2019-2020 P12 S1 UE3 - Radioactivité Noyaux [PDF]

Zitiervorschau

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UE3.1 - Physique Fiche de cours Atomes, noyaux, physique quantique

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RELATION ENTRE ENERGIE ET MATIERE Principe de relativité restreinte

Relation d’Einstein avec : • • •

E = m.c 2

E : énergie en J. m : masse en kg. c : célérité de la lumière.

Peut être convertie sous une forme d’énergie. Masse des particules

Densité de la matière

•

Masse des particules élémentaires peut être exprimée en équivalent énergétique. - Masse de l’électron : 511 keV.

Matière constituée à 99,99% de vide. Noyaux extrêmement denses : 99,97% de la masse d’un atome concentrée dans le noyau. Unité appropriée à l’échelle des atomes et des particules.

Unité de masse atomique u.m.a

1 u.m.a. = 1/N

• La masse des nucléons est proche de 1 u.m.a. • Masse d’1 nucléon ≈ 2000 fois celle de l’électron. Calculée de façon à ce qu’un atome de carbone-12 ait une masse de 12 u.m.a. N : nombre d’Avogadro = nombre d’atomes dans 1 mol. Masse en u.m.a. = masse en g x N

Equivalent énergétique d’1 u.m.a.

1 u.m.a. = 931,5 MeV

.

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STABILITE DU NOYAU Charge d’un noyau AZ XN

Somme des charges des Z protons.

Défaut de masse du noyau Δm

∆m = Z.MP + N.MN − Mnoyau

Energie de liaison des nucléons B

B = ∆ m.c 2

Energie de liaison par nucléon B/A

Masse d’un noyau constitué inférieure à la somme des masses des nucléons. MP : masse du proton. MN : masse du neutron. Mnoyau : masse du noyau.

Equivalent énergétique du défaut de masse Permet la tenue des nucléons entre eux.

.

Energie de liaison B divisée par le nombre de nucléons A. Noyau d’autant plus stable que son énergie moyenne par nucléon B/A est grande. B/A entre 8 MeV et 9 MeV : • Noyaux les plus stables. H : B/A = 0.

1

Noyaux les plus stables

•

Courbe d’Aston

Un seul nucléon : un proton. • Pas d’énergie de liaison. B/A < 8 MeV et noyaux petits : •

Energies de liaison les plus faibles. • Possibilité de réaction de fusion nucléaire. B/A < 8 MeV et noyaux grands : •

Possibilité de réaction de fission nucléaire .

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REACTIONS NUCLEAIRES FUSION Réaction

Assemblage de deux noyaux légers pour former un noyau plus gros. Nécessite un apport d’énergie supérieur à B/A :

Condition énergétique

• •

Pour vaincre les forces de répulsion : barrière coulombienne et pour amorcer la réaction. Température très élevée > 15.106 °C.

Conséquence

Emission de neutrons et de particules α. Libération d’une énergie considérable : énergie des neutrons émis.

Applications

Réactions de fusion dans les étoiles. Bombe H. Production d’électricité par le réacteur expérimental ITER.

REACTIONS NUCLEAIRES FISSION Scission d’un noyau en 2 noyaux fils plus petits. •

Toujours 2 noyaux asymétriques : de masse non équivalente. - Un noyau dont la masse est proche de 90 à 100. - Un noyau dont la masse est proche de 130 à 140.

•

Conservation du nombre total de nucléons.

Réaction

Libération de neutrons. •

Conséquence

Neutrons éjectés avec une très forte énergie cinétique : neutrons dits rapides. Libération d’un excès d’énergie correspondant à une partie de l’énergie de liaison B des nucléons : énergie B excédentaire . •

Energie libérée sous la forme d’un rayonnement électromagnétique et sous forme d’énergie cinétique. - Photons d’énergie E = hv.

•

Une partie de l’énergie de liaison gardée par les noyaux fils.

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Réactions nucléaires FISSION : FISSION CONTROLEE Réaction de fission contrôlée dans le réacteur nucléaire

Bombardement des noyaux de 235U par des neutrons lents •

.

