Fiche explicative de la leçon: Réactions nucléaires Chimie • Première année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à écrire et à interpréter des réactions nucléaires.

Lors de réactions nucléaires, les noyaux atomiques passent d’un état à un autre. Les réactions nucléaires sont responsables de la production de presque tous les grands atomes de l’univers ainsi que de la production d’énergie solaire à l’intérieur du Soleil de température et pression très élevées. Les réactions nucléaires peuvent même être utilisées pour produire de l’électricité dans les centrales nucléaires et pour diagnostiquer des maladies en milieu hospitalier.

Le changement qui se produit au cours d'une réaction nucléaire est différent de celui qui se produit au cours d'une réaction chimique. Les réactions chimiques se produisent lorsque des électrons sont échangés entre au moins deux atomes qui interagissent ensembles. Bien que les réactions chimiques produisent différents composés, l’identité des atomes reste la même. Cela signifie qu’il y a le même nombre et le même type d’atomes dans les réactifs que dans les produits, mais ils sont simplement combinés de manières différentes, comme le montre le schéma suivant.

Au cours d’une réaction nucléaire, les neutrons et les protons peuvent être modifiés et des noyaux entiers peuvent se combiner ou se scinder. Ces changements entraînent souvent la transformation d’un atome d’un élément en un atome d’un élément complètement différent. Ces processus de transformation sont généralement accompagnés d'énormes variations d’énergie, qui peuvent être jusqu’à un million de fois plus grandes que la quantité d’énergie libérée au cours des réactions chimiques conventionnelles.

Les isotopes subissent des réactions chimiques similaires, étant donné qu’ils possèdent le même nombre d’électrons, alors qu’ils subiront des réactions nucléaires différentes, étant donné qu’ils possèdent un nombre différent de neutrons. Un isotope peut contenir davantage de nucléons qu’un autre isotope, ce qui le rend plus ou moins susceptible de subir une réaction nucléaire. Par exemple, le carbone 14 est utilisé pour déterminer l’âge des échantillons archéologiques à base de carbone, étant donné qu’il se transforme lentement en azote 14, alors que le carbone 12 n'est pas utile pour déterminer l’âge des découvertes des archéologues.

Ces différences entre les réactions chimiques et les réactions nucléaires peuvent être résumées dans le tableau suivant.

Les réactions nucléaires peuvent être représentées par une équation de réaction. Pour représenter les particules impliquées dans la réaction, nous utilisons la notation des nucléides , où représente le symbole de la particule (soit le symbole de l’atome), représente le nombre de masse (soit la somme du nombre de neutrons et de protons) et représente la charge de la particule (soit le nombre de protons dans le noyau).

Par exemple, la réaction utilisée pour la datation au carbone 14 est illustrée ci-dessous. Au cours de cette réaction, le carbone 14 se transforme en azote 14 et émet un électron : 

Pour qu’une réaction nucléaire soit équilibrée, le total et le total doivent être identiques des deux côtés de la flèche de réaction. Ceci est illustré ci-dessous : 

Au cours de cette réaction, le total des deux côtés de l’équation est de 14 et le total des deux côtés de l’équation est de 6, ce qui signifie que la réaction est parfaitement équilibrée.

Il existe trois types différents de réactions nucléaires : la fission, la fusion et la transmutation.

La fission se produit lorsqu’un noyau lourd est scindé en au moins deux noyaux plus petits. Elle produit beaucoup d’énergie qui est utilisée pour produire de l’électricité dans les centrales nucléaires.

La fusion se produit lorsqu’au moins deux noyaux plus légers se combinent pour former un noyau plus lourd. La réaction qui se produit dans le Soleil et dans d’autres étoiles est une réaction de fusion qui débute par la combinaison de noyaux d’hydrogène pour former de l’hélium.

La transmutation implique la transformation d’un atome d’un élément en un atome d’un autre élément. Il existe deux sous-types de transmutation : la décroissance radioactive et le bombardement.

La transmutation par décroissance radioactive est un processus subi par les isotopes instables dans la nature. Un isotope instable ou radioactif émet spontanément des particules ou de l’énergie, appelée rayonnement, ce qui entraîne sa transformation en un isotope plus stable. Il existe plusieurs types de décroissance radioactive qui seront discutés plus en détail ultérieurement.

