Définitions importantes

La radioactivité

La radioactivité correspond à un phénomène physique au cours duquel des noyaux atomiques considérés comme instables, on les appelle alors radionucléides ou encore radioisotopes, se transforment, et ce de façon spontanée, en d'autres atomes tout en émettant par la même occasion des particules de matières comme des électrons, des noyaux d'hélium ou encore des neutrons et en émettant de l'énergie sous la forme de photons et d'énergie cinétique. On appelle cela une désintégration.

On appelle alors l'émission de particules, qu'elles soient matérielle ou immatérielles, rayonnement et on est capable de parler de rayonnements ionisants car l'énergie des particules est telle qu'elle est capable d'entraîner la ionisation de la matière traversée. Il existe alors différents types de rayonnement que l'on listera un peu plus tard.

La radioactivité présente des effets sur les organismes subissant des rayonnements ionisants, on parle alors d'irradiation. Cependant, ces effets dépendent du niveau, mais aussi de la durée de l'exposition, qui peut être aiguë ou encore chronique, de la nature du rayonnement mais également de la localisation de la radioactivité. En effet, les effets ne seront pas les mêmes si l'exposition est interne que si l'exposition était externe ou encore en surface.

Les rayonnements provoqués par les substances radioactives sont très largement utilisés dans les différentes industrie, notamment en ce qui concerne le contrôle de pièce manufacturées, les soudures, l'usure ou même à faible dose en médecine afin de déterminer un diagnostic ou dans une visée thérapeutique afin de soigner les cancers. Dans tous les cas, il est évident qu'il est nécessaire de suivre des mesures de prévention, de protection mais également de contrôle qui resteront adaptés au niveau de radioactivité observé.

Comment éliminer les déchets nucléaires ? Les déchets nucléaires, qui proviennent pour la plupart des centrales nucléaire sont hautement dangereux et écotoxiques. On dit d’un objet qu’il est écotoxique lorsqu’il est toxique pour l’environnement, c’est-à-dire polluant. On est donc obligés d'enfouir ces déchets en profondeur pour nous éloigner de leurs radiations.

Les différents types de radioactivité

Radioactivité bêta

La radioactivité bêta est un type de désintégration radioactive où une particule bêta (électron ou positron) est émise. On parle de radioactivité bêta + quand un positron est émis mais on parle de radioactivité – quand c’est un électron qui est émis.

Radioactivité alpha

La radioactivité alpha est un rayonnement provoqué par une désintégration alpha qui est une désintégration radioactive où un noyau atomique éjecte une particule alpha qui se transforme en un autre noyau dont le nombre de masse est diminué de 4 et le numéro atomique de 2 à cause de la particule alpha manquante qui est analogue au noyau d’hélium 4.

Radioactivité gamma

La radioactivité gamma est un rayonnement provoqué par une désintégration gamma. Le plu souvent, ces désintégrations accompagnent des désintégrations alpha ou bêta. En effet, quand il émet un rayon alpha ou bêta, le noyau devient excité. Lors de l’émission d’un rayonnement électromagnétique gamma, le noyau peut donc redescendre à un état plus stable.

Stabilité

Pour que le noyau et les électrons restent stables entre eux, il faut réunir certaines conditions. Ils sont donc liés par une énergie de liaison. Si ils ne sont pas bien liés entre eux, les atomes deviennent instables et se transforment. Ils sont donc radioactifs.

Composition du noyau

Le noyau d'un atome se compose d'éléments que l'on appelle les nucléons. Ce sont eux qui définissent le nombre de massa d'un atome.

Le nombre de masse d’un atome est le nombre de nucléons qu’il contient. Il s’agit donc de la somme du nombre de protons et du nombre de protons qui constituent le noyau de l’atome

Dans ces nucléons se trouvent des protons dont la charge est positive et des neutrons à charge neutre. Ces deux composants sont très fortement liés entre eux.

Le rayon d'un nucléon est d'environ 10-15 m alors que l'atome tout entier a un diamètre avoisinant les 10-10 m.

