Modélisation des transformations nucléaires

A

Isotopie

• Des isotopes sont des noyaux ayant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.


• Certains isotopes peuvent se transformer en d'autres noyaux en émettant une particule et de l’énergie.
  Au cours de cette transformation nucléaire, le nombre de charge global $Z$ et le nombre de masse global $A$ se conservent.

B

Radioactivité

• Un noyau peut spontanément se transformer selon trois processus radioactifs : $\alpha$, ${\beta }^{-}$ et ${\beta }^{+}$ ($\alpha$ et ${\beta }^{-}$ sont naturelles, ${\beta }^{+}$ est artificielle).


• Les lois de conservation permettent d’établir les équations de réactions suivantes :
  
  ❯ $\alpha$ : un noyau ${}_Z^A\text{X}$ se transforme en un autre noyau ${}_{Z-2}^{A-4}\text{Y}$ et émet un noyau d’hélium ${}_2^4\text{He}$ (particule alpha) : ${}_Z^A\text{X}\to {}_{Z-2}^{A-4}\text{Y}+{}_2^4\text{He}$
  Exemple : ${}_{84}^{213}\text{Po}\to {}_{82}^{209}\text{Pb}+{}_2^4\text{He}$
  
  ❯ ${\beta }^{-}$: un noyau ${}_Z^A\text{X}$ se transforme en un autre noyau ${}_{Z+1}^A\text{Y}$ et émet un électron ${}_{-1}^0\text{e}$ (particule ${\beta }^{-}$) : ${}_Z^A\text{X}\to {}_{Z+1}^A\text{Y}+{}_{-1}^0\text{e}$
  Exemple : ${}_{82}^{209}\text{Pb}+{}_{83}^{209}\text{Bi}{+}_{-1}^0\text{e}$
  
  ❯ ${\beta }^{+}$: un noyau ${}_Z^A\text{X}$ se transforme en un autre noyau ${}_{Z-1}^A\text{Y}$ et émet un positon ${}_1^0\text{e}$ (particule ${\beta }^{+}$) : ${}_Z^A\text{X}\to {}_{Z-1}^A\text{Y}+{}_1^0\text{e}$
  Exemple : ${}_{82}^{205}\text{Pb}+{}_{81}^{205}\text{Bi}{+}_1^0\text{e}$

C

Fission et fusion

• Une fission nucléaire est une transformation où un noyau dit lourd, sous l'action d'un neutron, est séparé en deux noyaux plus légers et quelques neutrons.


• Une fusion nucléaire est l’assemblage de deux noyaux légers pour former un noyau plus lourd.

A

Radioactivité

• Lors des transformations nucléaires $\alpha$, ${\beta }^{-}$ et ${\beta }^{+}$ l’énergie est libérée sous forme de rayonnement.


• Cette énergie est par exemple utilisée en médecine pour irradier des cellules cancéreuses de façon locale : c’est le principe de fonctionnement des techniques de radiothérapie.

B

Fission et fusion

Le Soleil :


• Des réactions de fusion thermonucléaires, dues à la compression des noyaux d'hydrogène, surviennent dans le cœur du Soleil : de grandes quantités d’énergie sont libérées sous la forme de rayonnements électromagnétiques.
• Cette énergie est utilisée par l’Homme à des fins militaires dans les bombes $\text{H}$ et à des fins civiles dans les réacteurs expérimentaux.

Les centrales nucléaires :


• Des réactions de fission nucléaire surviennent dans le cœur des réacteurs des centrales nucléaires, dégageant de l’énergie sous la forme de rayonnements.
• Cette énergie peut être récupérée et convertie pour une production électrique.
• Certains déchets produits sont hautement radioactifs et dangereux pour l’environnement : une partie va être retraitée, le reste est stocké dans un endroit sécurisé.

Pour faire le bilan des noyaux présents avant et après la transformation, on utilise le modèle de la réaction nucléaire représentée par une équation.


Ce modèle permet de :
• décrire les phénomènes de radioactivité, fission et fusion ;
• comprendre leurs conséquences énergétiques au niveau macroscopique.


Mais il ne permet pas :
• considérer les interactions entre les nucléons à l’intérieur du noyau ;
• comprendre la différence de stabilité des noyaux ;
• déterminer la quantité d’énergie émise lors des processus radioactifs.