I. La structure de la matière
1. L’atome
Ce chapitre est un voyage au cœur de la matière, nous allons nous intéresser à ce qui constitue toute chose de la nature. Regardons par exemple, ce morceau de fer : ce fer est constitué de blocs, qu’on appelle les cellules de Weiss, ces cellules sont constituées d’un assemblage d’atomes. Et nous voilà déjà bien au cœur de la matière : nous sommes arrivés à l’échelle atomique, la taille caractéristique d’un atome est 10-10 m. Cette idée d’un grain de matière élémentaire à partir duquel on fabrique tous les objets qui nous entoure n’est pas très jeune, elle remonte à l’antiquité : au grecs. Le mot atome vient en réalité du grec « atomos » qui veut dire indivisible. En effet on a du mal à s’imaginer qu’un petit grain de matière qui mesure un angström puisse encore être cassé, divisé en des grains encore plus petits. Et pourtant cela a été fait !2. Au cœur de l’atome : le noyau
Rutherford en 1911 bombarde une feuille de mica avec des particules a. Ces particules sont chargées positivement, et il constate qu’une grande partie de ces particules ne sont pas déviées mais qu’une autre partie l’était fortement (jusque 90°). Comment cela pourrait-il être possible ? Rutherford explique ces résultats par la présence d’une entité 100 000 fois plus petite que l’atome, de charge positive et contenant presque toute la masse de l’atome : cette entité c’est le noyau ! Finalement cette hypothèse fut grandement vérifiée et personne ne la conteste plus. L’atome est constitué d’un noyau et d’électrons qui évoluent autour de ce noyau ; les électrons déterminent la taille de l’atome et le noyau en détermine la masse. La taille caractéristique du noyau est le fenmtomètre, s’il paraissait donc invraisemblable de diviser l’atome, diviser le noyau pourrait relever de l’utopie… mais il semblerait que les physiciens de tous temps ne sont que des rêveurs car ils se sont acharnés à le faire et ils y sont arrivés : le noyau peut se décomposer en diverses parties…II. Structure du noyau
1. les composants du noyau
C’est encore sous la direction d’Ernest Rutherford que le noyau fut décomposé en 1919. On découvrit qu’à l’intérieur de ce noyau, se trouvait deux types de particules : - les protons, particules de charge exactement opposée à celle de l’électron (+e=1,6.10-19C) et de masse 1,672.10-27kg. - Les neutrons, particules de charge nulle et de masse proche de celle du proton mn=1,674.10-27 kg Protons et neutrons sont les constituants du noyau, on les appelle les nucléons. On constate que la masse des nucléons est nettement plus élevée que celle de l’électron, c’est pourquoi on assimile souvent la masse de l’atome à la somme des masses des nucléons.2. L’élément chimique
Le nombre de protons que contient le noyau est noté Z, c’est le numéro atomique. Le nombre de neutrons que contient le noyau est noté N. Le nombre total de nucléons est noté A = Z+ N. De ces trois nombres, celui qui défini l’élément chimique, c’est Z. En effet on dit que tel ou tel atome est un atome de chlore si son numéro atomique Z=17, peu importe s’il possède un électron en plus, il serait alors sous la forme de l’ion chlorure mais cet ion chlorure reste une forme de l’élément chlore. Si dans une transformation N change, on conservera le même élément chimique, en revanche, si Z change, on aura transformé un élément en un autre, pourquoi pas du plomb en or !!3. Des noyaux presque identiques
On définit plusieurs termes pour indiquer que deux noyaux possèdent un des nombres A, Z ou N en commun. • Les Isotopes : Ils ont le même nombre de proton Z. Il s’agit d’un même élément avec un nombre de masse A différent. EX 1: L’Hydrogène naturel contient plusieurs isotopes : _ Le protium (99 ,985%) _ Le deutérium ( 0,015%) _ Le tritium (traces) EX 2 : Le carbone naturel (99%) (1%) (traces) Les isotopes ont les mêmes propriétés chimiques. • Les Isobares Ils ont un même nombre de masse mais ils appartiennent à des éléments différents. EX 1 : ; EX 2 : ; • Les Isotones Ce sont des éléments qui ont le même nombre de neutron. EX 1 : ; EX 2 : ;4. Système des masses atomiques