235

Fission du noyau de U en noyaux de taille aléatoire. - Libération de photons de 170 MeV en moyenne. Création d’une réaction en chaîne. Cœur du réacteur constitué de 3 types de barres imbriquées :

Consitution du réacteur nucléaire

• Barres de combustibles contenant les noyaux de 235U. • Barres de modérateur. • Barres de contrôle. Fluide caloriporteur entre les barres : •

Transmet la chaleur produite par la libération d’énergie de liaison des noyaux d’uranium. 3 circuits avec de l’eau. • • •

Circuit primaire. Circuit secondaire. Circuit de refroidissement.

Réactions nucléaires FISSION : ROLE DES BARRES DANS LE REACTEUR Freinage des neutrons rapides. Barres de modérateur

• •

Ralentissement de 20000 km.s-1 à 2 km.s-1. Diminution de l’énergie cinétique des neutrons rapides pour les transformer en neutrons lents dits thermiques. - Seuls les neutrons lents sont capables d’entrainer à leur tour des réactions de fission : réaction en chaine.

Piégeuses de neutrons : ne laissent pas passer les neutrons au travers. • Barres de contrôle

Barres mobiles pour réguler la puissance : -

Baissées quand la réaction en chaine devient trop importante. Enlevées quand la réaction en chaine n’est pas assez importante.

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Réactions nucléaires FISSION : CIRCUITS D’EAU DANS LE REACTEUR Circuit primaire : eau sous pression

Eau dans laquelle baigne le réacteur. Evacuation de l’eau chauffée au moment des réactions de fission vers un générateur de vapeur. Circuit fermé pour récupérer le liquide après refroidissement. Eau réchauffée par l’eau du circuit primaire au niveau du générateur de vapeur : •

Circuit secondaire : production d’électricité

Transformation en vapeur. - Création d’une pression importante.

•

Vapeur qui fait tourner une turbine reliée à un alternateur. - Production d’électricité. Circuit fermé : eau recyclée qui retourne dans le générateur de vapeur.

Circuit de refroidissement

Refroidissement de la vapeur d’eau du circuit secondaire. •

Dégagement de vapeur d’eau par les cheminées.

Réactions nucléaires FISSION : FISSION INCONTROLEE Technique de l’insertion :

Bombe atomique A : exemple d’Hiroshima

Effets de l’explosion

• •

235

U de la bombe scindé en 2 entre une cible et un projectile. Au moment de l’explosion : une amorce vient projeter le projectile d’uranium vers la cible. - Formation d’un assemblage supercritique : nombre de neutrons émis lors de la fission supérieur au nombre de neutrons perdus. - Réaction en chaîne. - Production d’énergie très importante. - Explosion.

Onde de choc. Emission de chaleur très intense. Émissions radioactives : • •

Irradiation due à l’uranium radioactif. Contamination du sol par les particules radioactives.

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STABILITE DU NOYAU Résulte de l’équilibre entre la force nucléaire forte d’attraction des nucléons et la force électromagnétique de répulsion entre les protons.

Cohésion du noyau

•

Force nucléaire forte >> force électromagnétique.

Permet la coexistence de forces antagonistes dans le noyau. Rôle d’isolateur des neutrons :

Rôle de la combinaison de neutrons et de protons dans le noyau

• •

Séparation des protons. Atténuation des répulsions entre protons : charges positives.

STABILITE DU NOYAU INTERPRETATION DU DIAGRAMME DE SEGRE

Description du diagramme du Segré

Noyaux stables légers Z < 20

Noyaux stables avec Z > 20

Rôle des neutrons dans les noyaux lourds Formes instables des noyaux

Représente tous les noyaux stables connus classés par ordre croissant de Z et N. Droite N = Z : droite d’identité. Zone des noyaux stables appelée vallée de stabilité. Nombres de neutrons et de protons égaux. • •

N/Z = 1. Nucléons tiennent ensemble de manière stable.

Nécessité d’introduire un excès de neutrons pour éviter la répulsion des protons. • •

N légèrement supérieur à Z. Si Z augmente : N/Z augmente.

