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Le graphique fourni montre le nombre de protons et de neutrons pour tous les noyaux stables dont l’existence est connue. Quel nom donne-t-on à la zone du graphique dans laquelle se trouvent tous les noyaux stables ? (A) Ceinture des éléments, (B) nombre magique, (C) vallée de décroissance, (D) zone nucléaire forte ou (E) bande de stabilité.
Le noyau d’un atome contient des protons et des neutrons. Si le noyau contient trop d’énergie, trop de protons ou trop peu de neutrons, il peut devenir instable. Donc, le nombre de protons et le nombre de neutrons sont liés à la stabilité d’un noyau, c’est pourquoi dans le graphique des noyaux stables qui nous a été donné, les axes des 𝑥 et 𝑦 sont indiqués avec le nombre de protons et le nombre de neutrons. Plus précisément, c’est le rapport neutrons sur protons, ou 𝑁 sur 𝑍, qui est directement lié à la stabilité d’un noyau.
Les plus petits noyaux atomiques sont stables quand ils ont un rapport entre le nombre de neutrons et le nombre de protons d’exactement ou d’approximativement un. Nous pouvons le voir sur le graphique fourni. Comme la droite bleue a une pente de un, elle a donc un rapport neutrons sur protons de un. Les plus petits noyaux stables peuvent se trouver sur ou à proximité de cette droite. Les noyaux atomiques de taille moyenne ont tendance à être stables lorsque la valeur de 𝑁 sur 𝑍 est approximativement égale à 1,25. À mesure que le rapport entre le nombre de neutrons et le nombre de neutrons augmente, les points des données se rapprochent de l’axe nommé nombre de neutrons. Il y a des preuves de cela sur le graphique fourni. Les points des données au milieu sont au-dessus de la ligne bleue et plus proches de l’axe nommé nombre de neutrons.
Les gros noyaux stables ont tendance à avoir un rapport du nombre de neutrons sur protons d’environ 1,5. Nous pouvons le voir sur le graphique fourni. Les points des données sont encore plus loin de la droite 𝑁 sur 𝑍 égale à un. Si nous traçons la droite 𝑁 sur 𝑍 égale 1,5, nous pouvons voir que les points pour les données des grands noyaux stables sont plus proches de cette droite que de la droite 𝑁 sur Z égale un. Comme c’est le graphique des noyaux stables, la réponse à la question « quel nom donne-t-on à la zone du graphique dans laquelle se trouvent tous les noyaux stables ? » est (E) la bande de stabilité.
Le cercle orange sur la courbe représente l’isotope instable 138 55 Cs. Comment cet isotope pourrait-il se désintégrer pour former un noyau plus stable ? (A) une désintégration 𝛽 moins, (B) une désintégration 𝛼, (C) une capture d’électrons, (D) une désintégration 𝛽 plus, ou (E) une émission gamma.
Ce cercle orange représente cet isotope. Cs est le symbole chimique du césium. Cet isotope a un total de 138 protons et neutrons. Nous pouvons donc l’appeler césium 138. Comme cet isotope est instable, il peut subir une désintégration radioactive. La désintégration radioactive est l’émission spontanée de rayonnements provenant d’un noyau instable. Il existe différents types de désintégration radioactive. On nous a donné cinq types différents. Les noyaux atomiques instables auront tendance à subir le type de désintégration radioactive qui leur donne le rapport 𝑁 sur 𝑍 d’un noyau atomique stable. Ainsi, des noyaux différents libéreront différents types de rayonnements.
Regardons les options fournies une par une, en commençant par (A) une désintégration 𝛽 moins. Au cours de la désintégration 𝛽 moins, un neutron est transformé en proton. Donc, ce type de désintégration augmente le nombre de protons. Cela a tendance à se produire pour les espèces qui ont beaucoup de neutrons, donc les espèces qui sont riches en neutrons. L’option (B) est une désintégration 𝛼. Au cours de la désintégration 𝛼, une particule 𝛼, qui est identique à un noyau d’hélium, contenant deux protons et deux neutrons, est libérée. Ainsi, le nombre de protons et de neutrons dans le noyau va diminuer. Ce type de désintégration se produit pour les noyaux d’atomes très lourds, qui contiennent beaucoup de protons et beaucoup de neutrons.
L’option (C) est la capture d’électrons, et l’option (D) la désintégration 𝛽 plus. Ces deux processus impliquent la décomposition d’un proton en neutron. Mais la capture d’électrons se produit généralement pour les noyaux plus lourds qui ont un déficit en neutrons mais qui n’ont pas assez d’énergie pour subir une désintégration 𝛽 plus. Comme ces processus diminuent le nombre de protons et augmentent le nombre de neutrons, ils se produisent pour les noyaux riches en protons.
L’option (E) est l’émission gamma. Les rayons gamma sont émis par un noyau qui a un excès d’énergie. Nous ne connaissons que le nombre de neutrons et de protons, pas la quantité d’énergie dans le noyau. Nous pouvons donc exclure l’option (E) l’émission gamma.
Examinons maintenant le graphique et voyons quels noyaux sont riches en neutrons, en protons et proviennent d’atomes lourds. Les noyaux d’atomes lourds auront un grand nombre de neutrons et un grand nombre de protons. Les points des données de cette section du graphique représentent donc les noyaux d’atomes lourds. Si ces noyaux sont instables, ils sont plus susceptibles de subir une désintégration 𝛼. Les noyaux riches en protons seront plus proches de l’axe des 𝑥, car l’axe des 𝑥 est le nombre de protons. Ainsi, les noyaux de cette section du graphique subiront une désintégration 𝛽 plus ou une capture d’électrons s’ils sont instables.
Les noyaux riches en neutrons auront des points de données plus proches de l’axe des 𝑦. Donc, les noyaux instables dans cette section du graphique sont plus susceptibles de subir une désintégration 𝛽 moins. Le cercle orange se trouve dans la section du graphique où les noyaux instables sont les plus susceptibles de subir une désintégration 𝛽 moins. Donc, la réponse à la question « comment cet isotope pourrait-il se désintégrer pour former un noyau plus stable ? » est (A) une désintégration 𝛽 moins.
Mais il convient de noter que bien que nous ayons utilisé le graphique pour trouver la réponse à cette question, nous aurions pu utiliser le tableau périodique. Si nous trouvons le césium dans le tableau périodique, nous voyons qu’il a un numéro atomique de 55, ce qui signifie qu’il a 55 protons. Il a également une masse atomique de 132,91. Cette masse est calculée à l’aide de tous les isotopes connus et de leurs abondances relatives. Elle nous indique le nombre total de protons et de neutrons pour un atome moyen de césium.
L’isotope qui nous a été fourni est le césium 138. Comme 138 est considérablement plus grand que 132,9, nous pouvons en déduire que l’isotope instable qui nous a été fourni est riche en neutrons. Ainsi, cet isotope instable est plus susceptible de subir une désintégration 𝛽 moins pour former un noyau plus stable.
