10.S : Physique nucléaire (résumé)

Termes clés

activité	ampleur du taux de désintégration des nucléides radioactifs
rayons alpha (α)	l'un des types de rayons émis par le noyau d'un atome sous forme de particules alpha
désintégration alpha	désintégration nucléaire radioactive associée à l'émission d'une particule alpha
antiélectrons	un autre terme pour les positrons
antineutrino	antiparticule du neutrino d'un électron lors de la désintégration β−β−
masse atomique	masse totale des protons, des neutrons et des électrons dans un seul atome
unité de masse atomique	unité utilisée pour exprimer la masse d'un noyau individuel, où\(\displaystyle 1u=1.66054×10^{−27}kg\)
noyau atomique	groupe serré de nucléons au centre d'un atome
numéro atomique	nombre de protons dans un noyau
becquerel (Bq)	Unité SI pour le taux de désintégration d'une matière radioactive, égale à 1 désintégration/seconde
rayons bêta (ββ)	l'un des types de rayons émis par le noyau d'un atome sous forme de particules bêta
désintégration bêta	désintégration nucléaire radioactive associée à l'émission d'une particule bêta
énergie de liaison (BE)	énergie nécessaire pour décomposer un noyau en protons et neutrons qui le constituent
énergie de liaison par nucléon (BEN)	besoin d'énergie pour retirer un nucléon d'un noyau
réacteur surgénérateur	réacteur conçu pour produire du plutonium
datation au carbone 14	méthode pour déterminer l'âge des tissus autrefois vivants à l'aide du ratio\(\displaystyle ^{14}C/^{12}C\)
carte des nucléides	graphe comportant des noyaux stables et instables
masse critique	masse minimale requise d'un nucléide donné pour qu'une fission auto-entretenue se produise
criticité	condition dans laquelle une réaction en chaîne devient facilement autonome
curie (Chine)	unité de taux de désintégration, ou l'activité de 1 g de\(\displaystyle ^{226}Ra\), égale à\(\displaystyle 3.70×10^{10}Bq\)
noyau fille	noyau produit par la désintégration d'un noyau parent
pourriture	processus par lequel le noyau atomique individuel d'un atome instable perd de la masse et de l'énergie en émettant des particules ionisantes
constante de désintégration	quantité qui est inversement proportionnelle à la demi-vie et qui est utilisée dans l'équation du nombre de noyaux en fonction du temps
série Decay	série de désintégrations nucléaires aboutissant à un noyau stable
fission	scission d'un noyau
rayons gamma (γ)	l'un des types de rayons émis par le noyau d'un atome sous forme de particules gamma
désintégration gamma	désintégration nucléaire radioactive associée à l'émission de rayons gamma
demi-vie	le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d'origine se désintègre (ou que la moitié des noyaux d'origine restent)
dose élevée	dose de rayonnement supérieure à 1 Sv (100 rem)
isotopes	noyaux ayant le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents
à vie	durée moyenne d'existence d'un noyau avant sa décomposition
modèle Liquid Drop	modèle de noyau (uniquement pour comprendre certaines de ses caractéristiques) dans lequel les nucléons d'un noyau agissent comme des atomes dans une goutte
faible dose	dose de rayonnement inférieure à 100 mSv (10 rem)
défaut de masse	différence entre la masse d'un noyau et la masse totale de ses nucléons constitutifs
numéro de masse	nombre de nucléons dans un noyau
dose modérée	dose de rayonnement comprise entre 0,1 Sv et 1 Sv (10 à 100 rem)
neutrino	particule élémentaire subatomique qui n'a pas de charge électrique nette
nombre de neutrons	nombre de neutrons dans un noyau
fusion nucléaire	processus de combinaison de noyaux plus légers pour former des noyaux plus lourds
réacteur de fusion nucléaire	réacteur nucléaire qui utilise la chaîne de fusion pour produire de l'énergie
nucléons	les protons et les neutrons présents à l'intérieur du noyau d'un atome
nucléosynthèse	processus de fusion par lequel tous les éléments de la Terre sont supposés avoir été créés
nucléide	noyau
noyau parent	noyau d'origine avant la décomposition
positon	électron à charge positive
tomographie par émission de positons (TEP)	technique de tomographie qui utilise\(\displaystyle β^+\) des émetteurs et détecte les deux\(\displaystyle γ\) rayons d'annihilation, facilitant ainsi la localisation de la source
chaîne proton-proton	réactions combinées qui fusionnent des noyaux d'hydrogène pour produire des noyaux He
unité de dose de rayonnement (rad)	énergie ionisante déposée par kilogramme de tissu
datation radioactive	application de la désintégration radioactive dans laquelle l'âge d'une matière est déterminé par la quantité de radioactivité d'un type particulier qui se produit
loi de désintégration radioactive	décrit la diminution exponentielle des noyaux parents dans un échantillon radioactif
étiquettes radioactives	médicaments spéciaux (produits radiopharmaceutiques) qui permettent aux médecins de suivre le mouvement d'autres médicaments dans l'organisme
radioactivité	émission spontanée de rayonnement à partir des noyaux
produit radiopharmaceutique	composé utilisé pour l'imagerie médicale
rayon d'un noyau	le rayon d'un noyau est défini comme\(\displaystyle r=r_0A^{1/3}\)
efficacité biologique relative (RBE)	nombre qui exprime l'ampleur relative des dommages qu'une quantité fixe de rayonnements ionisants d'un type donné peut infliger aux tissus biologiques
roentgen équivalent man (rem)	unité de dose plus étroitement liée aux effets sur les tissus biologiques
sievert (Sv)	Équivalent SI du rem
tomographie par émission monophotonique (SPECT)	tomographie réalisée avec des produits radiopharmaceutiques\(\displaystyle γ\) émetteurs
force nucléaire puissante	force qui lie les nucléons entre eux dans le noyau
élément transuranique	élément qui se trouve au-delà de l'uranium dans le tableau périodique