Nous sommes à présent entré dans le monde, un peu particulier de la physique nucléaire, nous verrons plus tard que les choses ne suivent pas tout à fait les mêmes lois que les nôtres. Pour se faciliter la vie dans ce monde où les particules sont si petites, qui nous est presque impossible de les imaginer et où les masses sont par conséquent très petites, on introduit une nouvelle unité de masse : l’unité de masse atomique. On sait mesurer avec une très grande précision le rapport des masses atomiques de l’élément à l’état gazeux. Si on se fixe la masse atomique de l’un d’entre eux ont peut en déduire celle des autres. On a convenu pour définir la mole de prendre pour référence la masse atomique du , fixée à 0,012 kg pour une mole. L’unité de masse atomique, u, représente 1/12 de la masse de l’atome de « carbone 12 » . 1 u = 1,660450.10-27 kgIII. Noyaux : stabilité et énergie
1. Rappels sur les niveaux d’énergie de l’atome
En 1913, Niels Bohr propose un modèle de l’atome. On sait maintenant que ce modèle dit modèle planétaire de l’atome est erroné, cependant la quantification du moment cinétique introduite par Bohr est belle et bien exacte. Ce modèle permet d’introduire des nombres quantiques n, l, m qui nous permettent de placer des électrons sur des couches, qu’on appelle couches électroniques. Ils caractérisent chaque électron de l’atome et quantifie l’énergie de celui-ci. Il devient ainsi possible d’exciter un électron à un niveau d’énergie supérieur (il passe d’une couche à une autre) et lorsque cet électron reprend son état « normal », il va émettre un corpuscule d’énergie qu’on appelle photon et qui n’est finalement rien d’autre que de la lumière.2. Un modèle du noyau
Il existe un modèle du noyau qu’on appelle modèle en couche de nucléons construit par similitude avec le modèle de l’atome. Ce modèle introduit un certain nombre de nombres quantiques, on retrouve par exemple n, l, s, ms et ml. Ces nombres quantiques permettent de placer les nucléons sur des couches tout comme on plaçait les électrons sur des couches électroniques. Par conséquent il est possible qu’un nucléon en surplus d’énergie, passe d’une couche à une autre : le noyau est alors dans un état excité ou encore métastable. Lorsqu’il revient à la stabilité il émet un photon dont l’énergie dépend de l’écart énergétique entre les deux couches (tout comme pour l’atome !). Il en résulté que les niveaux d’énergies du noyau sont quantifiés. Ce modèle est très pratique car il permet de raisonner sur le noyau tout comme on le fait sur les atomes mais il est issu du monde quantique, il n’est donc pas très intuitif et peut sembler purement abstrait.3. Cohésion de la matière
Au paragraphe précédent je vous annonçais sans aucune précision que le noyau était composé de protons et de neutrons. Mais le chapitre 2 nous a montré que deux charges de même signe se repoussent, comment le noyau fait-il donc pour exister, quel miracle maintient ces charges positives dans un si petit espace ? Voilà un problème, et un problème de taille car si le noyau de l’atome tend à éclater c’est toute la matière (atomes, molécules, cellules…) qui éclate avec lui ! Faisons un rapide inventaire des interactions que nous connaissons : - Tout d’abord il y a la gravité introduite par Sir Isaac Newton - Puis il y a l’interaction électromagnétique, constituées de l’interaction électrique et de l’interaction magnétique unifiée par Maxwell Et puis, c’est tout ! La gravité, on le sait bien, n’est que chimère à l’échelle des particules élémentaires (leur masse est trop faible !). Et l’interaction électromagnétique tend à nous prédire l’explosion du noyau, or si je suis là et que vous êtes là c’est que les noyaux sont assez stables pour que nous vivions. En réalité il est impossible d’expliquer la cohésion de l’atome avec ces seules interactions. Au niveau du noyau deux autres interactions interviennent : - l’interaction faible, qui rejoint finalement l’interaction électromagnétique dans ce qu’on appelle l’interaction électrofaible. Mais ce n’est pas elle qui nous intéresse ici. - L’interaction forte, c’est elle qui s’exerce entre les nucléons et qui surpasse l’interaction électromagnétique pour assurer la cohésion de la matière. (Remarque sur les quarks) A titre indicatif si on attribue une intensité de 1 à l’interaction forte, on obtient : - 10-2 pour l’interaction électromagnétique - 10-13 pour l’interaction faible - 10-38 pour la gravitation. Eh bien nous y voici, le noyau est perpétuellement tiraillé entre deux interactions : - l’interaction électromagnétique qui tend à l’éclater - l’interaction forte qui tend à en assurer sa cohésion Un noyau sera stable lorsque ces deux interactions se compenseront parfaitement si bien que l’énergie totale du noyau est la plus basse.4. Stabilité du noyau
