Tout ce qui vous entoure est fait d'atomes — yet un atome est presque entièrement espace vide. Si le noyau avait la taille d'une bille, l'atome entier aurait la taille…
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5.1
L'atome
Programme
5.1.1 L'atome
Fondamental
Supplémentaire
1 Décrivez la structure d'un atome en termes de noyau chargé positivement et d'électrons chargés négativement en orbite autour du noyau
3 Décrivez comment la diffusion des particules alpha ($\alpha$) par une feuille de métal fin étaye le modèle nucléaire de l'atome, en apportant des preuves pour : (a) un noyau très petit entouré principalement d'espace vide (b) un noyau contenant la majeure partie de la masse de l'atome (c) un noyau qui est chargé positivement
2 Sachez comment les atomes peuvent former des ions positifs en perdant des électrons ou des ions négatifs en gagnant des électrons
5.1.2 Le noyau
Fondamental
Supplémentaire
1 Décrivez la composition du noyau en termes de protons et de neutrons
6 Décrivez les processus de fission nucléaire et de fusion nucléaire comme étant la division ou la jonction de noyaux, en incluant l'équation nuclidique et une description qualitative des changements de masse et d'énergie sans valeurs
2 Énoncez les charges relatives des protons, neutrons et électrons respectivement +1, 0 et –1
3 Définissez les termes numéro protonique (numéro atomique) $Z$ et numéronucléonique (numéro de masse) $A$ et soyez capable de calculer le nombre de neutrons dans un noyau
7 Connaissiez la relation entre le numéro protonique et la charge relative d'un noyau
8 Connaissez la relation entre le numéro nucléonique et la masse relative d'un noyau
4 Utilisez la notation nuclidique $^{A}_{Z}\text{X}$
5 Expliquez ce qu'est un isotope et énoncez qu'un élément peut avoir plusieurs isotopes
Source : Programme Cambridge International
Un atome 原子 est composé d'un minuscule noyau central 原子核 avec des électrons 电子 qui tournent autour (en orbite 轨道, comme les planètes autour du Soleil).
Le noyau a une charge positif 电荷。
Les électrons ont une charge négative.
L'atome dans son ensemble est neutre, car les charges positives et négatives sont égales.
Presque toute la masse 质量 se trouve dans le noyau, mais celui-ci est très petit par rapport à l'atome entier. Un atome est donc principalement vide.
L'atome nucléaire : un minuscule noyau dense de protons et de neutrons, avec des électrons en orbites autour
Ions
Un atome est neutre, mais il peut gagner ou perdre des électrons pour devenir un ion 离子。
Perte d'un ou plusieurs électrons → ion positif (il y a alors plus de protons que d'électrons).
Gain d'un ou plusieurs électrons → ion négatif.
L'expérience de diffusion alpha
Cette expérience a fourni la preuve du modèle nucléaire. Des particules alpha α粒子 (petites, rapides, positives) ont été tirées sur une feuille d'ou très fine 金箔, et on a observé leur diffusion 散射 (la manière dont elles rebondissaient).
Les résultats et ce qu'ils nous apprennent :
Presque toutes les particules alpha sont passées tout droit. → L'atome est principalement vide.
Quelques-unes ont été déviées 偏转 (tortuées) de petits angles. → Le noyau a une charge positive, qui repousse les particules alpha positives.
Très quelques-unes ont rebondi presque tout droit vers l'arrière. → Le noyau est très petit et très lourd, et contient la majeure partie de la masse de l'atome.
La plupart des particules alpha passent tout droit ; quelques-unes sont déviées et très quelques-unes rebondissent sur le minuscule noyau dense
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À l'intérieur de l'atome
Un noyau dense et minuscule est au centre avec des électrons dans des couches autour — faites glisser le numéro de proton et observez comment les couches se remplissent vers l'extérieur.
Le noyau est composé de deux types de particules, appelées collectivement nucléons 核子 :
protons 质子, qui ont une charge relative 相对 de $+1$ ;
neutrons 中子, qui ont une charge relative de $0$ (ils sont neutres).