Les isotopes

Des noyaux isotopes sont des noyaux que renferment le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différents, ils ont le même symbole.

Certains de ces isotopes sont radioactifs.

En résumé, des isotopes sont des atomes qui possèdent le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons

La demie-vie

La demie-vie d'un isotope se caractérise par la période au bout de laquelle la moitié des atomes d'un certain échantillon initial radioactif se sera désintégré.

Période radioactive

On appelle période radioactive le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d’un isotope radioactif se désintègre de manière naturelle. Cette période n’est influencée en aucun cas par les conditions de l’environnement, que ce soit la température, la pression ou encore le champ magnétique, elle est propre à l’isotope en question. Statistiquement, on peut dire que la période radioactive est le temps à l’issue duquel le noyau de l’atome a 50 % de chances de s’être désintégré.

Observations

En observant les noyaux et les nucléons, on a mis en évidence une différence fondamentale : la masse du noyau est inférieure à celle des nucléons séparés.On explique cette observation par le fait que le noyau est un système lié qui se caractérise donc par un " défaut de masse ".
Le défaut de masse d’un noyau se calcule en réalisant la différence entre la masse des nucléons séparés et la masse du noyau.
L’énergie de liaison est calculée en fonction de ce défaut de masse. Elle correspond à l’énergie qui permet de maintenir la cohésion du noyau. Elle est dispersée sous forme de rayonnement et d’énergie cinétique lorsque le noyau est désintégré.Les unités utilisées dans ce domaine de la physique sont nombreuses. Elles sont classées en deux catégories : les unités de masse et les unités d’énergie.

  • Les unités de masse :
    • Le S.I. utilise comme unité de masse le kg. Les masses des nucléons sont données en kg ( rappel : environ 1, 67.10-27 kg )
    • On utilise aussi de manière courante l’unité de masse atomique u, plus adaptée à la physique nucléaire. Une masse d’1 u est équivalente au douzième de la masse d’un noyau de carbone. On notera la conversion :

1 u = 1, 66. 10-27 kg
Le choix de cette unité revient à la volonté d’établir une unité qui soit pratique, cette méthode de calcul revient à réaliser une moyenne des masses des 12 nucléons du carbone. On a donc une sorte de masse-type du nucléon moyen.

  • on utilise parfois aussi le MeV.c-2 qui est tel que

1 u = 931, 5 MeV.c-2

L’intérêt est d’obtenir directement l’énergie en MeV sans devoir passer par de multiples conversions. Les risques d’erreur sont donc limités d’autant. Cependant cette conversion n’a de raison d’être que lorsque le résultat est demandé en MeV.

  • Les unités d’énergie :
    • Dans le S.I., l’unité standard de l’énergie est le joule ( noté J).
    • En physique nucléaire, on utilise une autre unité plus adaptée à des calculs sur des petites quantités d’atomes et de noyaux et qui permet d’éviter d’avoir trop de notations scientifiques dans les calculs: le méga électron-volt, MeV sur la base :

1 MeV = 1, 6. 10-13 JElle permet notamment de mettre en évidence le lien existant entre le défaut de masse d’un noyau et l’énergie qu’il faut fournir pour le désintégrer. Elle se formule de la façon suivante :
Un système au repos de masse m possède une énergie E0 telle que E0 = m. c²où c représente la vitesse de la lumière dans le vide soit 3, 00. 108 m.s-1.Cette relation est fondamentale et elle est quasiment la seule à être utilisée dans les exercices concernant cette partie du programme de physique-chimie ; il est donc vital de bien savoir l’utiliser. Il doit en effet y avoir cohérence dans les unités utilisées : soit on exprime la masse en kg et l’énergie est obtenue en joules, soit on fait le choix d’exprimer la masse en MeV.c-2 et on obtient alors l’énergie en MeV. Quoi qu’il en soit, il ne faut jamais utiliser cette formule sur une masse exprimée en u.La relation d’Einstein permet de passer du défaut de masse à l’énergie de liaison. En effet, le défaut de masse est équivalent à une énergie El qui n’est autre que celle qu’il faudrait fournir au noyau pour séparer tous les nucléons. C’est cette énergie qui assure la cohésion du noyau. On l’appelle énergie de liaison.