La transmutation par bombardement entraîne également la transformation des atomes d’un élément en atomes d’un autre élément. Le bombardement est un processus induit au cours duquel un atome est bombardé avec des particules plus petites, telles que des neutrons ou des particules alpha, qui se combinent avec l’atome pour former un nouveau noyau plus grand.

Le premier exemple de transmutation par bombardement a eu lieu en 1919 quand le scientifique Ernest Rutherford a bombardé des atomes d’azote 14 avec des particules alpha. Seulement à l’époque, hormis le fait que des protons étaient émis, on ne savait pas clairement quel était l’autre produit de la réaction. Quelques ans plus tard, en 1925, le scientifique Patrick Blackett a identifié le noyau résiduel comme étant l’oxygène 17. Ce processus émet également des protons comme suit : 

Les éléments qui portent un numéro atomique supérieur à 92, appelés éléments transuraniens, ont été créés par bombardement. La plupart de ces éléments n’existent pas dans la nature et ils sont tous radioactifs.

Nous connaissons maintenant quelles sont les réactions nucléaires, en quoi elles diffèrent des réactions chimiques et les différents types de réactions nucléaires qui peuvent se produire. Toutefois, il reste un sujet important que nous n'avons pas encore couvert. Si le carbone 14 est instable et subit une décroissance radioactive pour former de l’azote 14, alors pourquoi le carbone 12 est-il stable et ne se désintègre-t-il pas ? 

La seule différence entre ces isotopes est leur nombre de neutrons : le carbone 12 en possède six, tandis que le carbone 14 en possède huit ; ainsi, l’explication doit être liée au nombre de neutrons de l'atome.

La cohésion des noyaux est rendue possible grâce à la force nucléaire, une force d’attraction extrêmement forte entre les protons et les neutrons présents dans le noyau. La forte attraction de la force nucléaire est la raison pour laquelle les protons chargés positivement dans le noyau ne se repoussent pas.

Les neutrons sont importants pour la stabilité nucléaire, car ils fournissent la plus grande partie de la force d’attraction nucléaire permettant de surmonter la répulsion électrostatique entre les protons dans le noyau. En présence du bon nombre de neutrons, une bonne cohésion sera maintenue dans le noyau par la force nucléaire et l’atome sera donc stable. S’il y a trop ou pas assez de neutrons dans le noyau, l’atome sera instable.

Le rapport neutrons/protons dans le noyau peut être utilisé pour prédire la stabilité nucléaire, car les atomes d’un élément ayant un rapport neutrons/protons spécifique seront stables. Ce rapport neutrons/protons stable peut être visualisé sur un graphique, tel que celui illustré ci-dessous, que l’on appelle communément la « vallée de stabilité ». Chaque point sur le graphique représente un isotope stable.

Les isotopes stables les plus abondants des éléments plus légers, portant des numéros atomiques inférieurs ou égaux à 20 ont un rapport neutrons/protons d’environ . Cependant, plus il y a de protons dans le noyau, plus il faut de neutrons pour que le noyau soit stable. Ceci se traduit par une augmentation progressive du rapport neutrons/protons qui tend vers pour les éléments plus lourds. Les isotopes n’appartenant pas à la vallée de stabilité seront radioactifs et finiront par se transformer en isotopes situés dans la vallée de stabilité au fil du temps.

Il existe différents types de décroissance radioactive que les isotopes peuvent subir afin de devenir stables. Nous aborderons plusieurs types de décroissance en détail, notamment la désintégration alpha, la désintégration bêta, l’émission de positons, la capture électronique et la désintégration gamma. Pour chaque type de décroissance, un rayonnement est émis par le noyau. Ce rayonnement peut être un type de particule, une énergie, ou une combinaison des deux.

Lorsqu’un noyau subit une désintégration alpha, une particule alpha est émise. Les particules alpha sont des noyaux contenant deux protons et deux neutrons ou l'ion . En émettant une particule alpha, le noyau perd deux protons et deux neutrons, ce qui diminue de 4 et de 2.

La réaction générale qui se produit au cours de la désintégration alpha d’un atome peut être représentée comme suit.

Au cours de la désintégration , un électron (ou une particule bêta) est émis par le noyau. Cet électron s'accompagne de la transformation d'un neutron en proton dans le noyau, ce qui augmente le nombre de protons dans le noyau de un. La désintégration n'entraîne pas de changement dans la valeur de , car la somme du nombre de protons et de neutrons demeure constante.

La réaction générale qui se produit au cours de la désintégration bêta () d’un atome peut être représentée comme suit.

