protons.
 |
Le seuil
n’est pas dépasser : (Mx – My) < 1,022 MeV. 11p + 0-1e ® 10n + 00η (neutrino). En terme de noyau : AZX + 0-1e ® AZ-1Y + 00η.
|
Exemple :
20181Tl + 0-1e ® 20180Hg + 00η.
Le thallium est un analogue du potassium (K), il est utilisé en médecine nucléaire pour étudier le myocarde ---> technique de S.P.E.C.T
Bilan énergétique :
QCE
= Δmc² = [(mx + me) – my]c².
-mx = Mx – Zme.
-my = My – (Z – 1)me.
QCE = (Mx – My)c² : pas de seuil ?
On ne peut plus négliger l’énergie de liaison (EL) de l’électron
capturé. Elle dépend de la taille d’un atome : -atome léger ≈
quelques dizaines de keV.
-atome lourd
≈ 100 – 150 keV.
---> Le seuil de la capture électronique
<< seuil d’émission de positons (β+).
Il n’y a de capture électronique que si (Mx – My)c² > EL
Exemple chiffré :
20181Tl ®CE® 20180Hg
EL ≈ 100 keV.
MTl = 200,970750.
MHg = 200,970308.
Δm = 0,000442 uma
QCE = 931,5.Δm – EL.
= (931,5 x 0,000442) MeV – 100 keV.
= 0,412 – 0,100.
= 0,312 MeV.
 |
L’atome de mercure n’est pas stable, il est métastable et doit perdre de l’énergie par une émission de photon γ |
Si
Δmc² < 1,022 MeV.
Capture électronique
>
EL (électron capturé). ----->
uniquement
Si
Δmc² > 1,022 MeV ----->
il y a compétition entre CE et β+ :
- plutôt CE pour les noyaux lourds (Tl : 97%
CE ; 3% β+).
- plutôt β+ pour les noyaux légers (F : 97%
β+ ; 3% CE).
Effet secondaire :
- réarrangement électronique :
 |
le trou laissé par l’électron capturé, va être boucher par un électron d’une couche périphérique. Chaque changement de couche électronique de l’électron va émettre un photon X. |
- émission d’un électron d’Auger :
 |
les photons X en s’échappant vont rencontrer des électrons. Un électron touché par un photon X est expulsé de l’atome et est appelé électron d’Auger |
Emission alpha (α) :
|
--> C’est l’émission de particules (noyaux) d’hélium 42He+. ® Répulsion électrostatique par les noyaux de nombre de masse élevé (> 208) : AZX ® A–4Z–2Y + 42α |
 |
Bilan énergétique :
Qα
= {Mx – (My + mHe)}
L’énergie est partagée entre le noyau (Y) et la particule α :
noyau X -----> noyau Y + α++.
Les particules α sont monoénergétiques (≈ 5,3 MeV) :
Fission
C’est la coupure spontanée d’un noyau en deux parties appelées fragments de fission.
 |
L’énergie
dégagée à chaque désintégration est 200 MeV (dont 165 MeV
pour les fragments). Cette énergie peut être récupérée dans un réacteur nucléaire pour produire de l’électricité (chauffage,…). |
Cette réaction n’est en revanche pas
spontanée, il faut que l’uranium capture un neutron (activation
par bombardement de "neutrons lents").
Lors de la fission, on obtient en moyenne 2 à 3 neutrons par
noyau (après finalement la capture d’un premier neutron).
 |
Le rendement
est la nombre moyen de fragments pour 100 fissions. Les fragments ont des tailles très différentes. La fission est inégale. Les fragments sont souvent instables (β-, γ). |
Désexcitation électromagnétique du
noyau (énergie pure)
Tout comme le cortège électronique,
le noyau atomique peut se trouver dans un état excité (suite à
une réaction nucléaire).
Un noyau excité perd seulement de l’énergie, sans modifier sa
composition en nucléon.
La désexcitation peut s’effectuer soit :
1)
par une émission γ ---> directement vers l’état stable (en une seule fois : un seul
photon).
---> en plusieurs étapes (plusieurs photons).
2) par la conversion interne (CI).
3) par la création des paires (e+, e- : contraire de
l’annihilation).
|
Désexcitation directe simple :
|
Désexcitation directe multiple :
|
Remarque : la hauteur des raies ne
renseigne en rien à propos de l’énergie (abscisse) mais du
nombre de désexcitation du type concerné…
Désexcitation en plusieurs étapes
Exemples
1) la désintégration de l’iode 131.
13153I ®β–® 13154Xe* + 0-1e + 00И (antineutrino).
13154Xe*
13154Xe
+ γ5
(5
photons possibles)
Þ réaction
instantanée
Le schéma de désintégration est complexe !
Désintégration β– de l’iode 131.
La conversion interne
Elle est due aux effets du champ coulombien du noyau. L’énergie est transférée directement à un électron dans la couche la plus proche et n’est pas émise sous forme de photons.
 |
La conversion
interne est en compétition avec l’émission de photons (qui
est très tentante…)
Ncl
|
Cinétique des transformations isobariques
Le nombre de noyau radioactif
évolue comme une exponentielle décroissante selon la formule :
Nt = N0.e-λt. Où λ est la constante radioactive. Cette notion
n’étant pas très parlante, on utilise plutôt le temps de
demi-vie !
 |
 Relation
entre demi-vie et constante λ :Nt½ = N0/2 = N0.e-λt½. (comme t = T½). e-λt½ = 1/2. -λT½ = -ln2 = 0,693. |
Activité d’une source
radioacvtive :
C’est le nombre de désintégration par unité de temps.
Unités :
Da,s le système internationale : becquerel (Bq) : 1
désintégration par seconde.
Ou sinon : le curie (Ci) : les désintégrations d’1g de radium ≈
3,7.1010 Bq
REPRODUCTION COMPLETE OU PARTIELLE INTERDITE