Un électron a une charge relative de $-1$. Un proton et un neutron ont chacun une masse relative d'environ $1$ ; un électron est pratiquement sans masse comparé à eux.
Deux nombres décrivent un noyau :
le numéro de proton 质子数$Z$ (aussi appelé numéro atomique) — le nombre de protons ;
le numéro de nucléon 核子数$A$ (aussi appelé nombre de masse) — le nombre de protons plus le nombre de neutrons.
Donc le nombre de neutrons est $A - Z$.
Nous écrivons un noyau en notation de nuclide 核素 :
$$^{A}_{Z}\text{X}$$
où X est le symbole chimique. Par exemple, $^{197}_{\ 79}\text{Au}$ a $79$ protons et $197 - 79 = 118$ neutrons. La charge relative du noyau entier est simplement $+Z$ (ici $+79$), et sa masse relative est d'environ $A$.
Isotopes
Isotopes 同位素 sont des atomes du même élément (le même $Z$) mais avec un nombre différent de neutrons (différents $A$). Ils se comportent de la même manière en chimie mais différemment dans le noyau. Par exemple, $^{12}_{\ 6}\text{C}$ et $^{14}_{\ 6}\text{C}$ sont tous deux du carbone.
Les isotopes du carbone ont les mêmes six protons mais des nombres différents de neutrons, c'est donc le même élément avec une masse différente
Fission et fusion nucléaire
En fission nucléaire 核裂变, un noyau lourd absorbe un neutron puis se scinde en deux noyaux plus petits, libérant deux ou trois neutrons et beaucoup d'énergie 能量 :
Un neutron scinde un noyau U-235 en deux noyaux plus petits, libérant plus de neutrons et d'énergie
Les chiffres du haut (numéros de nucléon) s'équilibrent des deux côtés, tout comme les chiffres du bas (numéros de proton). Vous pouvez utiliser cela pour trouver un chiffre manquant — par exemple, combien de neutrons sont libérés.
En fusion nucléaire 核聚变, deux noyaux légers se joignent pour en former un plus lourd, libérant également de l'énergie. C'est ainsi que le Soleil produit son énergie, en joignant des noyaux d'hydrogène 氢 pour former de l'hélium 氦. La réaction ci-dessous — deux formes lourdes d'hydrogène (deutérium et tritium) se joignant pour former de l'hélium — est celle utilisée dans les réacteurs de fusion sur Terre :
Dans la fusion, deux noyaux légers se joignent pour former un plus lourd, libérant un neutron et de l'énergie — la réaction deutérium-tritium utilisée dans les réacteurs de fusion
Dans les deux cas, fission et fusion, une petite quantité de masse est perdue et convertie en énergie.
Une centrale nucléaire utilise l'énergie de la fission pour produire de l'électricité ; les tours rejettent la chaleur résiduelle sous forme de vapeur
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La réaction en chaîne de fission
Un neutron divise un noyau d'uranium, ce qui libère de l'énergie ET plus de neutrons — ceux-ci divisent plus de noyaux, et ainsi de suite.
