Comment peut-on produire de l'énergie grâce à la radioactivité ?

La radioactivité : petit historique

On appelle radioactivité une réaction nucléaire spontanée au cours de laquelle un noyau atomique instable se désintègre en dégageant de l'énergie, sous forme d'un rayonnement électromagnétique, pour se transmuter en un noyau plus stable.

Le phénomène de la radioactivité fut découvert en 1896 par Henry Becquerel sur l'uranium. Il avait entreprit de découvrir si un sel d'uranium phosphorescent émettait, en plus de la lumière, des rayons X (découvert par le physicien allemand, Wilhelm Röntgen en 1895). Il  exposa ce sel au soleil avant de le placer à l'obscurité sur une plaque photographique. En étudiant ces plaques, il s'aperçut qu'elles étaient impressionnées même lorsque le sel d'uranium n'avait pas été exposé à la lumière du soleil. Il met également en évidence la présence de particules chargées, le matériau émet son propre rayonnement. Ce ne sont donc pas des rayons X, il nomme ces rayons, "rayons uraniques". Fin 1897, Marie Sklodowska-Curie qui était à l'époque étudiante choisit comme sujet de thèse l'étude de ce nouveau type de rayonnement. Elle entreprend de rechercher d'autres éléments pouvant produire un rayonnement semblable à celui du sel d'uranium phosphorescent. Elle découvre que des échantillons de minéraux d'uranium (la pechblende par exemple) sont plus actifs que l'uranium lui-même. En 1898, Marie Curie, aidée de son mari Pierre Curiesépare chimiquement les éléments les plus actifs et isole ainsi le polonium puis le radium. Elle donne, en rapport avec ce dernier élément, le nom de "radioactivité" au phénomène. En 1911, Marie Curie recevra le prix Nobel de chimie pour cette découverte ; c'est la seule femme à avoir reçue deux prix Nobel. En 1903, Pierre et Marie Curie ainsi qu'Henry Becquerel reçoivent le prix Nobel de physique pour la découverte de la radioactivité. Cette même année, des études menées par Henry Becquerel, Marie Curie, Paul Villard et Ernest Rutherford montrèrent l'existence de différents types de rayonnements, les rayonnements alpha (positifs), bêta (négatifs) et gamma (neutres). Ernest Rutherford découvrit également que la radioactivité s'accompagnait de la désintégration des éléments chimiques (transformation spontanée d'un élément en un autre), il énonça les lois fondamentales de ces transformations. E. Rutherford reçu en 1908 le prix Nobel de chimie.

Marie Skłodowska-Curie est une physicienne et chimiste d’origine polonaise. Elle est très connue pour sa découverte de la radioactivité naturelle et des éléments 84 et 88 : le polonium et le radium. Elle reçut de multiples prix et distinctions pour ses recherches. Elle reçut en 1903 le prix Nobel de physique et en 1911 le prix Nobel de chimie. C’était la première femme à recevoir ce genre de distinction et encore à ce jour elle est la seule à en avoir reçu deux.

De quoi Marie Curie est-elle morte ? La radioactivité est quelque chose de très dangereux pouvant provoquer des cancers mais aussi la mort de façon rapide et très douloureuse. Cependant, autrefois ces risques étaient inconnus et les matières radioactive étaient alors manipulées sans précautions particulières.

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La radioactivité : définition et concept à comprendre

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.

De nombreux atomes se désintègrent de façon spontanée et naturelle. Sauriez vous en donner quelques uns ainsi qu'un spécificité de ces atomes ?

Défaut de masse d'un noyau et énergie de liaison d'un noyau

L’atome a une structure particulière, les scientifiques sont passés par différents stades avant d’arriver à décrire celle-ci. Le noyau d’un atome est constitué de protons et de neutrons, il est donc électriquement positif. Ce noyau est entouré d’électrons qui gravitent autour de celui-ci, la partie la plus extérieure de l’atome est donc électriquement négatif. Dans le cas d’un atome, ces deux parties électriques se compensent et donnent un atome électriquement neutre, ce n’est pas forcément le cas pour les ions. Ces deux parties sont séparées par du vide. En effet, on dit souvent de l’atome qu’il a une structure lacunaire. De plus, la taille du noyau est très petite comparé à celle de l’atome entier.

Défaut de masse d'un noyau

La masse d'un noyau est inférieure à la somme des masses des particules qui le composent. Le défaut de masse est cette différence. Elle est positive.

