On se propose, pour introduire cette séquence, de regarder la séance d'activité documentaire n°5.
La composition de l'atome a été étudiée dans la séquence n°3. Nous en rappelons ici quelques propriétés que nous compléterons.
On rappelle que le noyau atomique est représenté par le symbole de l'élément auquel il appartient, ainsi que le nombre de protons noté \(\displaystyle Z\) et le nombre de nucléons noté \(\displaystyle A\), de la façon suivante : \(\displaystyle ^A_ZX\).
Si \(\displaystyle e\) est la charge élémentaire, alors la charge du noyau est calculée par \(\displaystyle Ze\). Si \(\displaystyle m_n\) est la masse d'un nucléon, alors la masse du noyau est calculée par \(\displaystyle AM_n\). Mais attention, cette masse du noyau est une masse approchée et non une masse exacte. En classe de seconde, nous ne voyons pas la différence de masse due à la libération d'énergie.
Cette notation \(\displaystyle ^A_ZX\) est aussi utilisée pour les particules telles que les protons, les neutrons, les électrons et les positrons.
On présente ici quelques représentations symboliques :
| Particule | A | Z | Représentation symbolique |
| électron | 0 | -1 | \(\displaystyle ^0_{-1}e\) |
| positron | 0 | 1 | \(\displaystyle ^0_1e\) |
| neutron | 1 | 0 | \(\displaystyle ^1_0n\) |
| proton | 1 | 1 | \(\displaystyle ^1_1p\) |
| noyau d'hélium | 4 | 2 | \(\displaystyle ^4_2He\) |
| noyau de carbone 12 | 12 | 6 | \(\displaystyle ^{12}_6C\) |
| noyau d'uranium 235 | 235 | 92 | \(\displaystyle ^{235}_{92}X\) |
On rappelle la définition :
Définition : Deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de charge \(\displaystyle Z\), mais un nombre de masse \(\displaystyle A\) différent.
Ainsi, \(\displaystyle ^{12}_6C\) , \(\displaystyle ^{13}_6C\) et \(\displaystyle ^{14}_6C\) sont des isotopes.
Parmi différents isotopes, le plus abondant naturellement est toujours le plus stable. Pour de petits noyaux (\(\displaystyle Z\leqslant20\)), on a à peu près autant de protons que de neutrons dans le noyau de l'isotope le plus stable. Au delà, le nombre de neutrons augmente plus vite que le nombre de protons. C'est le cas par exemple de \(\displaystyle ^{235}_{92}U\) (92 protons pour 143 neutrons), \(\displaystyle ^{127}_{53}I\) (53 protons pour 74 neutrons) ou \(\displaystyle ^{210}_{84}Po\) (84 protons pour 126 neutrons).
Nous avons vu dans les séquences précédentes, les réactions physiques et chimiques. Il nous reste ici à voir les réactions dites nucléaires.
A la différence des réactions chimiques, les transformations nucléaires ne conservent par les éléments chimiques : des noyaux « pères » se désintègrent et laissent la place à de nouveaux noyaux « fils ». L'équation de réaction est notée avec les représentations symboliques des noyaux en jeu. Les lois de conservation d'une transformation nucléaire, appelées lois de Soddy, sont :
Définition : Lois de Soddy : lors d'une transformation nucléaire, le nombre de nucléons et le nombre de charge sont conservés.
Une transformation nucléaire peut être représentée par : \(\displaystyle ^{A_1}_{Z_1}X_1+^{A_2}_{Z_2}X_2 \longrightarrow ^{A_3}_{Z_3}X_3+^{A_4}_{Z_4}X_4\). Alors les lois de conservation imposent que \(\displaystyle A_1+A_2=A_3+A_4\) et que \(\displaystyle Z_1+Z_2=Z_3+Z_4\).
On retient ici quelques définitions :
Définition : Un noyau est dit radioactif s'il est instable et s'il peut se désintégrer spontanément en un nouveau noyau (noyau fils), en émettant une particule et un rayonnement électromagnétique.
Définition : La radioactivité est dite naturelle si le noyau radioactif existe dans la nature.
Définition : La radioactivité est dite artificielle si l'atome radioactif est créée par l'homme.
La désintégration d'un noyau radioactif est spontanée car elle se produit indépendamment des paramètres physiques (température, pression, luminosité, atomes voisins, ...), donc sans être provoquée. Cette désintégration est aussi aléatoire car il est impossible de prévoir le moment de sa désintégration, elle peut arriver dans une seconde, dans un jour ou dans cent mille ans. La seule chose de dûre est que cette désintégration est inéluctable.
Dans le cas où la désintégration n'est pas spontanée, on parle de réaction provoquée. Elles sont de deux types : la fission et la fusion.
La fission nucléaire se définit de la façon suivante :
Définition : Une réaction de fission nucléaire est une réaction au cours de laquelle un noyau lourd, dit fissible, se scinde en deux noyaux plus légers sous l'impact d'un neutron.
Lors de la fission nucléaire, sont émis des particules et un rayonnement \(\displaystyle \gamma\). Si parmi les particules émises se trouvent des neutrons, on peut alors avoir une réaction en chaine, celle-ci est ainsi entretenue. Controlée (pour ne pas s'emballer), elle peut s'avérer très utile dans les centrales nucléaires. Non controlée, l'énergie libérée peut devenir colossale et dévastatrice, c'est le cas d'une bombe atomique.
Un exemple de fission de l'uranium : \(\displaystyle ^{235}_{92}U+^1_0n \longrightarrow ^{139}_{54}Xe+^{94}_{38}Sr+3^1_0n\).
La fusion nucléaire se définit de la façon suivante :
Définition : Une réaction de fusion nucléaire est une réaction au cours de laquelle deux noyaux légers s'assemblent pour donner un noyau plus lourd.
Lors de la fusion nucléaire, sont émis des particules et un rayonnement \(\displaystyle \gamma\). Les noyaux étant de charges positives, leur rapprochement en vue d'une fusion nucléaire est rendu difficile par leur répulsion électromagnétique, c'est pourquoi beaucoup d'énergie doit leur être fournie initialement. Les chercheurs tentent de la maîtriser à des fins énergétiques (Projet ITER à Cadarache)
Au coeur du Soleil, l'énergie est suffisante pour avoir la fusion du deuterium \(\displaystyle ^2_1H\) et du tritium \(\displaystyle ^3_1H\) (isotopes de l'hydrogène \(\displaystyle ^1_1H\)), créant un noyau d'hélium \(\displaystyle ^4_2He\) et un neutron : \(\displaystyle ^2_1H+^3_1H \longrightarrow ^4_2He+^1_0n\).
C'est en 1905 qu'Albert Einstein publie la relation \(\displaystyle E=mc^2\). Cette formule n'est pas au programme de la classe de seconde. Il faut en revanche retenir que les transformations nucléaires libèrent de l'énergie sous forme de chaleur. Ce sont des transformations exothermiques. Cette énergie est utilisée dans les centrales nucléaires pour produire de l'électricité à partir de la fission de noyaux d'uranium, mais aussi produite par fusion nucléaire dans les étoiles.