2 Connaissez les sources contribuant significativement à la radiation de fond, notamment : (a) le gaz radon (dans l'air) (b) les roches et les bâtiments (c) les aliments et boissons (d) les rayons cosmiques
3 Sachez que les radiations nucléaires ionisantes peuvent être mesurées à l'aide d'un détecteur connecté à un compteur
4 Utilisez le taux de compte mesuré en comptes / s ou comptes / minute
5 Utilisez les mesures de radiation de fond pour déterminer un taux de compte corrigé
5.2.2 Les trois types d'émission nucléaire
Fondamental
Supplémentaire
1 Décrivez l'émission de radiation depuis un noyau comme étant spontanée et aléatoire en direction
2 Identifiez les émissions alpha ($\alpha$), bêta ($\beta$) et gamma ($\gamma$) du noyau en rappelant : (a) leur nature (b) leurs effets d'ionisation relatifs (c) leurs capacités de pénétration relatives ($\beta^+$ ne sont pas inclus, les particules $\beta$ seront considérées comme se référant à $\beta^-$)
3 Décrivez la déviation des particules $\alpha$, particules $\beta$ et rayonnement $\gamma$ dans les champs électriques et magnétiques
4 Expliquez leurs effets d'ionisation relatifs en se référant à : (a) l'énergie cinétique (b) la charge électrique
5.2.3 Désintégration radioactive
Fondamental
Supplémentaire
1 Saisissez que la désintégration radioactive est un changement dans un noyau instable qui peut entraîner l'émission de particules $\alpha$ ou particules $\beta$ et/ou rayonnement $\gamma$ et sachiez que ces changements sont spontanés et aléatoires
3 Saisissez que les isotopes d'un élément peuvent être radioactifs en raison d'un excès de neutrons dans le noyau et/ou le noyau étant trop lourd
2 Énoncez que pendant la désintégration $\alpha$ ou la désintégration $\beta$, le noyau change pour devenir celui d'un autre élément
4 Décrivez l'effet de la désintégration $\alpha$, de la désintégration $\beta$ et des émissions $\gamma$ sur le noyau, y compris une augmentation de la stabilité et une réduction du nombre de neutrons en excès ; le changement suivant dans le noyau se produit lors de l'émission $\beta$ neutron $\rightarrow$ proton + électron
5 Utilisez les équations de désintégration, en utilisant la notation nuclidique, pour montrer l'émission de particules $\alpha$, particules $\beta$ et rayonnement $\gamma$
5.2.4 Demi-vie
Fondamental
Supplémentaire
1 Définissez la demi-vie d'un isotope particulier comme le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux de cet isotope dans tout échantillon se désintègrent ; rappelez et utilisez cette définition dans des calculs simples, qui peuvent impliquer des informations dans des tableaux ou des courbes de désintégration (les calculs n'incluront pas la radiation de fond)
2 Calculez la demi-vie à partir de données ou de courbes de désintégration où la radiation de fond n'a pas été soustraite
3 Expliquez comment le type de radiation émise et la demi-vie d'un isotope déterminent lequel est utilisé pour des applications telles que : (a) détecteurs de fumée domestiques (b) irradiation alimentaire pour tuer les bactéries (c) stérilisation d'équipements à l'aide de rayons gamma (d) mesure et contrôle des épaisseurs de matériaux avec le choix des radiations liées à la pénétration et à l'absorption (e) diagnostic et traitement du cancer à l'aide de rayons gamma
5.2.5 Précautions de sécurité
Fondamental
Supplémentaire
1 Énoncez les effets des radiations nucléaires ionisantes sur les êtres vivants, y compris la mort cellulaire, les mutations et le cancer
2 Décrivez comment les matières radioactives sont déplacées, utilisées et stockées en toute sécurité
3 Expliquez les précautions de sécurité pour toutes les radiations ionisantes en termes de réduction du temps d'exposition, d'augmentation de la distance entre la source et les tissus vivants et d'utilisation de blindages pour absorber le rayonnement
Source : Programme Cambridge International
Désintégration radioactive & demi-vie
Un noyau instable 不稳定 finira par se désintégrer et émettre des rayonnements 辐射. C'est la radioactivité 放射性désintégration 衰变. Un noyau peut être instable parce qu'il a trop de neutrons, ou parce qu'il est trop lourd.
La désintégration est spontanée 自发 (elle se produit d'elle-même, et vous ne pouvez ni l'accélérer ni la ralentir) et aléatoire 随机 (vous ne pouvez pas dire quel noyau va se désintégrer en suivant, ni exactement quand).
Rayonnement de fond
Il y a toujours du rayonnement autour de nous. C'est le rayonnement de fond 背景辐射. Ses principales sources sont :
le gaz radon 氡 dans l'air (généralement la plus grande source) ;
les roches et les bâtiments ;
les aliments et les boissons ;
les rayons cosmiques 宇宙射线 venant de l'espace.