Défaut de masse :

    \[ \Delta m = Z \times m _ { p } + \left( A - Z \right) \times m _ { n } - m _ { \text { noyau } } \]

Energie de liaison

L'énergie créée par la rupture d'une liaison peut-être plus ou moins importante. Dans le cas de réactions nucléaires, l'énergie libérées est, très souvent, assez importante.

Relation d'Einstein

Le principe d'équivalence (1905), énergie-masse sont deux grandeurs proportionnelles et que de la masse peut se convertir en énergie et inversement. Toutes particules possèdent du fait de sa masse une énergie potentielle de repos.

    \[ E = m \times c ^ { 2 } \]

Energie de liaison

Elle est définie comme étant l'énergie qu'il faut fournir au noyau pour le dissocier en nucléons isolés et immobiles.

    \[ E _ { \text { noyau } } + E _ { l } = E _ { \text { proton } } + E _ { \text { neutron } } \]

    \[ E _ { l } = E \times m _ { p } \times c ^ { 2 } + \left( A - Z \right) \times m _ { n } \times c ^ { 2 } - m _ { \text { noyau } } \times c ^ { 2 } \]

    \[ E _ { l } = c ^{ 2 } \times  \left( \left( Z \times m _ { p } + \left( A - Z \right) \times m _ { n } \right) - m _ { \text { noyau } } \right) \]

    \[ E _ { l } = \Delta m \times c ^ { 2 } \]

Energie de liaison par nucléon

Un nucléon correspond à un terme générique faisant référence aux différents composants d'un noyau atomique. En effet, par nucléon on sous-entend le terme proton et neutron qui sont tous deux ce qu'on appelle des baryons. De plus, il peut être intéressant de se souvenir que le nombre de nucléons d'un atome est, de façon générale, noté A et appelé nombre de masse.

C'est l'énergie qu'il faut fournir au noyau pour le dissocier. Ces énergies de liaisons peuvent être calculées pour chaque noyau et on peut calculer pour chaque noyau son énergie de liaison par nucléon.

La décroissance radioactive

Quelque soit le radioisotope, il a autant de chance qu'un autre radioisotope de la même espèce de se désintégrer à un instant t. Il faut néanmoins savoir que la désintégration ne dépend pas des condition physico-chimique dans lesquels le nucléide étudié se trouve. En effet, on parle de la loi de désintégration radioactive comme étant une loi statique. La loi s'énonce ainsi : Soit N(t) le nombre de radionucléides d'une espèce donnée présents dans un échantillon à un instant t quelconque. Puisque la probabilité de désintégration d'un radionucléides quelconque ne dépend ni du milieu qui l'entour, ni de la présence d'autres espèces de radionucléide, le nombre total de désintégration, noté dN, pendant un intervalle de temps dt est proportionnel au nombre N de radionucléide de la même espèce présents mais aussi proportionnel à la durée dt de l'intervalle de réaction. On obtient alors la formule :

    \[ \text { d} N = - \lambda \times N \times \text{ d} t \]

On peut observer le signe - puisque le nombre N de radionucléides diminue au cours du temps. Si on intègre l'expression obtenue précédemment, on trouve alors la loi de décroissance exponentielle du nombre N(t). Ainsi, si on note N0 le nombre de radionucléides présents à l'instant t = 0, on obtient l'expression suivante :

    \[ N \left( t \right) = N _ { 0 } \times e ^{ - \lambda \times t } \]

Si on note t1/2 la demie vie de l'élément étudié, il est possible d'obtenir l'expression suivante :

    \[ \lambda = \frac { \ln \left( 2 \right) } { t _ { \frac { 1 } { 2 } } } \]

Activité d'une source

La notion d'activité est étroitement liée avec la décroissance radioactive. En effet, l'activité d'une source correspond à l'expression du nombre de désintégrations par secondes d'un atome composé d'un certain nombre de noyaux radioactifs. Cette grandeur s'exprime habituellement en becquerels de symbole Bq. On peut donc en déduire un taux de désintégration des noyaux atomiques. Cependant, l'utilisation de cette unité pose parfois des problèmes. En effet, le becquerel est une unité petite. Par exemple, un élément radioactif dont la durée de demie-vie est d'un million d'années,  une mole de cet élément aura une activité de 20 x 109 Bq.

Pour un échantillon de noyaux radioactifs, le temps de demi-vie est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux présents à un instant t se soit désintégrée.