Vous allez me dire « mais c’est bien beau tout ça mais comment fait-on pour mesurer l’intensité de ces forces et savoir si le noyau est stable ? ». Il en effet impossible de mesurer directement l’intensité de ces forces, d’ailleurs nous ne ressentons ni l’interaction faible, ni l’interaction forte à notre échelle. Il faut utiliser un moyen détourné pour mesurer la stabilité d’un noyau. Et ce moyen c’est un certain Albert Einstein qui nous l’a fourni : Einstein relie la masse et l’énergie par la relation :I. Interaction rayonnement Gamma et X avec la matière
1. Nature des rayonnements et X
Les rayonnements et X sont constitués de photons. Ces petits grains de lumière de masse nulle transportent avec eux une énergie qui est fonction de la longueur d’onde qui leur est associée. En effet l’énergie d’un photon est donnée par la formule où h est la constante de Planck et la fréquence. Par conséquent Dans le cas des rayons X la longueur d’onde est comprise entre 10-11 et 10-8 mètre. Pour les rayons elle est comprise entre 10-14 et 10-12 mètre. Lorsque les photons entrent en contact avec la matière, ils peuvent interagir selon trois mécanismes distincts.2. Effet Compton
L’effet Compton intervient lorsque les photons qui arrivent sur la matière sont de moyenne énergie. Lorsqu’un photon avance dans la matière, il rencontre des atomes, ou plus précisément, il rencontre le nuage électronique de ces atomes : il peut y alors avoir un choc élastique entre les électrons du nuage électronique et le photon, ce choc est appelé Effet Compton. Le photon est une particule sans masse ni charge dont la vitesse est égale à la vitesse de la lumière, la seule caractéristique du photon qui peut varier lors d’un tel choc c’est son énergie et par conséquence la longueur d’onde de la lumière qui lui est associée. L’effet Compton correspond donc à un choc élastique entre un photon et un électron au cours duquel le photon cède une partie de son énergie à l’électron, les deux particules sont par la même occasion déviées de leur trajectoire initiale. L’électron qui a subit ce choc se retrouve alors expulsé de l’atome si bien que celui-ci se retrouve ionisé. C’est pour cela qu’on dit que les rayonnements et X sont des rayonnements indirectement ionisant.3. Effet photoélectrique
L’effet photoélectrique ressemble beaucoup à l’effet Compton, mais intervient lorsque le photon incident a une énergie faible. Cette fois-ci lorsque le photon rencontre l’électron, il ne subit plus un choc élastique mais un choc inélastique. Le photon est entièrement absorbé, il communique alors à l’électron assez d’énergie pour d’extraire du cortège électronique. Il y a donc là encore ionisation. L’atome quant à lui se voit contraint de réarranger son cortège électronique ce qu’il fait en émettant un autre photon d’énergie bien inférieure (fluorescence).4. Création de paires
Un dernier mode d’interaction entre photon et matière peut intervenir lorsque le photon possède une grande énergie. Dans ce cas, le photon possède assez d’énergie pour atteindre le noyau, une fois qu’il entre en interaction avec celui-ci le photon se matérialise en une paire électron/positron : c’est ce qu’on appelle la création de paire. Ce phénomène reste toutefois marginal.5. Loi d’atténuation
Tentons d’exprimer le nombre de photons N(x) restants après avoir parcouru une distance x dans le matériau. On notera N0 le nombre de photons incidents dans le matériau. Les trois processus cités plus haut auront un seul et même effet sur le nombre de photons : ils vont provoquer la diminution du nombre de photons ! Pour traduire l’effet cumulé de ces trois processus, on introduit la probabilité µ pour qu’un photon interagisse avec la matière : on l’appelle coefficient d’atténuation linéique. Lorsqu’un faisceau de photon traverse une épaisseur dx de matière, il y a variation du nombre de photon, on note dN cette variation. Le nombre dN de photons ayant disparu est proportionnel à la longueur de matériau traversé mais aussi au nombre de photons incidents. Et on peut écrire :6. Protection contre les rayonnements Gamma et X
Comprendre l’interaction entre rayonnement et matière nous permet de comprendre comment arrêter ces rayonnements ou comment les utiliser. Du fait de la masse nulle des photons et de leur vitesse, les chocs entre photons et matière ne sont pas monnaie courante, il faut un matériau dense (beaucoup d’atomes) et une épaisseur de matériau conséquente (encore plus d’atomes). Le coefficient d’atténuation linéaire n’est pas très élevé et il faudra donc une grande distance pour stopper les photons. Le rayonnement ? a un grand pouvoir de pénétration, pour le stopper il faut plusieurs mètres de béton.II. Interaction des rayonnements Alpha