Mesurer le rayonnement
Le rayonnement peut être mesuré avec un détecteur 探测器 relié à un compteur 计数器. Le taux de comptage 计数率 est le nombre de comptes par seconde (ou par minute).
Pour trouver le vrai taux de comptage d'une source, mesurez d'abord le taux de comptage de fond seul, puis soustrayez-le. Le résultat est le taux de comptage corrigé 修正 :
Exemple résolu. Un détecteur placé à côté d'une source affiche $250$ comptes/min. Une fois la source retirée, le taux de comptage de fond est de $30$ comptes/min. Trouvez le taux de comptage corrigé.
$$250 - 30 = 220\ \text{counts/min}$$
Un compteur Geiger portable détecte les radiations ionisantes et affiche le taux de comptage sur son écran
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Désintégration radioactive
N = N₀·bᵗ
Le nombre de noyaux instables décroît exponentiellement.
Le rayonnement peut être de l'un des trois types. Chaque type est ionisant 电离, ce qui signifie qu'il peut arracher des électrons aux atomes sur son passage.
onde électromagnétique 电磁波 haute énergie, sans charge
le plus faible
épais plomb 铅 ou béton (réduit uniquement, jamais totalement arrêté)
Ainsi, une particule alpha est la plus ionisante mais la moins pénétrante 穿透 (elle est facilement absorbée 吸收). Une particule beta β粒子 est au milieu. Le rayonnement gamma γ射线 est le moins ionisant mais le plus pénétrant.
Le papier arrête l'alpha, quelques millimètres d'aluminium arrêtent le beta, et le plomb épais ne fait que réduire le gamma
Nous pouvons expliquer les effets d'ionisation à partir de la charge et de l'énergie cinétique 动能 : une particule alpha a une grande charge ($+2$) et est lente et lourde, elle attire donc fortement les électrons qu'elle croise et ionise beaucoup. Une particule beta a une charge plus faible et se déplace plus vite, donc elle ionise moins.
Déviation dans les champs
Parce que les particules alpha et beta sont chargées, elles sont déviées par un champ électrique 电场 et par un champ magnétique 磁场. Elles se courbent en directions opposées, car leurs charges ont des signes opposés, et la particule beta plus légère se courbe davantage. Les rayons gamma n'ont aucune charge, ils ne sont donc pas déviés du tout.
Alpha et beta se courbent en sens opposés ; la beta plus légère se courbe davantage, et le gamma non chargé n'est pas dévié
Exemple résolu. Un noyau de radium $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$ émet une particule alpha. Trouvez le numéro de nucléon et le numéro de proton du nouveau noyau.
La désintégration alpha diminue $A$ de $4$ et $Z$ de $2$ :
Émission gamma — le noyau ne perd que de l'énergie, donc $A$ et $Z$ ne changent pas. Les désintégrations alpha et bêta laissent le noyau plus stable 稳定 ; le gamma est souvent émis en même temps pour emporter l'énergie excédentaire.
Comme la désintégration est aléatoire, nous ne pouvons pas suivre un seul noyau. Nous décrivons plutôt un grand échantillon 样品 en utilisant sa demi-vie.
La demi-vie 半衰期 d'un isotope est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux instables dans un échantillon se désintègrent. Après chaque demi-vie, le taux de comptage (ou le nombre de noyaux instables restants) chute de moitié.
Par exemple, si une source a un taux de comptage de $800$ comptes/min et une demi-vie de $3$ heures :
Temps / heures
0
3
6
9
Taux de comptage / (comptes/min)
800
400
200
100
Après $6$ heures (deux demi-vies), le taux de comptage a été divisé par deux à deux reprises : $800 \to 400 \to 200$. Vous pouvez lire une demi-vie sur un graphique de désintégration en trouvant le temps nécessaire pour que le taux de comptage passe de n'importe quelle valeur à la moitié de celle-ci. Si les lectures incluent le rayonnement de fond, soustrayez d'abord le taux de comptage de fond de chaque lecture, puis trouvez la demi-vie à partir des valeurs corrigées.