Plus le noyau est lourd, plus il faut de neutrons pour assurer la stabilité. • •

Force de répulsion prend le pas sur la force nucléaire forte. Atténuation de la force de répulsion électrostatique par l’excès de neutrons.

Nombre de protons ou de neutrons différents de la forme stable.

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STABILITE DU NOYAU DIFFERENTES FORMES POSSIBLES D’UN NUCLEIDE Même nombre de protons Isotopes : Z = constante

Isotones : N = constante

.

• Même nature du nucléide. Nombre de neutrons varie. Placés sur une ligne verticale sur le diagramme de Segré. Même nombre de neutrons. Nombre de protons varie. Placés sur une ligne horizontale sur le diagramme de Segré. Même nombre de masse.

Isobares : A = constante

Isomères : A, Z, N = constante

• Si N augmente, Z diminue d’autant. Placés sur une diagonale sur le diagramme de Segré. Composition en nucléons identique. Etat d’excitation varie.

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DESCRITPION DE L’ETAT D’ENERGIE DU NOYAU PAR ANALOGIE AVEC LE MODELE EN COUCHES DE L’ATOME Etat fondamental

Energie Ef = 0. Noyau avec surplus d’énergie. •

Après une transformation radioactive ou une réaction nucléaire. Répartition des nucléons sur des niveaux d’énergie quantifiés.

Etat excité

•

Retour à l’état fondamental du noyau excité

Niveaux uniques pour chaque type de noyau.

Le noyau ne peut pas rester excité : phénomène de désexcitation. • Retour à l’état fondamental. Libèration de l'énergie lors de la désexcitation selon 3 mécanismes en compétition. Quand le retour à l’état fondamental du noyau est non direct : passage par un ou plusieurs états excités intermédiaires dit "isomériques". • Transitions isomériques. • Etat excité intermédiaire noté Y* : durée de vie courte. • Etat excité métastable noté mY : durée de vie longue. Désexcitation de l’état intermédiaire excité par :

États intermédiaires isomériques

• • •

Émission de photon gamma Émission d’un électron de conversion interne Création de paire si l’énergie est suffisante.

MECANISMES DE DESEXCITATION DU NOYAU EMISSION GAMMA

Particule émise

Emission d’énergie rayonnante

Photon γ. •

E = hν

γ : origine nucléaire.

E : énergie du photon γ. h : constante de Planck. ν : fréquence.

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MECANISMES DE DESEXCITATION DU NOYAU CONVERSION INTERNE Electron éjecté hors de l'atome : ionisation. •

Energie cinétique emportée par 1 l’électron : E = mv² . 2 - m : masse de l’électron. - v : vitesse de l’électron.

•

Souvent un électron d’une couche profonde proche du noyau : K, L.

Transfert de l’énergie libérée à un électron orbital

Réarrangement des couches électroniques

Emission de photons X de fluorescence et d’électrons Auger à la suite de l’ionisation. •

X : origine électronique du photon.

MECANISMES DE DESEXCITATION DU NOYAU CREATION DE PAIRE INTERNE Mécanisme

Emission par le noyau d’une paire électron-positon. •

Libération d’énergie.

Si l’énergie de retour à l’état fondamental est suffisante : Condition énergétique

•

Si le noyau est dans un état excité d’énergie E supérieure à l’équivalent énergétique de l’électron et du positon. - Si E ≥ 2mec² = 1,022 MeV.

Le positon Devenir du positon

•

a une durée de vie limitée dans la matière.

Annihilation avec un électron du milieu après un parcours de quelques millimètres . - Emission de 2 photons γ de 511 keV chacun, partant à 180° l’un de l’autre .

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COMPARAISON ATOME -NOYAU Atome Energie de liaison

W de 13,6 eV à plusieurs centaines de keV. Electroniques :

Transitions

Retour à l’état fondamental

• •

Excitation. Ionisation.

Fluorescence X. Electrons Auger.

Noyau B de 30 MeV à plusieurs milliers de MeV. Nucléaires : •

Transformations radioactives.

Émission γ. Électron de conversion interne. Création de paire interne.

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