1. Nature du rayonnement Alpha
Le rayonnement est constitué de noyaux d’hélium, elles n’ont plus grand-chose en commun avec l’atome d’hélium. En effet ces particules possèdent une charge électrique +2e, elles sont donc soumises essentiellement à l’interaction électrique. De plus ces noyaux d’hélium sont des particules très massives quand on les compare aux électrons par exemple. Ces deux caractéristiques vont nous permettre d’expliquer le parcours des particules a dans la matière.2. Ionisation de la matière
Lorsqu’une particule a pénètre dans la matière, la première chose qu’elle voit ce sont les nuages électroniques de chaque atome. Or une particule a est une particule chargée positivement et de ce fait, elle est très sensible aux électrons qui sont chargés négativement : c’est l’interaction électrique, deux particules de charge opposée s’attirent. De plus ces particules a ont une vitesse qui n’est pas négligeable, lorsqu’elle va passer à proximité d’un nuage électronique elle va arracher un électron de ce nuage électronique si bien que l’atome se retrouve ionisé : c’est pour cela qu’on dit que le rayonnement a est un rayonnement ionisant. En arrachant les électrons à l’atome, les particules a sont fortement freinées et perdent ainsi leur énergie cinétique.3. Protection contre le rayonnement Alpha
Du fait de l’interaction forte des particules a avec la matière, la distance qu’elle parcourt dans la matière est généralement très faible, il suffit d’une simple feuille de papier pour les arrêter. Ces particules dont les effets sont très néfastes pour la matière vivante (puisqu’elles ionisent les tissus et dénaturent molécules et cellules) sont donc les plus facilement stoppées, l’épiderme humain suffit comme protection puisque le parcours de celle-ci dans les tissus humains ne s’étend que sur quelques micromètres. Le danger ne provient donc pas de l’irradiation extérieure, en revanche l’ingestion d’une source de radioactivité a est dangereuse puisque la source va émettre des particules a à l’intérieur de l’organisme et ainsi détruire les tissus qui sont situés à proximité de cette source.II. Interaction des rayonnements Beta
1. Nature du rayonnement ß
Il existe deux types de rayonnement ß, les ß- et les ß+. Ces deux rayonnements sont constitués de particules chargées de masse faible : - les électrons de charge négative - les positrons de charge positive Le trajet de ces particules dans la matière est similaire seul changera la fin du parcours.2. Parcours des ß dans la matière
Tout comme les particules a, les ß sont des particules chargées, elles vont donc être sujettes à l’interaction électrique, la seule différence est la masse : les particules ß sont infiniment plus légères. Les particules ß interagissent avec la matière selon deux processus fondamentaux : - chocs avec un électron du cortège atomique qui provoque l’excitation ou l’ionisation du noyau - collision avec le noyau qui provoque l’émission d’un photon. Les ß étant de toutes petites particules, leur parcours dans la matière peut être sinueux et relativement long, elles sont donc plus pénétrantes que les particules a mais moins ionisantes.3. Protection contre les ß
Comme il a été dit plus hauts, les ß peuvent avoir un trajet assez long dans la matière, ces particules pourront parcourir quelques mètres dans l’air tout au plus. On peut approximer la loi de décroissance du nombre de particules par unité de longueur à une loi exponentielle, mais ceci ne restera qu’une approximation. Par exemple pour une particule ß de 2 MeV, son parcours sera de : - 6m dans l’air - 1cm dans l’eau - 3mm dans de l’aluminiumIV. Traitement des déchets radioactifs
1. Nature des déchets radioactifs
Comme nous l’avons vu au chapitre précédent, un combustible usé contient encore beaucoup d’Uranium, celui-ci pourra être recyclé en vue d’une utilisation ultérieure. On trouve aussi du plutonium qui peut être utilisé comme combustible dans les centrales de production d’énergie ou encore dans le domaine militaire. Ces deux composés constituent la partie recyclable du combustible. Le reste, c’est ce qu’on appelle les déchets radioactifs.2. Divers traitements
