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Vidéo de la leçon : Réactions nucléaires Chimie

Dans cette leçon, nous allons apprendre comment écrire et interpréter des réactions nucléaires.

14:45

Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons découvrir les noyaux stables et instables. Nous allons apprendre quel sont les différents types de particules émises par les noyaux instables et comment écrire les équations pour les réactions nucléaires. Comment savoir si un atome ou une particule sera instable et donc radioactive ? La réponse dépend de sa stabilité nucléaire.

Dans le noyau d’un atome ou d’un ion se trouvent les protons chargés positivement et les neutrons neutres. Les protons et les neutrons sont appelés des nucléons. Nous utiliserons la notation p exposant plus pour représenter un proton et n exposant zéro pour représenter un neutron de charge nulle. Maintenant, bien qu’il y ait une répulsion électrostatique entre les protons, une autre force existe dans le noyau, empêchant les particules du noyau de se désintégrer. Cette autre force s’appelle l’interaction nucléaire forte. L’interaction nucléaire forte est une force d’attraction très puissante agissant sur les particules subatomiques proches les unes des autres. Elle stabilise le noyau en maintenant les nucléons ensemble car elle est beaucoup plus forte que la répulsion électrostatique entre protons chargés positivement.

Comme l’interaction nucléaire forte n’agit que sur les particules proches les unes des autres, on dit que c’est une force à courte portée, et qu’elle agit entre protons et neutrons, neutrons et neutrons, et même entre protons et protons. Plus il y a de protons dans le noyau, plus il faut de neutrons pour stabiliser les forces de répulsion entre les protons chargés positivement. Pour la stabilité, un rapport équilibré de neutrons sur protons est nécessaire. S’il n’y a pas assez de neutrons pour le nombre de protons, la répulsion et l’attraction dans le noyau sont déséquilibrées et le noyau devient instable. Les noyaux instables se désintègrent pour atteindre un état plus stable. Nous pouvons utiliser le rapport neutrons/protons et un graphique particulier appelé vallée de stabilité pour déterminer si l’atome d’un élément sera radioactif et instable ou non.

La vallée de stabilité est un graphique représentant le nombre de neutrons dans le noyau sur l’axe des y versus le nombre de protons sur l’axe des 𝑥. La ligne noire, tracée à 45 degrés par rapport à l’axe des 𝑥, représente les noyaux dont le rapport neutrons / protons est d’un sur un, soit de un. Les points en bleu représentent les noyaux stables, et cette bande bleue est appelée vallée de stabilité. Sur cette partie de la bande, nous pouvons voir que les éléments légers de moins de 20 protons ont des noyaux stables lorsque le rapport neutrons/protons est d’environ un. En d’autres termes, la bande bleue suit de près la ligne noire avec un rapport neutrons protons d’environ un pour un.

Les éléments avec un nombre atomique ou de protons supérieur à 20 ont besoin de plus de neutrons que de protons pour maintenir un noyau stable. En d’autres termes, plus il y a de protons, plus il faut de neutrons pour assurer la stabilité. C’est pourquoi la majeure partie de la bande bleue se situe au-dessus de la droite de rapport neutron-proton. Ainsi, pour des éléments légèrement plus lourds, le rapport stable de neutrons sur protons nous donne une valeur d’environ 1,2. Pour des éléments encore plus lourds, le rapport neutrons-protons est d’environ 1,3. Et pour les éléments très lourds, le rapport des neutrons sur protons est d’environ 1,5 neutrons.

Tout point du graphique en dehors de la bande bleue, en d’autres termes, toute valeur du rapport neutrons-protons hors de la vallée de stabilité, indique un noyau instable. Un tel noyau subira une décroissance radioactive spontanée pour devenir plus stable. Alors, comment la vallée de stabilité nous aide-t-elle à déterminer quel type de décroissance radioactive se produira pour un noyau instable ? Lorsque le rapport neutrons-protons est situé à gauche de la vallée de stabilité, cela indique qu’il y a trop de neutrons dans le noyau. L’isotope ou l’atome émettra une particule bêta.

Les particules bêta sont comme des électrons de haute énergie. Les particules bêta sont produites à partir de la transformation d’un neutron en proton. Ainsi, le nombre de neutrons diminue tandis que le nombre de protons augmente lors de l’émission de la particule bêta. Le problème du trop grand nombre de neutrons est ainsi résolu et la stabilité du noyau augmente. C’est par exemple le cas quand l’isotope cuivre 66 radioactif est transformé ou se désintègre en l’isotope zinc 66 et libère une particule bêta. Comme nous l’avons dit, une particule bêta est comme un électron à haute énergie. Notez que le nombre de masse reste inchangé car le nombre total de nucléons est resté le même. Cependant, le nombre de protons a augmenté d’une unité, provoquant la transformation du cuivre en l’élément zinc.

