21.2 : Équations nucléaires

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Objectifs d'apprentissage

Identifier les particules et les énergies communes impliquées dans les réactions nucléaires
Écrire et équilibrer des équations nucléaires

Les modifications des noyaux qui entraînent des modifications de leur numéro atomique, de leur nombre de masse ou de leur état énergétique sont des réactions nucléaires. Pour décrire une réaction nucléaire, nous utilisons une équation qui identifie les nucléides impliqués dans la réaction, leur nombre de masse et leur numéro atomique, ainsi que les autres particules impliquées dans la réaction.

Types de particules dans les réactions nucléaires

De nombreuses entités peuvent être impliquées dans des réactions nucléaires. Les plus courants sont les protons, les neutrons, les particules alpha, les particules bêta, les positrons et les rayons gamma, comme le montre la figure\(\PageIndex{1}\). Les protons\( (\ce{^{1}_{1}p}\), également représentés par le symbole,\(\ce{^1_1H})\) et les neutrons\( (\ce{^1_0n})\) sont les constituants des noyaux atomiques et ont été décrits précédemment. Les particules alpha\( (\ce{^4_2He}\), également représentées par le symbole,\(\ce{^{4}_{2}\alpha})\) sont des noyaux d'hélium à haute énergie. Les particules bêta\( (\ce{^{0}_{−1}\beta}\), également représentées par le symbole,\(\ce{^0_{-1}e})\) sont des électrons de haute énergie, et les rayons gamma sont des photons de rayonnement électromagnétique de très haute énergie. Les positrons\( (\ce{^0_{+1}e}\), également représentés par le symbole,\(\ce{^0_{+1}β})\) sont des électrons chargés positivement (« anti-électrons »). Les indices et les exposants sont nécessaires pour équilibrer les équations nucléaires, mais ils sont généralement facultatifs dans d'autres circonstances. Par exemple, une particule alpha est un noyau d'hélium (He) avec une charge de +2 et un nombre de masse de 4, elle est donc symbolisée\(\ce{^4_2He}\). Cela fonctionne parce que, en général, la charge ionique n'est pas importante dans l'équilibrage des équations nucléaires.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Bien que de nombreuses espèces soient rencontrées lors de réactions nucléaires, ce tableau résume les noms, les symboles, les représentations et les descriptions des plus courantes d'entre elles.

Notez que les positrons sont exactement comme les électrons, sauf qu'ils ont la charge opposée. C'est l'exemple le plus courant d'antimatière, des particules ayant la même masse mais l'état opposé à une autre propriété (par exemple, la charge) que la matière ordinaire. Lorsque l'antimatière rencontre la matière ordinaire, les deux sont annihilées et leur masse est convertie en énergie sous forme de rayons gamma (γ) et d'autres particules subnucléaires beaucoup plus petites, qui dépassent le cadre de ce chapitre, selon l'équation d'équivalence masse-énergie\(E = mc^2\), vue dans la précédente section. Par exemple, lorsqu'un positron et un électron entrent en collision, les deux sont annihilés et deux photons gamma sont créés :

\[\ce{^0_{−1}e + ^0_{+1}e } \rightarrow \gamma + \gamma \label{21.3.1} \]

Les rayons gamma constituent un rayonnement électromagnétique de courte longueur d'onde et de haute énergie et sont (beaucoup) plus énergétiques que les rayons X mieux connus. Les rayons gamma sont produits lorsqu'un noyau passe d'un état d'énergie plus élevé à un état d'énergie plus faible, de la même manière qu'un photon est produit par une transition électronique d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau d'énergie inférieur. En raison des différences d'énergie beaucoup plus importantes entre les couches d'énergie nucléaire, les rayons gamma émanant d'un noyau ont des énergies généralement des millions de fois supérieures à celles du rayonnement électromagnétique émanant des transitions électroniques.

Équilibre des réactions nucléaires

Une équation de réaction chimique équilibrée reflète le fait que pendant une réaction chimique, les liaisons se brisent et se forment, et les atomes sont réarrangés, mais le nombre total d'atomes de chaque élément est conservé et ne change pas. Une équation de réaction nucléaire équilibrée indique qu'il y a un réarrangement au cours d'une réaction nucléaire, mais qu'il s'agit de particules subatomiques plutôt que d'atomes. Les réactions nucléaires suivent également les lois de conservation et sont équilibrées de deux manières :

La somme des masses des réactifs est égale à la somme des masses des produits.
La somme des charges des réactifs est égale à la somme des charges des produits.

Si le numéro atomique et le numéro de masse de toutes les particules d'une réaction nucléaire sauf une sont connus, nous pouvons identifier la particule en équilibrant la réaction. Par exemple, nous pourrions déterminer qu'il\(\ce{^{17}_8O}\) s'agit d'un produit de la réaction nucléaire de\(\ce{^{14}_7N}\) et\(\ce{^4_2He}\) si nous savions qu'un proton est l'un des deux produits.\(\ce{^1_1H}\) \(\PageIndex{1}\)L'exemple montre comment identifier un nucléide en équilibrant la réaction nucléaire.