On peut classer les déchets en deux grandes catégories : - les sources radioactives à forte activité - les sources radioactives à faible activité Le plus faciles à traiter sont les sources à forte activité, en effet ces substances vont avoir une durée de vie très courte et vont subir un certain nombre de désintégration aboutissant à un élément stable. Il suffira pour cela d’attendre… Le seul inconvénient est que ces désintégrations radioactives vont dégager de l’énergie sous forme de chaleur, on confine donc les déchets radioactifs dans des cubes de verre qu’on plonge dans une piscine. Une fois cette source de chaleur un peu tarie, reste à s’occuper des autres déchets, ceux qui ont une durée de vie longue et qui seront encore là dans des centaines d’année. La seule solution trouvée est l’enfouissement. En effet, nous avons vu que les particules qui parcouraient le plus de distance dans la matière étaient les rayons ? et X et que leur nombre s’atténuait fortement avec la distance. On enfouit donc les déchets radioactifs à plusieurs mètres de profondeur sous des tonnes de béton, on espère ainsi que les rayonnements n’atteignent que pas, ou très peu la surface et c’est bien le cas. Le souci majeur est alors de trouver un endroit approprié à l’enfouissement, c'est-à-dire un endroit où l’eau ne pénètre pas. En effet celle-ci provoquerait soit la remontée des déchets, soit l’altération des matériaux contenant les déchets.V. La radioactivité en médecine
1. Radiographie
Nous l’avons vu, les rayons X ne traversent pas avec la même aisance tous les matériaux, l’atténuation des rayons X est fonction du matériau traversé (facteur d’atténuation linéaire µ). C’est cette propriété qui est utilisée dans la radiographie à rayons X. Les muscles, les tissus et les os ne laissent pas passer les rayons X de la même manière, il est donc possible, en mesurant l’intensité des rayons X transmis, de déduire les éléments du corps qui ont été traversé par les rayons X.2. Radiothérapie
Une autre application des rayonnements radioactifs est la radiothérapie. Nous avons vu que les rayonnements radioactifs étaient des rayonnements ionisants et que de ce fait, ils pouvaient détruire les molécules et cellules On utilise cette propriété pour éradiquer certaines cellules cancéreuses, en effet ces cellules, sont malades, elles se reproduisent plus vite et sont plus sensibles aux rayonnements ionisant, en soumettant ces cellules à une certaine dose de rayons X, on peut les éliminer et ainsi faire disparaître la tumeur.3. Stérilisation
Le même phénomène d’ionisation est à l’origine d’une autre application des rayonnements radioactifs : la stérilisation des instruments chirurgicaux et des aliments. Les rayonnements ionisants sont capables de détruire, à certaines doses, de détruire les microorganismes et les bactéries.4. Traceurs
Un isotope radioactif possède exactement les mêmes propriétés que son confrère stable, la seule différence c’est qu’il émet des rayonnements. On utilise en médecine certains éléments radioactifs tels que le potassium-40ou encore le thallium. En introduisant un isotope radioactif à faible dose dans le corps humain, on peut détecter le rayonnement émis par cet isotope et par conséquent détecter le trajet de ce cet élément dans le corps. Il est à noter que les quantités qui sont utilisées sont faibles et que la période de ces radio-isotopes s’étend de quelques minutes à quelques jours. Dans toutes ces utilisations de la radioactivité, un problème crucial est celui de la dose à utiliser.Questions de doses
1. Dose absorbée
Une source radioactive est une substance dont certains noyaux subissent une désintégration radioactive. Lors de ces désintégrations des particules sont émises (, ß, ou X), le nombre de particules émise par seconde définit l’activité de cette source (unité : becquerel). Une fois ces particules émises, nous avons vu qu’elles allaient parcourir la matière et par la même occasion transférer de l’énergie à celle-ci, on définit la dose absorbée par la quantité d’énergie transférée par un rayonnement par unité de masse, son unité est le Gray (Gy) et 1 Gy= 1J.kg-1. Dans la pratique, on utilise une autre unité, plus commode, le rad (radiation absorbed dose) qui vaut 10-2Gy. La dose absorbée est donc un critère purement physique, elle n’est représentative que du transfert d’énergie entre rayonnement et matière, pour décrire les effets biologiques, on utilise une autre grandeur : la dose biologique équivalente.2. Dose biologique équivalente
La dose biologique équivalente, qu’on note H tient compte de la nocivité de chacun des rayonnements en ce qui concerne les tissus vivants. On introduit ainsi l’efficacité biologique relative (EBR) qui est un facteur variant de 1 à 20 (1 c’est pour ? et ß, au dessus c’est pour a). La dose biologique équivalente informe sur les dégâts biologiques des rayonnements, elle est donnée par :3. Un bain de rayonnement