On utilise parfois la notion d’énergie de liaison par nucléon pour comparer deux sources radioactives.
Le calcul de l’énergie de liaison par nucléon revient à faire une moyenne de l’énergie de liaison totale pondérée par le nombre de nucléons du noyau.

Comment s'organise un atome ? L'électron est donc l'un des composants de l'atome au même titre que les neutrons et protons. C'est une particule élémentaire que l'on note petit e et dont la charge élémentaire est de signe négatif. Ils s'organisent autour du noyau de l'atome dans ce que l'on appelle un nuage électronique. Les électrons s'organisent autour du noyau en nuage électronique.

Plus sa valeur est grande, plus le noyau est stable. L’énergie de liaison par nucléon est un bon indicateur de la stabilité d’un noyau. Elle s’exprime en MeV.Il ne faut surtout pas confondre l’énergie de liaison ( c’est à dire celle qu’il est nécessaire de fournir au noyau pour qu’il se désintègre) et l’énergie équivalente à la perte de masse qui est l’énergie libérée par le noyau lors d’une désintégration.
Cependant, l’énergie correspondante au défaut de masse est équivalente à une énergie communiquée à l’extérieur appelée énergie disponible.Lors d’une réaction nucléaire, il y a réorganisation des nucléons selon un nouveau modèle qui donne naissance à un ou plusieurs nouveaux nucléides et à une ou plusieurs particules esseulées. Dans ce contexte, il y a une perte d’énergie potentielle par rapport au système initial. Cette énergie " potentielle " est la différence entre l’énergie disponible avant réaction et celle après réaction. Elle est communiquée à l’extérieur du système et on l’appelle dès lors énergie nucléaire.
Le transfert de cette énergie vers le milieu extérieur peut se faire de plusieurs façons.

  • Transfert par chaleur :L’énergie est communiquée à des particules filles qui sont expulsées. Elle se manifeste donc sous forme d’énergie cinétique.
    Cependant, en raison des frottements et des chocs de ces particules avec d’autres noyaux présents dans le milieu, l’énergie cinétique est à son tour transformée en énergie calorifique, c’est à dire en chaleur. Cette transformation en chaleur de l’énergie est aussi appelé effet joule.
    Le transfert par chaleur est celui utilisé dans la production d’électricité par énergie nucléaire :
    La chaleur produite permet de transformer de l’eau en vapeur d’eau qui sera utilisée pour faire tourner des turbines et produire de l’électricité.
  • Transfert par rayonnement :Le noyau fils est émis dans un état excité. Pour revenir à son état fondamental, le noyau fils doit émettre un rayon g. Ce rayon transfère de l’énergie que l’on qualifie d’énergie rayonnante.

Il faut savoir

  • convertir d’une unité à l’autre.
  • distinguer les concepts de défaut de masse et de perte de masse ou d’énergie de liaison et énergie libéré

Il faut faire attention

  • aux unités dans lesquelles sont libellées les données et exigés les résultats
  • aux subdivisions de ces unités qui peuvent être utilisées : 1 g = 10-3 kg, …

Méthodologie : L’exercice type de ce chapitre du cours consiste à calculer l’énergie disponible lors d’une réaction nucléaire. Pour ce faire, il faut passer par certaines étapes

  • Préciser le système initial qui sera amené à subir la réaction nucléaire
  • Formuler les équations-bilans en veillant à bien respecter toutes les lois de conservation
  • Dès lors on peut procéder aux calculs d’énergie de liaison en faisant intervenir UNIQUEMENT les masses des noyaux. Si les masses que donne l’énoncé sont des masses atomiques, il faut retrancher les masses des électrons de l’atomes puisqu’on ne peut comparer que de noyau uni à nucléons séparés.
  • Les masses sont en général exprimées en u, il faut donc calculer le défaut de masse en u, puis choisir : soit on le traduit en MeV.c-2 et on en déduit l’énergie en MeV ; soit on passe des u en kg, on multiplie par c² pour obtenir des joules que l’on convertit en MeV.