Exemple\(\PageIndex{1}\): Balancing Equations for Nuclear Reactions

La réaction d'une\(α\) particule avec le magnésium 25\( (\ce{^{25}_{12}Mg})\) produit un proton et un nucléide d'un autre élément. Identifiez le nouveau nucléide produit.

Solution

La réaction nucléaire peut s'écrire comme suit :

\[\ce{^{25}_{12}Mg + ^4_2He \rightarrow ^1_1H + ^{A}_{Z}X} \nonumber \]

où

\(\ce A\)est le nombre de masse et
\(\ce Z\)est le numéro atomique du nouveau nucléide,\(\ce X\).

Parce que la somme des masses des réactifs doit être égale à la somme des masses des produits :

\[\mathrm{25+4=A+1} \nonumber \]

donc

\[ \mathrm{A=28} \nonumber \]

De même, les charges doivent être équilibrées, de sorte que :

\[\mathrm{12+2=Z+1} \nonumber \]

donc

\[\mathrm{Z=13} \nonumber \]

Consultez le tableau périodique : L'élément avec une charge nucléaire = +13 est de l'aluminium. Ainsi, le produit est\(\ce{^{28}_{13}Al}\).

Exercice\(\PageIndex{1}\)

Le nucléide\(\ce{^{125}_{53}I}\) se combine à un électron et produit un nouveau noyau et aucune autre particule massive. Quelle est l'équation de cette réaction ?

Réponse: \[\ce{^{125}_{53}I + ^0_{−1}e \rightarrow ^{125}_{52}Te} \nonumber \]

Voici les équations de plusieurs réactions nucléaires qui jouent un rôle important dans l'histoire de la chimie nucléaire :

Le premier élément instable naturel isolé, le polonium, a été découvert par la scientifique polonaise Marie Curie et son mari Pierre en 1898. Il se désintègre en émettant des particules α :\[\ce{^{212}_{84}Po⟶ ^{208}_{82}Pb + ^4_2He}\nonumber \]
Le premier nucléide préparé par des moyens artificiels était un isotope de l'oxygène, ¹⁷ O. Il a été fabriqué par Ernest Rutherford en 1919 en bombardant des atomes d'azote avec des particules α :\[\ce{^{14}_7N + ^4_2α⟶ ^{17}_8O + ^1_1H} \nonumber \]
James Chadwick a découvert le neutron en 1932, sous la forme d'une particule neutre jusqu'alors inconnue produite avec du ¹² C par la réaction nucléaire entre le ^{9 Be} et le ^{4 He} :\[\ce{^9_4Be + ^4_2He⟶ ^{12}_6C + ^1_0n} \nonumber \]
Le premier élément à préparer qui n'est pas présent naturellement sur la terre, le technétium, a été créé par le bombardement de molybdène par des deutons (hydrogène lourd\(\ce{^2_1H}\)), par Emilio Segre et Carlo Perrier en 1937 :\[ \ce{^2_1H + ^{97}_{42}Mo⟶2^1_0n + ^{97}_{43}Tc}\nonumber \]
La première réaction nucléaire en chaîne contrôlée a été réalisée dans un réacteur de l'université de Chicago en 1942. L'une des nombreuses réactions impliquées a été :\[ \ce{^{235}_{92}U + ^1_0n⟶ ^{87}_{35}Br + ^{146}_{57}La + 3^1_0n} \nonumber \]

Résumé

Les noyaux peuvent subir des réactions qui modifient leur nombre de protons, leur nombre de neutrons ou leur état énergétique. De nombreuses particules différentes peuvent être impliquées dans les réactions nucléaires. Les plus courants sont les protons, les neutrons, les positrons (qui sont des électrons chargés positivement), les particules alpha (α) (qui sont des noyaux d'hélium de haute énergie), les particules bêta (β) (qui sont des électrons de haute énergie) et les rayons gamma (γ) (qui composent le rayonnement électromagnétique de haute énergie). Comme pour les réactions chimiques, les réactions nucléaires sont toujours équilibrées. Lorsqu'une réaction nucléaire se produit, la masse totale (nombre) et la charge totale restent inchangées.

Lexique

particule alpha: Noyau d'hélium (α\(\ce{^4_2He}\) ou\(\ce{^4_2α}\)) à haute énergie ; atome d'hélium qui a perdu deux électrons et contient deux protons et deux neutrons

antimatière: particules ayant la même masse mais des propriétés (telles que la charge) opposées à celles des particules ordinaires

particule bêta: (\(β\)\(\ce{^0_{-1}e}\)ou\(\ce{^0_{-1}β}\)) électron de haute énergie

rayon gamma: Rayonnement électromagnétique (γ\(\ce{^0_0γ}\)) à courte longueur d'onde et à haute énergie qui présente une dualité onde-particule

réaction nucléaire: modification d'un noyau entraînant des modifications du numéro atomique, du nombre de masse ou de l'état énergétique

positron (\(\ce{^0_{+1}β}\)ou\(\ce{^0_{+1}e}\)): antiparticule à l'électron ; elle possède des propriétés identiques à celles d'un électron, sauf qu'elle a la charge opposée (positive)