Chaque jour, nous sommes soumis à un ensemble de rayonnement qui nous proviennent de sources différentes. Cette exposition aux rayonnements est de deux types : exposition naturelle et exposition artificielle. Exposition naturelle Les rayonnements ionisants que nous recevons de sources naturelles ont des origines diverses et se répartissent en trois principaux types : - les rayonnements cosmiques : ils proviennent de l’espace extra-terrestre et en particulier du Soleil. En Europe, ils se traduisent, pour tous ceux qui vivent à une altitude voisine du niveau de la mer, par une irradiation moyenne d’environ 0,30 millisievert par an. Lorsqu’on s’élève en altitude, l’exposition aux rayonnements augmente. - les éléments radioactifs contenus dans le sol : il s’agit principalement de l’uranium, du thorium ou du potassium. Ces éléments provoquent en moyenne pour chacun de nous en France une irradiation d’environ 0,35 millisievert par an. Il faut noter que dans certaines régions de France et du monde, dont le sol contient des roches comme le granit, ces irradiations sont plus fortes. - les éléments radioactifs naturels que nous absorbons en respirant ou en nous nourrissant : les émanations gazeuses de certains produits issus de la désintégration de l’uranium contenu dans le sol tel que le radon, ou le potassium des aliments dont nous fixons une partie dans notre organisme provoquent chez chacun d’entre nous, en moyenne, une irradiation de 1,55 millisievert par an. La principale source d’irradiation naturelle est le radon 222, gaz naturel radioactif. Elle représente environ un tiers de l’irradiation reçue et augmente dans les régions granitiques Exposition artificielle Pour chaque habitant, l’exposition annuelle moyenne aux sources artificielles d’irradiation est d’environ 1 millisievert. Celles-ci sont principalement : - les irradiations médicales, il s’agit principalement des radiographies médicales et dentaires qui provoquent une irradiation externe proche de 1 millisievert par an (moyenne en France). - les activités industrielles non nucléaires, la combustion du charbon, l’utilisation d’engrais phosphatés, la télévision, les montres à cadrans lumineux entraînent, en moyenne, une irradiation de 0,01 millisievert par an. - les activités industrielles nucléaires Les centrales nucléaires, les usines de retraitement, les retombées des anciens essais nucléaires atmosphériques et de Tchernobyl, etc., exposent chaque homme en moyenne à 0,002 millisievert par an.I. Généralités
1. Transmutations
Du moyen âge à la renaissance des hommes ont tenté de transformer du plomb en or, mis à part leur ambition de s’enrichir ces alchimistes ont l’envie naturelle de vouloir changer les choses qui ne leur plaisaient pas, on pourrait ainsi imaginer pouvoir changer le métal des bombes en fleur, le monoxyde de carbone en oxygène etc. Malheureusement, nous savons tous que ces transformations relèvent de l’imaginaire et nous paraissent être les rêves d’un esprit dérangé... pourtant la nature est capable de transformer un élément en un autre et cette transformation est appelée transmutation. Pourquoi donc ne pas imiter la nature se sont dit les physiciens, alors ils se sont mis, eux aussi à l’intérieur de leur laboratoires et de leurs usines à changer la nature des noyaux : ce sont les réactions nucléaires provoqués. Voilà donc le chemin que nous allons suivre dans ce chapitre : Tout d’abord nous nous intéresserons aux réactions nucléaires naturelles ou désintégrations radioactives et ensuite nous verrons comment les hommes sont pu, après avoir observé la nature, procéder eux même à la réalisation de réactions nucléaires pour produire de l’énergie.2. Les lois de Soddy
Les exemples de transformations radioactives que nous avons présenté au paragraphe précédent font rêver mais elles sont (pour l’instant du moins) irréalisables. En effet, comme toute réaction, les réactions nucléaires suivent des lois strictes qui limitent grandement leur réalisation, ces lois portent le nom de lois de Soddy : Considérons la réaction suivante : Cette réaction ne peut se produire que si :- Lors d’une transformation radioactive, le nombre de charge se conserve
- Lors d’une transformation radioactive, le nombre de masse se conserve
- Dans toute réaction nucléaire, il y a conservation de la quantité de mouvement.
- Dans toute réaction nucléaire, il y a conservation de l’énergie totale (Ec + m0.c²) ; m0.c² étant l’énergie de masse.