Au cours du processus d'émission de positon, un positon est émis par le noyau. Un positon est une particule de même masse qu’un électron, mais de charge opposée . Au cours de ce processus, un proton est transformé en neutron dans le noyau. Comme le nombre de protons dans le noyau diminue de un, diminue de un, mais demeure constant.

La réaction générale qui se produit lorsqu’un atome subit une émission de positon peut être représentée comme suit.

Dans le cas de la capture électronique, un électron de basse énergie présent dans l’atome est absorbé par le noyau. Ce processus transforme un proton en neutron et est généralement accompagné par l’émission de rayons X. La capture électronique produit le même effet global que l’émission de positons, c'est-à-dire que diminue de un et demeure constant.

La réaction générale qui se produit lors de la capture électronique peut être représentée comme suit.

Au cours de la désintégration gamma, seuls des rayons gamma ou des photons de haute énergie sont émis. Lors de la désintégration gamma, un noyau dans un état excité diminue son énergie en émettant des photons. Comme les photons ne possèdent pas de masse ni de charge, ce type de décroissance ne modifie ni ni .

La réaction générale de la désintégration gamma est la suivante.

Il existe d’autres types de décroissance radioactive, tels que l’émission de proton, l’émission de neutron et l’émission de particule plus lourdes que les particules alpha, mais ils sont beaucoup moins fréquents et alors nous ne les envisagerons pas en détail ici.

Le tableau suivant résume les types courants de décroissance radioactive.

Maintenant que nous connaissons les différents types de décroissance radioactive, nous devons déterminer quels isotopes subiront quel type de décroissance. Nous pouvons déterminer cela en utilisant le rapport neutrons/protons.

Si le rapport neutrons/protons est trop élevé, l’isotope est situé au-dessus de la bande de stabilité et l’atome possèdera trop de neutrons pour être stable. Les atomes possédant trop de neutrons subiront une désintégration pour devenir stables, car la désintégration transforme un neutron en proton, ce qui contribue à réduire le rapport neutrons/protons.

Un exemple de cette réaction est le carbone 14, qui a un rapport neutrons/protons d’environ . Ce rapport neutrons/protons est trop élevé, car les atomes aussi légers que le carbone 14 devraient avoir un rapport neutrons/protons plus près de 1. Lorsque le carbone 14 subit une désintégration bêta (), il se transforme en azote 14 et son rapport neutrons/protons passe à 1 : 

Si le rapport neutrons/protons est trop faible, l’isotope est situé sous la vallée de stabilité et il deviendra stable par l'émission de positon () ou par la capture électronique. Ceci augmentera son rapport neutrons/protons, car ces deux processus transforment un proton en neutron. L'émission de positon () est plus fréquente pour les éléments plus légers, tandis que la capture électronique est plus fréquente pour les éléments plus lourds.

Le carbone 11 a un rapport neutrons/protons de 0,83, ce qui est inférieur à la vallée de stabilité. Il subit donc une émission de positon, ce qui le transforme en bore 11 et augmente son rapport neutrons/protons : 

La désintégration alpha se produit généralement pour les éléments plus lourds qui portent un nombre de masse supérieur à environ 200. L’uranium 238 est l’isotope le plus fréquent dans la nature. Ce nucléide lourd subit une désintégration alpha, ce qui le transforme en thorium 234 : 

Ces informations sont résumées dans le graphique suivant. Chaque région entourant la vallée de stabilité est codée par couleur en fonction du type de décroissance que subiront les atomes présentant ce rapport neutrons/protons afin de devenir stables.

Notez que les émissions gamma ne sont pas représentées sur ce graphique. La désintégration gamma ne se produit généralement pas spontanément. Elle accompagne généralement d’autres types de décroissance radioactive, en particulier la désintégration bêta. D’autres photons de haute énergie, comme les rayons X, peuvent également être émis lors des réactions nucléaires.

De l’énergie est souvent émise au cours des réactions nucléaires, car la masse n’est pas tout à fait constante au cours de ces réactions. Il y a en fait de minuscules variations de la masse des nucléides impliqués dans ces réactions. Comme énoncé dans la célèbre équation d’Einstein les variations de masse, comme celles se produisant au cours d'une réaction nucléaire, sont accompagnées d’une variation proportionnelle d’énergie. Cette variation d’énergie est émise lors d’une réaction nucléaire sous forme de rayons gamma ou d’autres photons.