Un rapport neutrons-protons juste à droite de la vallée de stabilité indique une instabilité due à un nombre trop faible de neutrons dans le noyau. Pour augmenter la stabilité, un proton peut être transformé en neutron et une particule positron est émise. Un positron est comme une particule bêta mais chargée positivement. Cette émission se traduit par une augmentation du nombre de neutrons et une diminution du nombre de protons.

La désintégration de l’isotope bore huit en l’isotope béryllium 8 avec la libération d’un positron en est un exemple. Notez la charge positive du positron. Encore une fois, le nombre de nucléons n’a pas changé, mais cette fois, le nombre de protons a diminué d’une unité. Il y a quatre protons dans le noyau du béryllium et cinq dans celui du bore. Lorsque le rapport neutrons-protons est inférieur à la droite de rapport un sur un, cela signifie qu’il y a trop de protons dans le noyau. Dans ce cas, une capture d’électrons se produit. Un électron interne est attiré dans le noyau et réagit avec un proton. Il en découle la formation d’un neutron et la libération de rayons X et gamma.

La capture d’électrons résout le problème du nombre de protons trop élevé. Le nombre de neutrons augmente et le nombre de protons diminue. On voit par exemple comment le noyau de l’argon 37 réagit avec un électron pour produire du chlore 37. Cette fois encore, le nombre total de nucléons ou le nombre de masse n’a pas changé, mais la stabilité du noyau s’est améliorée grâce à la formation d’un neutron et à l’élimination d’un proton.

Enfin, lorsqu’un élément présente à la fois trop de neutrons et un nombre atomique supérieur à 83, autrement dit un noyau très lourd, une particule alpha est émise. Le nombre de neutrons diminue, ainsi que le nombre de protons. Plus précisément, le nombre de neutrons diminue de deux, de même pour le nombre de protons. Ainsi, quatre nucléons sont émis. Le nombre de masse diminue alors de 4, mais le nombre atomique de seulement deux.

Fondamentalement, une particule alpha est donc un noyau d’un atome d’hélium, avec deux protons et deux neutrons. L’émission d’une particule alpha aide à résoudre le problème d’un noyau très lourd en l’allégeant presque instantanément de quatre nucléons. Ces processus de décroissance libèrent souvent de l’énergie sous la forme de rayons gamma ou de rayons X.

La célèbre équation d’Albert Einstein 𝐸 égale 𝑚𝑐 au carré, où 𝐸 représente l’énergie, 𝑚 la masse et 𝑐 la vitesse de la lumière, nous dit que l’énergie peut être convertie en masse et la masse en énergie. Dans ces processus de décroissance nucléaire, une très petite quantité de masse disparaît car elle est convertie en énergie à chaque décroissance.

Maintenant que nous savons définir la stabilité nucléaire et comment utiliser la vallée de stabilité pour déterminer le type de décroissance qu’une particule instable peut subir, intéressons-nous plus en détail aux réactions nucléaires. Mais d’abord, quelle est la différence entre une réaction chimique et une réaction nucléaire ? À ce stade de vos études de chimie, vous êtes probablement familier avec les réactions chimiques. Mais les réactions nucléaires sont différentes. Nous avons vu quelques équations de réactions nucléaires il y a quelques instants. Comparons maintenant les deux.

Les réactions chimiques impliquent des électrons externes lorsque deux ou plusieurs particules telles que des atomes ou des ions réagissent, alors que dans une réaction nucléaire, c’est le noyau d’une particule qui entre en jeu. Dans une réaction chimique, les éléments réactifs sont individuellement inchangés après la réaction, bien qu’ils puissent se lier ou se séparer, alors que dans une réaction nucléaire, presque toujours un élément est transformé en un autre ou en un de ses isotopes.

Dans une réaction chimique, même si différents isotopes d’un même élément réagissent, les produits sont les mêmes, tandis que dans une réaction nucléaire, différents produits se forment selon les isotopes du réactif. Et enfin, dans les réactions chimiques, les changements d’énergie sont relativement faibles, tandis que les réactions nucléaires produisent de grandes quantités d’énergie.