II. Les désintégrations radioactives
1. Origine des désintégrations
Nous avons vu au chapitre précédent que tous les noyaux qui constituent la matière qui nous entoure ne sont pas des modèles de stabilité or l’instabilité est une chose peu appréciée dans la nature et la nature transforme spontanément les noyaux instables en noyaux stables via une désintégration radioactive. Ces transformations sont spontanées, aléatoire et inéluctables. On répertorie diverses causes d’instabilité et à chacune de ces causes la nature associe une désintégration radioactive (ou forme de radioactivité).2. La radioactivité Alpha
La stabilité d’un noyau se traduit par l’équilibre entre les forces de répulsions coulombiennes et l’interaction forte qui tend à rassembler les noyaux. Lorsque le noyau devient trop volumineux les forces de répulsions prennent le pas sur les forces d’attraction et le noyau perd en stabilité. La perte de stabilité peut être telle que le noyau préfère expulser un ensemble de quatre nucléons : c’est la radioactivité a. Au départ la radioactivité a fut observée comme un rayonnement inconnu dévié par les champs électrique et magnétique. C’est Rutherford, en 1908, qui identifia ces particules a à des noyaux d’hélium composé de deux protons et de deux neutrons, ces particules a sont donc chargées positivement (charge = +2e). La radioactivité a concerne donc des noyaux lourds, si X est un noyau lourd qui subit une transformation radioactive de type a, la réaction s’écrit :- avant l’émission radioactive :
- après l’émission radioactive :
3. La radioactivité
Radioactivité - Lorsque le noyau contient trop de neutrons, les forces d’attraction ont tendance à prendre le pas sur les forces de répulsion. La solution qu’est la radioactivité a n’est pas toujours valable, en particulier pour les noyaux légers, c’est pourquoi la nature a trouvé un autre moyen : elle transforme un neutron en proton et du coup éjecte un électron, cette transformation porte le nome de radioactivité -. Lors de cette transformation, le noyau père X transforme un de ses protons en neutron pour donner un noyau fils Y. Cette transformation s’accompagne de l’émission d’un électron mais aussi d’une particule un peu particulière l’antineutrino :4. Capture électronique
Une transformation radioactive telle que la transformation + est couteuse en énergie. Or cette énergie n’est pas toujours disponible, la nature est donc contrainte d’emprunter un autre chemin moins coûteux : la capture électronique. La capture électronique est une transformation mineure qui concurrence la radioactivité + lorsque l’énergie disponible est insuffisante. Lors de cette transformation un électron du cortège électronique est absorbé par le noyau ayant pour effet la transformation d’un neutron en proton, tout comme pour la radioactivité +, cette transformation s’accompagne de l’émission d’un neutrino. Le neutrino étant une particule très discrète, ce processus est lui aussi très discret et serait sûrement passé inaperçu si l’électron qui est capturé ne provenait pas du cortège électronique de l’atome. En effet, l’électron capturé est un des électrons de cœur du cortège électronique (le plus près du noyau), lorsqu’il est capturé il résulte une lacune dans ce cortège électronique qui doit se réarranger en émettant des rayons X que l’on détecte. L’exemple le plus connu de capture électronique est le potassium 40, 11% de cet isotope du potassium présent dans le corps humain se désintègre par capture électronique.5. La radioactivité Gamma
Lorsqu’une désintégration a ou a lieu, elle laisse en général le noyau dans un état d’énergie supérieur à la normale, on dit que le noyau est dans un état excité. Ce noyau ne reste pas avec un surplus d’énergie il va le perdre en émettant une particule d’énergie semblable aux particules X ou tout simplement à la lumière : c’est la radioactivité Gamma.6. Temps et réaction nucléaires
Toutes ces désintégrations radioactives nous assurent une chose : La matière qui nous entoure est instable et elle change constamment ! Pourtant votre feuille ne se transforme pas en azote pendant que vous écrivez, le fer de votre chaise ne se transforme pas en plomb pendant l’heure de cours C’est donc que ces désintégrations radioactives sont, le plus souvent, des réactions lentes ! Or comme nous l’avons vu au paragraphe I.1, la radioactivité est un phénomène inévitable mais aléatoire, on ne peut donc pas prédire avec certitude quand aura lieu une désintégration, il faut faire intervenir les probabilités. Soit :- la probabilité que le noyau a de se désintégrer par unité de temps.
- N(t) le nombre de noyaux radioactif à l’instant t.
- N0 le nombre de noyau radioactif à l’instant initial.
7. Activité et filiation radioactive
Lors des désintégrations, des particules sont émises, et comme nous le verrons dans le prochain chapitre certaines de ces particules peuvent être nocives pour l’homme. Pour évaluer la nocivité d’un échantillon radioactif, il faut pouvoir estimer le nombre de désintégrations ayant lieu en une seconde : c’est ce qu’on appelle l’activité de l’échantillon. L’activité d’une source radioactive notée A est le nombre de désintégrations s’y produisant par seconde.III. Les réactions nucléaires provoquées
1. L’échelle des énergies
Pour comprendre l’intérêt des physiciens pour les réactions nucléaires, il faut s’intéresser aux énergies mises en jeu. Commençons par déterminer l’ordre de grandeur des énergies mises en jeu lors des réactions de combustion. L’enthalpie de combustion du carbone (Graphite) est de l’ordre de 394kJ/mol, cequi est équivalent à 2,46.1024eV/mol soit pour un atome de carbone :2. La fission
Certains noyaux volumineux sont peu stables, en effet ils sont tellement volumineux que l’interaction forte a du mal à coller les nucléons les uns aux autres : ce sont les noyaux fissiles. Ces noyaux se comportent alors comme une goutte liquide. Si on les fait grossir encore un tout petit peu la goutte liquide se scinde en deux gouttes plus petites : c’est la fission nucléaire.- si les neutrons arrivent trop vite, ils voient à peine les noyaux fissiles si bien qu’ils interagissant très peu avec eux (on dit que la section efficace est faible). Ces neutrons vont subir de simples chocs sur les noyaux sans être captés par eux.
