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Fiche explicative de la leçon : Radioactivité Sciences

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire le rayonnement produit par les noyaux atomiques qui se désintègrent.

Toute la matière qui nous entoure est constituée d’atomes. Les atomes pris individuellement sont beaucoup trop petits pour pouvoir être observés. Mais si les atomes sont en quantité suffisante, ils peuvent se regrouper de différentes manières pour former des objets assez grands pour être vus.

Les atomes sont composés de trois types de particules:les protons, les électrons et les neutrons. Ces particules sont appelées des « particules subatomiques », car elles sont plus petites qu’un atome.

Dans un atome, les protons et les neutrons sont très rapprochés et forment un groupe situé au centre de l’atome. C’est ce qu’on appelle le noyau. Bien que son volume soit relativement petit, le noyau contient la majeure partie de la masse de l’atome. C’est pour cette raison que l’on dit que le noyau est très dense.

Dans un atome, les électrons ne sont pas situés dans le noyau. Ils se situent en fait à l’extérieur du noyau.

La structure d’un atome est représentée sur la figure suivante.

Sur la figure ci-dessus, les protons sont représentés par un « + » car ils sont chargés positivement. Les électrons sont représentés par un «  » car ils sont chargés négativement. Les neutrons sont électriquement neutres.

Au sein du noyau, il existe des forces attractives et des forces répulsives qui s’exercent sur les particules. Les forces attractives attirent les particules du noyau les unes vers les autres. Tandis que les forces répulsives tendent à les éloigner les unes des autres.

Dans le noyau, les particules sont organisées de telle manière que ces forces s’annulent. L’effet des forces répulsives est contrebalancé par l’effet des forces attractives. On parle alors d’équilibre. Lorsque le noyau est en équilibre, la distance entre les protons et les neutrons restent constantes.

Exemple 1: Forces dans le noyau

Laquelle des affirmations suivantes décrit correctement les forces s’exerçant sur les particules du noyau d’un atome?

  1. Il n’existe aucune force s’exerçant sur les particules.
  2. Il n’existe que des forces répulsives s’exerçant sur les particules.
  3. Il existe des forces attractives et des forces répulsives s’exerçant sur les particules.
  4. Il n’existe que des forces attractives s’exerçant sur les particules.

Réponse

La bonne réponse est la réponse C. Il existe des forces attractives et des forces répulsives s’exerçant sur les particules.

S’il n’existait que des forces répulsives, les particules ne pourraient pas se regrouper. Les particules auraient au contraire tendance à s’éloigner les unes des autres et la distance entre chaque particule serait très grande.

S’il n’existait que des forces attractives, les particules seraient attirées les unes vers les autres de manière très forte et le noyau pourrait s’effondrer.

Dans un noyau, il existe à la fois des forces attractives et des forces répulsives s’exerçant sur les particules. Lorsque les particules prennent une disposition particulière, ces forces s’annulent:les forces attractives sont aussi fortes que les forces répulsives.

Lorsque les forces s’annulent, les particules sont en équilibre. Cela signifie qu’il n’y a pas de force résultante s’exerçant sur les particules. Mais cet équilibre est atteint en prenant en compte les effets des forces attractives et des forces répulsives.

Maintenant que nous avons compris la structure d’un atome, comparons maintenant les noyaux de deux atomes différents. Considérons la figure suivante, qui représente les noyaux de deux atomes.

Rappelons que les noyaux des atomes ne contiennent pas d’électrons. Sur cette figure, nous pouvons voir que chaque noyau contient un nombre différent de protons. Le noyau de gauche contient 3 protons et le noyau de droite contient 4 protons.

Comme les noyaux de ces atomes contiennent un nombre de protons différent, ils doivent correspondre à des atomes d’éléments différents. Un élément est un matériau constitué d’un seul type d’atome. Cela signifie qu’un élément est constitué uniquement d’atomes spécifiques à cet élément.

Pour savoir à quel élément appartient notre atome, il faut savoir combien de protons contient son noyau. Le nombre de protons contenus dans le noyau de l’atome est appelé le numéro atomique. Chaque élément possède un numéro atomique unique. Donc si l’on sait combien de protons se trouvent dans le noyau d’un atome, il est possible de savoir de quel élément il s’agit.

Par exemple, les métaux comme l’argent et l’or sont deux éléments. L’argent est composé uniquement d’atomes d’argent et l’or uniquement d’atomes d’or.