Maintenant, sur la dernière partie de cette vidéo, voyons quels sont les types de réactions nucléaires. Nous pouvons classer les réactions nucléaires en trois types : la fission, la fusion et la transmutation. Pendant la fission, un noyau lourd est divisé en deux ou plusieurs noyaux plus petits. De l’énergie est libérée, ainsi que d’autres petites particules. Au cours de la fusion, deux ou plusieurs noyaux légers se combinent pour former un noyau lourd ou plusieurs noyaux plus lourds. Des particules subatomiques et de grandes quantités d’énergie sont libérées. Le soleil et les autres étoiles génèrent leur immense énergie avec des réactions de fusion. La fission et la fusion sont abordées plus en détail dans une autre vidéo.

La transmutation est la transformation d’un atome d’un élément en un atome d’un autre élément. Selon cette définition, la fission et la fusion sont aussi parfois appelées réactions de transmutation, même si d’autres fois, comme ici, elles sont considérées comme un type différent de réactions. Nous pouvons diviser la transmutation en deux sous-types : la décroissance radioactive et le bombardement. Lors d’une décroissance radioactive, un isotope instable d’un élément se transforme spontanément en un nouvel élément en émettant un rayonnement. Nous l’avons vu précédemment lors de l’étude de la vallée de stabilité et des types de particules émises par des noyaux instables. L’isotope instable est appelé la particule mère, et la particule différente formée à partir de cette réaction nucléaire est appelée la particule fille. De nombreuses réactions de décroissance, par exemple la décroissance alpha, dégagent aussi d’autres types de radiations, comme des rayons gamma.

Pendant un bombardement, un noyau cible est bombardé de particules plus petites, et ils se combinent pour former un nouveau noyau plus grand. Les petites particules sont généralement des protons, des neutrons ou des particules alpha. Clarifions les choses et examinons quelques exemples spécifiques de réactions de décroissance radioactive et de bombardement.

Cette équation nucléaire de décroissance radioactive est la première étape de transmutation d’une série d’étapes de décroissance de l’uranium 238. Le noyau instable d’uranium 238 émet une particule alpha et se désintègre en thorium 234. Le thorium possède deux protons de moins que l’uranium car deux des protons de l’uranium ont été émis dans une particule alpha. Et le thorium a au total quatre nucléons de moins que l’uranium car le nombre de masse d’une particule alpha est quatre, quatre nucléons sont donc contenus dans la particule alpha.

Dans cette équation nucléaire, le carbone 14 est radioactif et se désintègre en azote 14 en émettant du noyau une particule bêta. Nous avons vu que lors d’une désintégration bêta, un neutron est transformé en proton. Donc, le nombre atomique a augmenté d’une unité, mais le nombre de masse est toujours 14. La première transmutation artificielle par bombardement est le bombardement d’azote gazeux par des particules alpha.

L’isotope 18 du fluor est instable. Et ainsi, la réaction continue, le produit se décomposant pour donner un isotope stable de l’oxygène, il libère un proton. Les éléments transuraniens sont des éléments avec un nombre atomique supérieur à 92, en d’autres termes, des éléments contenant plus de 92 protons. Et ce sont les éléments après l’uranium dans le tableau périodique. Les éléments transuraniens sont fabriqués artificiellement par transmutation par bombardement dans des accélérateurs de particules. Tous les éléments transuraniens sont instables et radioactifs et se désintègrent spontanément.

Maintenant, il est temps de résumer tout ce que nous avons appris. Dans cette vidéo, nous avons étudié la stabilité du noyau et comment elle dépend des forces nucléaires relatives, à savoir la répulsion électrostatique et l’interaction nucléaire forte. Nous avons également vu que la stabilité nucléaire dépend du rapport neutrons sur protons et que plus il y a de protons, plus le noyau aura besoin d’un nombre croissant de neutrons pour la stabilité.

Nous avons examiné le graphique représentant ce phénomène, appelé la vallée de stabilité, qui traduit le nombre de neutrons par rapport au nombre de protons dans les noyaux stables. Ce graphique nous a aidé à déterminer quels sont les noyaux stables des noyaux instables. Les différentes zones du graphique nous aident également à anticiper si ces noyaux instables vont subir une émission alpha, bêta ou positron ou une capture d’électrons pour améliorer leur stabilité.

Nous avons vu quelles sont les différences entre les réactions chimiques et nucléaires. Et enfin, nous avons examiné les types de réactions nucléaires, à savoir la fission, la fusion et la transmutation, et nous avons étudié quelques exemples d’équations spécifiques de transmutation par décroissance radioactive et par bombardement.

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