Pour rappel, il faut des millions de Becquerels pour que cela devienne dangereux pour l'Homme. Dans le cas où les radioisotopes sont dans un mélange, plus la demie-vie de celui-ci est courte et plus son activité massique sera forte.

Datation

On appelle datation radiométrique, ou encore radiochronologique, toute méthode de datation absolue utilisant la variation régulière au cours du temps de la proportion de radioisotopes dans certains corps. Très utilisées par les géologues, la plus connue reste la datation au carbone 14 mais aussi la technique Rubidium/Strontium.

Elle permet de dater les objets anciens en mesurant leur activité. Si on connaît l'activité d'une source à un instant présent, si on connait l'activité initiale on peut en déduire la durée écoulée depuis l'instant initial.

Les fissions atomiques en physique

Résumé bref

La fission spontanée est un phénomène de désintégration radioactive selon lequel un noyau lourd d’un atome se divise pour former au moins deux noyaux plus petits

Plus précisément, la fission est une réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau père lourd se scinde en noyau plus léger sous l'impact d'un neutron. Les noyaux qui peuvent subir la réaction de fission sont des noyaux dits fissiles.

La réaction de fission libère deux ou trois autres neutrons qui vont pouvoir encore à leur tour casser d'autres noyaux, c'est ce qu'on appelle une réaction en chaîne. Elles ne sont pas contrôlées dans les bombes atomiques : Bombe A.

Une bombe A, connue également sous le nom de bombe atomique, bombe nucléaire ou encore bombe à fission est une bombe nucléaire qui tire son énergie de la fission d’éléments radioactifs comme le plutonium ou l’uranium. Ce fut les premières bombes atomiques ayant servi d’armes nucléaires lors de la Seconde Guerre mondiale, mais aussi les seules bombes ayant été utilisés lors de conflits. Little Boy et Fat Man, les bombes nucléaires de l’armée américaine ayant touché respectivement Hiroshima et Nagasaki en sont deux exemples Une bombe H, connue sous les noms de bombe à hydrogène, bombe à fusion ou encore bombe thermonucléaire est une bombe nucléaire qui tire son énergie de la fusion de noyaux légers comme ceux de l’hélium ou du deutérium par exemple

Pourquoi personne ne se sert de la bombe atomique ? La bombe atomique est une arme dévastatrice et très puissante dont on ne se sert aujourd'hui que pour dissuader un adversaire.

Pour aller plus loin

La fission est le plus généralement faite sur des atomes dont le noyau est très gros, comme par exemple l'atome d'uranium 235, l'uranium 238, et le plutonium 239, le nombre indiquant le nombre de nucléons dans le noyau. Le noyau est donc très gros et on peut donc en déduire  son instabilité.

 Actuellement il existe deux types de fissions répertoriées et connues.

Tout d'abord la fission spontanée, découverte en 1940 par Flerov et Petzrak. C'est la dislocation du noyau qui doit être extrêmement lourd. Il n'y a alors pas de besoin de bombardement de particules, les neutrons. Voilà la raison de fission spontanée, elle se produit seule. Son utilisation est peu courante car les scientifiques arrivent très peu à la contrôler. Cela est justement dû à sa spontanéité. Elle peut se produire en petite quantité dans la nature.

On utilise donc l'autre fission dite fission induite, et c'est celle-ci qui est le plus couramment utilisée. Sur des noyaux lourds comme l'uranium 238 (le plus couramment utilisé), on bombarde des neutrons qui sont alors absorbés par les noyaux. L'instabilité en devient tellement importante que les noyaux se disloquent on dit que c'est la scission des noyaux. On obtient alors plusieurs autres noyaux ainsi que de nouveaux neutrons. Les nouveaux noyaux  peuvent être de différentes natures.

Afin que la réaction puisse se réaliser et que les neutrons atteignent les différents noyaux et que la fission se produise il faut qu'il y ait une masse suffisante de noyaux fissibles en un même volume sinon les neutrons sont susceptibles de ne pas percuter et s'intégrer aux noyaux et la réaction ne se fait alors pas. C'est ce qu'on appelle la masse critique. Son utilisation diverge suivant l'utilisation que l'on veut en faire. Pour l'utilisation de l'énergie nucléaire cette masse critique est contrôlée afin qu'il n'y est pas de débordements tandis que pour les bombes nucléaires elle est amplifiée afin d'augmenter l'explosion par exemple. Nous pouvons le voir dans l'équation généralisée suivante, équation de la fission d'un atome d'uranium 235 avec pour X et Y, deux nouveaux noyaux plus légers mais également radioactifs  que l'on appelle logiquement produits de fission :

                         + →  →X + Y + k

On remarque qu'il y a également des neutrons qui sont libérés. L'équation suivante est un exemple plus concret du résultat de la fission d'un atome d'uranium 235. On peut donc voir que la fission de ce noyau donne deux autres noyaux plus légers.