Équations clés

Numéro de masse atomique	\(\displaystyle A=Z+N\)
Format standard pour exprimer un isotope	\(\displaystyle ^A_ZX\)
Rayon nucléaire, où r 0 est le rayon d'un seul proton	\(\displaystyle r=r_0A^{1/3}\)
Défaut de masse	\(\displaystyle Δm=Zm_p+(A−Z)m_n−m_{nuc}\)
Énergie de liaison	\(\displaystyle E=(Δm)c^2\)
Énergie de liaison par nucléon	\(\displaystyle BEN=\frac{E_b}{A}\)
Taux de désintégration radioactive	\(\displaystyle −\frac{dN}{dt}=λN\)
Loi de désintégration radioactive	\(\displaystyle N=N_0e^{−λt}\)
Constante de décomposition	\(\displaystyle λ=\frac{0.693}{T_{1/2}}\)
Durée de vie d'une substance	\(\displaystyle \bar{T}=\frac{1}{λ}\)
Activité d'une substance radioactive	\(\displaystyle A=A_0e^{−λt}\)
Activité d'une substance radioactive (forme linéaire)	\(\displaystyle lnA=−λt+lnA_0\)
Décroissance alpha	\(\displaystyle ^A_ZX→^{A−4}_{Z−2}X+^4_2He\)
Décroissance bêta	\(\displaystyle ^A_ZX→^A_{Z+1}X+^0_{−1}e+\bar{v}\)
Émission de positons	\(\displaystyle A^Z_X→^A_{Z−1}X+^0_{+1}e+v\)
Décroissance gamma	\(\displaystyle ^A_ZX*→^A_ZX+γ\)

Résumé

10.1 Propriétés des noyaux

• Le noyau atomique est composé de protons et de neutrons.

   

• Le nombre de protons dans le noyau est donné par le numéro atomique Z. Le nombre de neutrons dans le noyau est le nombre de neutrons, N. Le nombre de nucléons est le nombre de masse, A.

   

• Les noyaux atomiques ayant le même numéro atomique, Z, mais des numéros de neutrons différents, N, sont des isotopes du même élément.

   

• La masse atomique d'un élément est la moyenne pondérée des masses de ses isotopes.

   

10.2 Énergie de liaison nucléaire

• Le défaut de masse d'un noyau est la différence entre la masse totale d'un noyau et la somme des masses de tous ses nucléons constitutifs.

   

• L'énergie de liaison (BE) d'un noyau est égale à la quantité d'énergie libérée lors de la formation du noyau, ou au défaut de masse multiplié par la vitesse de la lumière au carré.