Exemple résolu. L'activité d'une source passe de $800$ comptes/min à $100$ comptes/min. Sa demi-vie est de $5$ jours. Combien de temps cela a-t-il pris ?
Comptez les demi-vies : $800 \to 400 \to 200 \to 100$ correspond à trois demi-vies, donc le temps est $3 \times 5 = 15\ \text{days}$.
À chaque demi-vie $T$, le taux de comptage diminue de moitié : $N_0 \to N_0/2 \to N_0/4 \to N_0/8$
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Demi-vie — observer la désintégration des noyaux
Chaque noyau a une chance fixe de se désintégrer, au hasard. Faites avancer le temps : environ la moitié des noyaux restants se désintègrent à chaque demi-vie — donc le compte diminue de moitié, puis encore de moitié.
L'isotope choisi pour une tâche dépend de son type de rayonnement et de sa demi-vie :
détecteurs de fumée 烟雾报警器 utilisent une source alpha (l'alpha est facilement bloqué, donc sûr à l'extérieur du détecteur, et une longue demi-vie signifie qu'il dure plusieurs années);
utiliser des radiations sur les aliments ou sur du matériel tue les bactéries 细菌 et germes — cela nécessite des rayons gamma pénétrants pour stériliser 消毒 l'article scellé;
mesurer et contrôler l'épaisseur de feuilles de papier ou de métal utilise une source bêta (la quantité qui traverse change selon l'épaisseur);
non tracer médical 医用示踪剂 est une petite quantité d'un isotope émetteur de gamma ayant une courte demi-vie, injecté dans le corps : un détecteur extérieur au corps suit son trajet, les rayons gamma s'échappent facilement du corps, et l'activité chute rapidement vers un niveau sûr;
les rayons gamma sont utilisés pour localiser et traiter le cancer 癌症 à l'intérieur du corps, car ils peuvent traverser (ou pénétrer) dans le corps.
Radiothérapie : un masque grillagé maintient le patient immobile pendant que des lasers d'alignement dirigent précisément les rayons gamma vers une tumeur pour traiter le cancer
Les radiations ionisantes endommagent les cellules vivantes 细胞. Elles peuvent provoquer la mort cellulaire, des mutations 突变 (changements aux gènes) et le cancer.
Lorsque vous manipulez des sources radioactives, gardez la dose 剂量 (la quantité de radiation reçue) faible en :
réduisant le temps d'exposition 照射 — passer le moins de temps possible près de la source;
augmentant la distance entre vous et la source;
utilisant un blindage 屏蔽, comme le plomb, entre la source et votre corps.
Les sources radioactives doivent être manipulées avec des pinces (pas à mains nues), tenues pointées loin des personnes, et stockées dans une boîte doublée de plomb.
Le nombre nucléonique (en haut) est protons + neutrons ; le nombre protonique (en bas) ne concerne que les protons. Nombre de neutrons = nombre nucléonique − nombre protonique.
Les isotopes ont le même nombre protonique mais des nombres nucléoniques différents — le même élément avec un nombre différent de neutrons.
Classez les radiations de deux manières : l'alpha est le plus ionisant mais le moins pénétrant (bloqué par du papier) ; le gamma est le moins ionisant mais le plus pénétrant (nécessite du plomb épais). Le bêta est intermédiaire (bloqué par quelques mm d'aluminium).
Dans chaque équation de désintégration, les nombres du haut doivent s'équilibrer et ceux du bas aussi. Désintégration alpha : $A-4$, $Z-2$. Désintégration bêta : $A$ inchangé, $Z+1$.
Soustrayez toujours le taux de comptage de fond avant d'utiliser les lectures d'une source. Après $n$ demi-vies, le taux de comptage a été divisé par deux $n$ fois — comptez les divisions par deux plutôt que de deviner à partir du temps total.
Leçons interactives sur ce sujet
Traversez-le étape par étape, avec des exercices à vérification instantanée.