Le numéro atomique de l’argent est 47. Cela signifie que tous les atomes d’argent contiennent 47 protons dans leurs noyaux. Tout atome contenant 47 protons dans son noyau est un atome d’argent.

Le numéro atomique de l’or est 79. Cela signifie que tous les atomes d’or contiennent 79 protons dans leurs noyaux. Tout atome contenant un nombre différent de protons est un atome d’un autre élément.

Maintenant, nous allons parler du nombre de neutrons présents dans un noyau. Considérons la figure suivante, qui représente les noyaux de deux atomes.

Rappelons que les noyaux des atomes ne contiennent pas d’électrons. Sur cette figure, les deux noyaux contiennent le même nombre de protons. Cela signifie que ces noyaux appartiennent à des atomes du même élément. Mais le noyau de gauche contient trois neutrons. Le noyau de droite contient 4 neutrons.

Le nombre de neutrons dans le noyau ne nous apporte aucune information sur l’élément de cet atome. Des atomes du même élément peuvent contenir des nombres de neutrons différents. Par exemple, certains atomes d’argent contiennent 60 neutrons, mais d’autres en contiennent 62.

Lorsque les atomes d’un même élément contiennent un nombre de neutrons différent, on dit qu’il s’agit de différents isotopes du même élément.

Par exemple, nous avons déjà mentionné deux isotopes de l’argent. L’un contient 60 neutrons, et l’autre 62 neutrons. Ces deux isotopes doivent toujours contenir 47 protons, sinon ce ne serait pas des atomes d’argent.

Nous avons maintenant vu comment se présente la structure des noyaux en fonction des différents éléments et isotopes. Voyons maintenant comment la structure d’un noyau atomique peut se transformer.

Certains atomes sont stables. Cela signifie que la composition de leurs noyaux ne peut se transformer que dans le cas où quelque chose se produit à l’extérieur du noyau pouvant provoquer un changement.

Certains atomes sont instables. Cela signifie que la composition de leurs noyaux peut se transformer même sans aucune cause extérieure de changement. Ces transformations ne peuvent être ni forcées ni prédites. Ces transformations sont donc qualifiées de spontanées.

Quand la composition d’un noyau change spontanément de cette manière, on parle de désintégration nucléaire.

Exemple 2: Spontanéité

Laquelle des affirmations suivantes concernant les transformations spontanées de la composition des noyaux atomiques des éléments chimiques est correcte?

  1. La composition d’un noyau atomique ne peut changer spontanément que pour les atomes de certains éléments.
  2. La composition d’un noyau atomique peut changer spontanément pour les atomes de n’importe quel élément.
  3. La composition d’un noyau atomique ne peut pas changer spontanément pour les atomes quels que soient les éléments considérés.

Réponse

La bonne réponse est la réponse A. La composition d’un noyau atomique ne peut changer spontanément que pour les atomes de certains éléments.

La composition d’un noyau atomique ne peut changer spontanément que si l’atome est instable. Si l’atome est stable, la composition de son noyau ne peut pas changer spontanément.

Certains éléments correspondent à des atomes qui sont toujours stables et d’autres à des atomes instables. La composition d’un noyau atomique ne peut donc changer spontanément que pour les atomes de certains éléments.

Exemple 3: Spontanéité

Laquelle des affirmations suivantes concernant la prédiction de la désintégration radioactive d’un noyau atomique instable est correcte?

  1. On ne peut pas prédire le moment où un noyau atomique instable va se désintégrer.
  2. On peut prédire le moment où un noyau atomique instable va se désintégrer.

Réponse

La bonne réponse est la réponse A. On ne peut pas prédire le moment où un noyau atomique instable va se désintégrer

La désintégration nucléaire est un phénomène spontané. Ici, spontané a deux sens:

  1. Il n’est pas possible de déclencher une désintégration nucléaire.
  2. Il n’est pas possible de prédire quand une désintégration nucléaire va se produire.

Il n’est donc pas possible de prédire le moment où un noyau atomique instable va se désintégrer.

Certains éléments sont stables et leurs atomes ne subissent pas de désintégration nucléaire. Parmi les éléments stables, on peut citer l’oxygène qui se trouve dans l’air que nous respirons. L’argent et l’or sont tous les deux des éléments chimiques stables.

