Physique-chimie et mathématiques (STI2D · STL) · Terminale · Physique-chimie — Matière et matériaux
Radioactivité, fission et fusion
Au cœur des noyaux, la moitié part.
En bref
La radioactivité date les fossiles, soigne des cancers et, par la fission, fournit l’essentiel de l’électricité française.
La radioactivité date les fossiles, soigne des cancers et, par la fission, fournit l’essentiel de l’électricité française. Tout se joue dans le noyau des atomes.
Le noyau
Un noyau est noté par son symbole, son nombre de masse A (nombre de nucléons) et son numéro atomique Z (nombre de protons) : le carbone 14 a A = 14 et Z = 6, soit 6 protons et 8 neutrons. Des isotopes ont le même Z mais des A différents.
Un noyau instable se transforme spontanément en émettant un rayonnement : c’est la radioactivité. Elle est naturelle (uranium, potassium 40, radon) ou artificielle (noyaux créés en réacteur ou en accélérateur, comme le fluor 18 de l’imagerie médicale).
Les rayonnements
| Le type | Particule émise | Arrêté par |
|---|---|---|
| α (alpha) | Noyau d’hélium (A = 4, Z = 2) | Une feuille de papier |
| β⁻ (bêta moins) | Électron | Quelques millimètres d’aluminium |
| β⁺ (bêta plus) | Positon (anti-électron) | Quelques millimètres d’aluminium |
| γ (gamma) | Photon de très haute énergie | Plusieurs centimètres de plomb ou du béton épais |
Dans une équation nucléaire, le nombre de nucléons A et la charge Z se conservent.
L’activité et la décroissance
L’activité A d’une source est le nombre de désintégrations par seconde, en becquerels (Bq).
Le nombre de noyaux radioactifs restants décroît de façon exponentielle :
N(t) = N0 × e^(−λ × t)
Demi-vie : t½ = ln 2 / λ
La demi-vie t½ est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux présents s’est désintégrée. Après n demi-vies, il reste N0 / 2ⁿ.
| Le noyau | Demi-vie |
|---|---|
| Fluor 18 (imagerie) | 110 min |
| Iode 131 (thyroïde) | 8 jours |
| Carbone 14 (datation) | 5 730 ans |
| Uranium 238 | 4,5 milliards d’années |
Exemple : un échantillon ne contient plus que 25 % de son carbone 14 initial. 25 % = 1/4 = 1/2², soit 2 demi-vies : il a environ 11 460 ans.
Fission et fusion
| La réaction | Principe | Exemple |
|---|---|---|
| Fission | Un noyau lourd, frappé par un neutron, se casse en deux noyaux plus légers et libère des neutrons | Uranium 235 + neutron → krypton 92 + baryum 141 + 3 neutrons |
| Fusion | Deux noyaux légers fusionnent en un noyau plus lourd | Deutérium + tritium → hélium 4 + neutron |
Vérification pour la fission : A : 235 + 1 = 92 + 141 + 3 ; Z : 92 = 36 + 56. Les neutrons libérés peuvent provoquer d’autres fissions : c’est la réaction en chaîne, contrôlée dans une centrale. La fusion alimente le Soleil ; le projet ITER cherche à la maîtriser sur Terre.
D’où vient l’énergie ?
Les produits d’une réaction nucléaire ont une masse légèrement inférieure à celle des réactifs : c’est le défaut de masse Δm.
E libérée = Δm × c²
Exemple : une fission d’uranium 235 a un défaut de masse d’environ 3,5 × 10⁻²⁸ kg. E = 3,5 × 10⁻²⁸ × (3,00 × 10⁸)² ≈ 3,2 × 10⁻¹¹ J (environ 200 MeV), des millions de fois plus qu’une réaction chimique.
Toutes les réactions nucléaires ne produisent pas de l’énergie utilisable : il faut un défaut de masse positif.
Teste-toi
6 questions pour vérifier
Touche une réponse : la correction s’affiche tout de suite.
1.Quelle particule émet la radioactivité α ?
2.Quelle particule émet la radioactivité β⁻ ?
3.Quel rayonnement est le plus pénétrant ?
4.Quelle est l’unité de l’activité d’une source radioactive ?
5.Quelle fraction des noyaux reste-t-il après trois demi-vies ?
6.Il reste 25 % du carbone 14 initial (t½ = 5 730 ans). Âge de l’échantillon ?
0 / 6 questions
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