Quelques calculs sur les réactions nucléaires

Si les calculs peuvent paraître un peu difficiles au premier abord, il n'en est rien. Avec de l'entraînement, il vous sera rapidement possible d'avoir un bon niveau. N'hésitez pas à faire beaucoup d'exercices.

Vitesse volumique de réaction

Définition

    \[ v = \frac {ab} {cd} \frac { \text {d} x } { \text {d} t} \]

avec :

  • v : vitesse volumique de réaction (en mol.m-3.s-1) ;
  • V : volume de la solution (en m3) ;
  • dx : variation de l'avancement (en mol) ;
  • dt : durée de la variation (en s).

Remarques :

  • Il arrive fréquemment que le volume V soit exprimé en litre. La vitesse de réaction est alors exprimée en mol.L-1.s-1 ;
  • Si la transformation est lente ou très lente la durée peut être exprimée en minute ou en heure. La vitesse de réaction est alors exprimée en mol.L-1.min-1 ou en mol.L-1.h-1 ;
  • Le rapport dx/dt représente la dérivée par rapport au temps de l'avancement.

Détermination de la vitesse volumique de réaction

Ce qu'il faut connaître pour déterminer v

D'après la relation de définition , il faut connaître V et la fonction x=f(t). Cette fonction peut être connue soit:

  • Par son graphe (il est donné dans certains exercices) ;
  • Par un tableau de mesures présentant les valeurs des couples {ti ; xi} (il est donné dans certains exercices) ;
  • A l'aide du tableau d'avancement de la réaction. Il faut alors connaître,soit par une méthode chimique soit par une méthode physique, l'évolution de la concentration de l'un des réactifs ou de l'un des produits de la transformation. Etudier les deux TP de cinétique chimique.

Méthodes

  • Graphiquement: On trace la tangente à la courbe x=f(t) à la date t choisie. La valeur du rapport dx/dt est égal au coefficient directeur de cette tangente ;
  • On divise alors cette valeur par la valeur de V (volume de la solution) ;
  • Par le calcul: Un tableur calcule directement la vitesse v à partir des valeurs de V, ti et xi.

Evolution de la vitesse de réaction au cours du temps

Au cours du temps les réactifs disparaissent donc leur concentration diminue. Or nous avons déjà vu que la concentration des réactifs est un facteur cinétique. Plus la concentration des réactifs est faible plus la réaction est lente. Donc, en général, au cours du temps la vitesse de réaction diminue.

Comment accélérer une réaction chimique ? En chimie, un catalyseur est un élément d'une réaction qui augment la vitesse de réaction.
Chaque catalyseur est propre à une réaction chimique. Par exemple, un catalyseur qui accélère une certaine réaction n'aura pas forcément le même effet sur une autre.
De plus, les catalyseurs n'ont pas d'incidence sur les produits de la réaction. on utilise régulièrement comme catalyseur les zéolithes, des composants minéraux de synthèses assez proches de l'argile.
Leur utilisation la plus courante est dans les pots catalytiques des voitures. Mais on retrouve aussi fréquemment les catalyseurs dans l'industrie et la chimie.

Temps de demi-réaction

Définition

Le temps de demi-réaction est la durée au bout de laquelle l'avancement x est égal à la moitié de l'avancement final.

Si la transformation est totale, ce qui correspond à la disparition du réactif limitant, l'avancement final est l'avancement maximal alors :

Quand t = t 1/2,

    \[ x = \frac { x _{max} } {2} \]

Détermination de t1/2

On calcule xmax à partir du réactif limitant dans le tableau d'avancement. On en déduit:

    \[ x = \frac { x _{max} } {2} \]

En reportant cette valeur sur la courbe x=f(t) on déduit par simple lecture graphique la valeur de t1/2.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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