Maintenant, considérons quelques éléments instables. Le radon est un exemple d’élément instable. Le radon est un gaz incolore et inodore qui est produit de manière naturelle dans les roches et le sol. Le numéro atomique du radon est 86. Cela signifie que les atomes de radon contiennent 86 protons dans leurs noyaux. Tous les atomes de radon peuvent subir une désintégration nucléaire spontanée.

Parmi les éléments instables, on peut également citer l’uranium et le plutonium.

Si un atome contient une proportion plus élevée de neutrons que de protons, il est moins susceptible d’être stable et par conséquent plus susceptible d’être instable.

Exemple 4: Stabilité des noyaux

Lequel des noyaux suivants est le plus susceptible d’être instable?

  1. un noyau avec une forte proportion de neutrons
  2. un noyau avec une faible proportion de neutrons
  3. un noyau avec un nombre identique de neutrons et de protons

Réponse

La bonne réponse est la réponse A. Un noyau avec une forte proportion de neutrons.

Un noyau est le plus susceptible d’être instable lorsqu’il contient une forte proportion de neutrons.

Un noyau ayant une faible proportion de neutrons est moins susceptible d’être instable qu’un noyau ayant une forte proportion de neutrons. Un noyau avec un nombre identique de neutrons et de protons est le moins susceptible d’être instable.

Nous avons maintenant vu que les éléments peuvent être soit stables soit instables et que les atomes correspondants aux éléments instables peuvent subir une désintégration nucléaire. Considérons maintenant les transformations qui se produisent dans le noyau lorsqu’un atome subit une désintégration nucléaire.

Lorsqu’il y a désintégration nucléaire, le noyau émet des particules ou des ondes électromagnétiques. Cela s’appelle le rayonnement nucléaire. Les atomes instables sont appelés radioactifs car ils émettent un rayonnement nucléaire quand ils se désintègrent.

Par exemple, le radon, l’uranium et le plutonium sont tous naturellement radioactifs.

Il existe trois types de désintégration nucléaire, qui correspondent aux trois manières dont un noyau peut se transformer:

  • la désintégration alpha (𝛼),
  • la désintégration bêta (𝛽),
  • la désintégration gamma (𝛾).

Chaque type de désintégration émet un type de rayonnement nucléaire différent. Le rayonnement gamma est constitué d’ondes électromagnétiques. Les rayonnements alpha et bêta sont tous les deux constitués de particules. Mais les particules émises par la désintégration alpha sont de type différent de celles émises par la désintégration bêta.

Le noyau se transforme de manière différente pour chaque type de désintégration.

Exemple 5: La composition du rayonnement nucléaire

Laquelle des affirmations suivantes décrit correctement la composition possible du rayonnement émis par des noyaux atomiques instables qui se désintègrent?

  1. Le rayonnement émis par les noyaux atomiques instables qui se désintègrent est constitué uniquement d’ondes électromagnétiques.
  2. Le rayonnement émis par les noyaux atomiques instables qui se désintègrent comprend des particules et des ondes électromagnétiques.
  3. Le rayonnement émis par les noyaux atomiques instables qui se désintègrent est constitué uniquement de particules.

Réponse

La bonne réponse est la réponse B. Le rayonnement nucléaire émis par les noyaux atomiques instables qui se désintègrent comprend des particules et des ondes électromagnétiques.

La composition exacte du rayonnement nucléaire émis lors d’une désintégration nucléaire dépend du type de désintégration.

La désintégration gamma émet uniquement des ondes électromagnétiques. Les désintégrations alpha et la désintégration bêta émettent toutes les deux des particules, mais de type différent.

Dans l’ensemble, le rayonnement nucléaire peut donc être constitué à la fois de particules et d’ondes électromagnétiques.

Résumons maintenant ce que nous avons vu dans cette fiche explicative.

Points clés

  • Les atomes contiennent un noyau qui est constitué de protons et de neutrons. Les atomes contiennent également des électrons, qui se trouvent autour du noyau.
  • Le numéro atomique permet de savoir à quel élément appartient un atome donné.
  • Les atomes d’un même élément contiennent toujours le même nombre de protons.
  • Les atomes ayant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons sont des isotopes du même élément.
  • Des atomes sont instables si la composition de leurs noyaux peut changer spontanément. Ces changements sont appelés des désintégrations nucléaires.
  • Lorsqu’un atome se désintègre, il émet un rayonnement nucléaire. Les atomes instables sont dits « radioactifs ».
  • Certains éléments sont naturellement radioactifs, tels que le radon, l’uranium et le plutonium. Les atomes de ces éléments se désintègrent spontanément.

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