   

• Un graphique de l'énergie de liaison par nucléon (BEN) par rapport au numéro atomique A indique que les noyaux divisés ou combinés libèrent une énorme quantité d'énergie.

   

• L'énergie de liaison d'un nucléon dans un noyau est analogue à l'énergie d'ionisation d'un électron dans un atome.

   

10.3 Désintégration radioactive

• Lors de la désintégration d'une substance radioactive, si la constante de désintégration (λλ) est élevée, la demi-vie est faible, et vice versa.

   

• La loi de désintégration radioactive utilise les propriétés des substances radioactives pour estimer l'âge d'une substance.\(\displaystyle N=N_0e^{−λt}\)

   

• Le carbone radioactif possède la même composition chimique que le carbone stable, de sorte qu'il se mélange à l'écosphère et finit par faire partie de tous les organismes vivants. En comparant l'abondance d'\(\displaystyle ^{14}C\)un artefact à l'abondance normale dans les tissus vivants, il est possible de déterminer l'âge de l'artefact.

   

10.4 Réactions nucléaires

• Les trois types de rayonnement nucléaire sont les rayons alpha (\(\displaystyle α\)), les rayons bêta (\(\displaystyle β\)) et les rayons gamma (\(\displaystyle γ\)).

   

• Nous représentons symboliquement la désintégration αα par\(\displaystyle ^A_ZX→^{A−4}_{Z−2}X+^4_2He\). Il existe deux types de\(\displaystyle β\) désintégration : un électron (\(\displaystyle β^−\)) ou un positron (\(\displaystyle β^+\)) est émis par un noyau. \(\displaystyle γ\)la décadence est représentée symboliquement par\(\displaystyle ^A_ZX*→^A_ZX+γ\).

   

• Lorsqu'un noyau lourd se décompose en un noyau plus léger, le noyau fille le plus léger peut devenir le noyau parent pour la désintégration suivante, et ainsi de suite, produisant une série de désintégrations.

   

10.5 Fission

• La fission nucléaire est un processus dans lequel la somme des masses des noyaux produits est inférieure aux masses des réactifs.

   

• Les changements d'énergie dans une réaction de fission nucléaire peuvent être compris en termes de courbe d'énergie de liaison par nucléon.

   

• La production d'isotopes nouveaux ou différents par transformation nucléaire est appelée sélection, et les réacteurs conçus à cette fin sont appelés réacteurs surgénérateurs.

   

10.6 Fusion nucléaire

• La fusion nucléaire est une réaction dans laquelle deux noyaux sont combinés pour former un noyau plus gros ; de l'énergie est libérée lorsque des noyaux légers sont fusionnés pour former des noyaux de masse moyenne.

   

• La quantité d'énergie libérée par une réaction de fusion est connue sous le nom de valeur Q.

   

• La fusion nucléaire explique la réaction entre le deutérium et le tritium qui produit une bombe à fusion (ou à hydrogène) ; la fusion explique également la production d'énergie dans le Soleil, le processus de nucléosynthèse et la création des éléments lourds.

   

10.7 Applications médicales et effets biologiques des rayonnements nucléaires

• La technologie nucléaire est utilisée en médecine pour localiser et étudier les tissus malades à l'aide de médicaments spéciaux appelés produits radiopharmaceutiques. Les étiquettes radioactives sont utilisées pour identifier les cellules cancéreuses dans les os, les tumeurs cérébrales et la maladie d'Alzheimer, et pour surveiller le fonctionnement des organes du corps, tels que le flux sanguin, l'activité du muscle cardiaque et l'absorption d'iode par la glande thyroïde.

   

• Les effets biologiques des rayonnements ionisants sont dus à deux effets qu'ils ont sur les cellules : interférence avec la reproduction cellulaire et destruction de la fonction cellulaire.

   

• Les sources de rayonnement les plus courantes sont celles émises par la Terre en raison des isotopes de l'uranium, du thorium et du potassium ; les rayonnements naturels provenant des rayons cosmiques, des sols et des matériaux de construction, et les sources artificielles provenant de tests diagnostiques médicaux et dentaires.

   

• Les effets biologiques du rayonnement nucléaire sont exprimés par de nombreuses quantités physiques différentes et dans de nombreuses unités différentes, y compris le rad ou unité de dose de rayonnement.