17. Energie nucléaire

 

 

La radioactivité a été découverte par hasard par Henri Becquerel en 1896, qui menait alors des études sur fluorescence des sels d’aluminium. En 1898, Pierre et Marie Curie inventent le terme radioactivité, après la découverte du radium, et consacrent leurs travaux à l’étude du phénomène. Ils obtiennent le prix Nobel en 1903.

 

 

A- La radioactivité

 

1. Stabilité et instabilité des noyaux

           L’atome est constitué d’un noyau central et d’un nuage électronique. Le noyau est une zone de dimension très faible où se répartissent A nucléons : N neutrons et Z protons (N = A – Z).

           Le noyau d’un atome correspondant à un élément chimique X est noté :

           Les isotopes sont des espèces qui ont même nombre de protons, mais pas le même nombre de neutrons.

Exemple : et  : Le premier dispose de 34 neutrons contre 36 pour le second.

 

           Le nombre de noyaux naturellement présents sur la Terre est d'environ 325 (274 stables et 51 instables donc radioactifs). Le nombre total d'isotopes est porté à environ 2000 à partir des réactions nucléaires effectuées en laboratoire.

           Si l'on reporte sur un graphique le nombre de neutrons (N) en fonction du nombre de protons (Z), on obtient le diagramme de tous les noyaux possibles :

 

 

Animation : diagramme N-Z

 

           Les points en noir correspondent aux noyaux stables. On remarque donc que ceux-ci sont peu nombreux par rapport à l'ensemble des noyaux possibles.

 

· Pour Z < 20 : le domaine de stabilité se situe sur la droite N=Z. C’est à dire si les noyaux possèdent autant de protons que de neutrons.

· Pour Z > 20 : le domaine de stabilité se situe au-dessus de la droite N=Z.

 

           Il existe trois types de noyaux instables :

· Ceux situés au-dessous du domaine de stabilité. Ils possèdent trop de neutrons par rapport aux protons. Un neutron se transforme donc en proton avec émission d’un rayonnement β^-.

· Ceux situés en-dessus du domaine de stabilité. Ils possèdent trop de protons par rapport aux neutrons. Un proton se transforme donc en neutron avec émission d’un rayonnement β⁺.

· Certains noyaux trop massifs (A>170) sont instables. Il possède un excès de nucléons et se désintègrent en émettant un noyau d’Hélium , appelé rayonnement α.

 

 

 

2. Les rayonnements radioactifs

           Un noyau radioactif est instable et se désintègre spontanément en donnant un noyau différent et en émettant des particules a ou b, des neutrinos (ou antineutrinos) et souvent un rayonnement g.

· Les particules a sont des noyaux d’hélium

· Les particules b sont des électrons ( ou b^-) ou des positrons ( ou b⁺).

 

· Le rayonnement g est un photon de très courte longueur d’onde (photons Gamma ou X).

· Les particules et sont respectivement le neutrino et l’antineutrino.

 

           Une particule α est assez facilement arrêtée par une simple feuille de papier. Elle est donc peu pénétrante, mais très ionisante.

           Une particule β^- est assez pénétrante, mais peut être arrêtée par une épaisseur d’aluminium de quelques mm.

           Une particule β⁺ (un «antiélectron») a une durée de vie très courte. Lorsqu’elle rencontre un électron, les deux particules s’annihilent et produisent un rayonnement γ.

           Le rayonnement γ est rayonnement électromagnétique (lumière invisible). Il est très énergétique et très pénétrant. Il est très difficile à arrêter ; il faut une épaisseur de plomb de 30 à 90 cm pour le stopper.

 

           Les réactions de désintégration nucléaires obéissent à des lois de conservations appelées lois de Soddy. Lors d'une désintégration radioactive, il y a conservation du nombre de charge Z et du nombre de nucléons A.

· Radioactivité a :                                     ex :   

· Radioactivité b^-:                            ex :   

· Radioactivité b⁺:                             ex :    

 

           Lors d'une désintégration, un noyau-père instable X expulse une particule. Le noyau-fils Y issu de la désintégration est le plus souvent dans un excité (Y*). Il redevient stable en libérant l'excédent d'énergie qu'il possède sous la forme d’un rayonnement g :

 

 

 

3. Activité d’une source radioactive

           L'activité A d'un échantillon radioactif est le nombre moyen de désintégrations produit par seconde :

           L’unité de l’activité est le Becquerel (Bq). Un Becquerel est égal à une désintégration par seconde.

 

Exemples :

· La radioactivité naturelle du corps humain est d’environ A = 100 000 Bq, dus essentiellement au Carbone et au Potassium .

· La radioactivité naturelle des roches, qui libèrent principalement du radon, mesurée en France est de quelques dizaines à quelques centaines de Bq par m³.

 

           La demi-vie, notée t_1/2, d'un échantillon de noyaux radioactifs est égale à la durée nécessaire pour que, statistiquement, la moitié des noyaux radioactifs initialement présents dans l'échantillon se désintègrent.