- Les neutrons rapides ne provoquent que très peu de réactions de fission, il faut des neutrons dits lents, l’énergie de ces neutrons est alors de l’ordre de l’électronvolt. Lorsqu’un neutron lent arrive sur le noyau, il va être absorbé par celui-ci, et cet intrus provoquera un cataclysme au niveau du noyau fissile qui se scinde en deux.
3. La fusion
La fusion est la réaction nucléaire qui fait briller le soleil. Elle correspond à l’interpénétration de deux noyaux légers pour donner naissance à un noyau plus lourd. La voie de fusion la plus envisagée est celle qui concerne deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium.
L'électricité, est la science qui nous permet de comprendre le fonctionnement des appareils électriques que nous cotoyons quotidiennement. Vous y apprendrez que des particules invisiblent circulent constamment dans les conducteurs, qu'il y a diverses façon de fabriquer un circuit électrique mais que pour faire un circuit il faut toujours des composants! C'est en associant correctement les divers composants que vous découvrirez que vous pourrez fabriquer un circuit électrique fiable et opérationnel, le tout étant d'éviter d'électrocuter qui que ce soit!
L'électromagnétisme, est la science qui étudie l'action des particules chargée, des courants et des ondes que ceux-ci peuvent créer. Avant de parler d'électromagnétisme à proprement parler, il vous faudra étudier les charges fixes : c'est le role de l'électrostatique. Ensuite, il vous faudra étudier les courants permanents: c'est la magnestostatique. C'est seulement avec ces bases que vous pourrez vous attaquer à l'électromagnétisme, c'est à dire à la propagation des ondes électromagnétiques telles que la lumière ou les ondes radio. Vous comprendrez par exemple comment fonctionnent les radars, mais ne comptez pas les éviter!
La mécanique, est la science qui nous permet de comprendre le mouvement des objets qui nous entourent. De la simple pomme qui tombe de l'arbre au mouveemnt des planètes et des étoiles qui constellent nos nuits! Vous apprendrez ici à décrire les trajectoires des corps en mouvement puis en vous appuyant sur l'observation du passé vous découvrirez peu à peu comment on peut prédire l'avenir! Enfin, en ce qui concerne la position de ceux-ci, n'espérez pas gagner au loto grace à la mécanique...
L'optique, est la science qui vous aidera à comprendre ce que vous voyez! Dans un monde où l'apparence est si importante vous y découvrirez comment le sinstruments d'optique sont conçus pour améliorer notre vision des choses, comment l'oeil humain fonctionne et quels sont ses défauts. Enfin vous saurez expliquer l'arc en ciel et ces couleurs étranges qui peuvent apparaitre lorsque la lumière traverse un rideau ou se réfléchi sur une flaque d'huile..
La radioactivité, est la science qui s'intéresse à la stabilité de la matière. Vous y ferez un voyage au coeur de la matière jusqu'au centre de l'atome oùvous rencontrerez le noyau atomique et les quarks qu'il contient. Vous apprendrez que la matière n'est pas toujours stable et que pour remédier à cette instabilité la nature a trouvé un moyen: les réactions radioactives! Enfin vous verrez que l'Homme exploite aussi cette instabilité de la matière en provoquant des réactions nucléaires ! la fission et la fusion!
La spectrométrie, est une méthode d'analyse non destructive de la matière. Elle permet de sonder le coeur des molécules, d'identifier les liaisons entre composés voire les liaisons au sein d'un même composé. Il existe diverses méthodes spectroscopiques qui diffèrent par l'énergie de l'onde qu'on envoie sur la matière et donc par l'objectif de l'analyse spectroscopique.
La thermodynamique, science universelle qui rassemble la mécanique et les échanges thermiques, elle permet de définir l'état d'équilibre d'un système, d'en prévoir l'évolution qu'il s'agisse d'un système physique ou chimique!