                          +++3

Dans ce cas là c'est du krypton et du baryum qui sont produits, à partir de la fission d'un atome d'uranium 235 après le bombardement d'un neutron, ainsi que trois autres neutrons d'où la continuité de la réaction. Mais ces deux « produits » ne sont pas spécifiques de cette réaction. Il peut y avoir différents autres noyaux produits comme par exemple le xénon et le strontium et bien sûr un nombre différent de neutrons libérés.

En effet la fission induite est une réaction en chaîne. Cela signifie qu'une fois mise en route par le bombardement d'une particule la réaction peut continuer sans autre besoin de bombardement de neutrons. Nous avons pu voir dans les équations que des neutrons étaient libérés en plus de la formation des nouveaux noyaux. Ces neutrons vont à leur tour aller percuter d'autres noyaux et être absorbés provoquant l'instabilité, la scission donc la création de nouveaux noyaux et de neutrons et ainsi de suite. La réaction est lancée. On remarque également qu'il y a plus de neutrons produits qu'il n'y en a d'absorbés. Le nombre de neutrons produits dépend du type de produits et de réactifs mais sachant qu'un seul neutron est suffisant pour la fission d'un noyau, on peut donc en déduire que plusieurs autres fissions découleront de la fission d'un seul noyau. Non seulement la fission induite est une réaction en chaîne mais en plus son efficacité est rendue car c'est une réaction qui est assez rapide.

On voit bien la réaction en chaîne et la libération des neutrons provoquant de nouvelles fissions. La fission permet de passer de un à deux à quatre à huit nouveaux noyaux.

Le dégagement de chaleur et d'énergie, représenté en jaune sur le schéma, est provoqué par ce que l'on appelle le défaut de masse. En effet la masse du gros noyau est plus faible que la somme des masses des deux petits noyaux. La masse qu'il manque a été transformée en énergie. (Selon la célèbre formule d'Einstein E=MC²).C'est ce défaut de masse qui est important et qui est recherché lors de la fission nucléaire pour la production d'énergie.

Le phénomène de fission peut être divisé en trois différents phénomènes aboutissant tous au même résultat.

  • Le premier est lorsque le neutron libéré rebondit sur le noyau ce qui provoque un choc dit « élastique » et donc le neutron perd de sa vitesse à chaque choc et transmet de l'énergie.
  • Le second est l'absorption du neutron par le noyau. La masse du noyau augmente et  devient donc instable, ce qui peut provoquer sa fission.
  • Enfin dans le troisième cas  le neutron est également absorbé par le noyau mais celui-ci ne le digère pas comme dans le deuxième cas et explose ce qui produit une libération d'énergie.

Pour finir il faut savoir que le dégagement est très important. Pour une fission d'un atome d'uranium 235 le dégagement est d'environ 19 milliards de kilojoule/mole d'uranium, ce qui est bien sur extrêmement important.

La fusion nucléaire

Réaction nucléaire au cours de laquelle des noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd. Le type de réaction qui a lieu sur les étoiles en général est une réaction qui n'est pas contrôlée. Pour amorcer cette réaction, il faut des températures très élevées (thermonucléaires).

La radioactivité et l'énergie

Lorsqu'elles se produisent, il y a variation de la masse du système. Cette variation est une perte de masse.

Variation de masse du système :

    \[ \Delta m = m _ { f } - m _ { i } \leq 0 \]

La variation d'énergie est donnée par la relation :

    \[ \Delta E = \Delta m \times c ^ { 2 } \leq 0 \]

Une autre méthode permet de calculer l'énergie récupérée basée sur les énergies de liaison libérées au cours de la réaction de fusion et de fission.

    \[ \Delta E = \sum E _ { l \text { reactif } } - E _ { l \text { produit } } \]

Il peut être également intéressant de savoir que les particules produites lors d'une désintégration atomique peut différer selon le type 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

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Joy

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