Déterminer les isotopes radioactifs à partir du diagramme (N, Z) - Maxicours

Déterminer les isotopes radioactifs à partir du diagramme (N, Z)

Objectifs
  • Déterminer les isotopes radioactifs d’un élément à partir d’un diagramme (NZ).
  • Utiliser des données pour identifier le type de radioactivité.
Points clés
  • La radioactivité est le phénomène au cours duquel un noyau instable (appelé noyau radioactif) se désintègre spontanément en un noyau qui appartient à un autre élément chimique.
  • La désintégration radioactive s’accompagne de l’émission d’une particule et d’un rayonnement électromagnétique gamma.
  • Le diagramme (NZ) répertorie tous les isotopes instables et stables de tous les éléments chimiques. On trouve en abscisse le nombre de neutrons et en ordonnée le nombre de protons.
  • Il existe trois types de radioactivité en fonction de la particule émise :
    • la radioactivité béta plus correspond à l’émission d’un positon ;
    • la radioactivité béta moins correspond à l’émission d’un électron ;
    • la radioactivité alpha correspond à l’émission d’un noyau d’hélium 4.
  • Tous les isotopes se trouvent sur une même ligne sur le diagramme (NZ).
Pour bien comprendre
  • Les isotopes
  • La réaction nucléaire
1. Les noyaux radioactifs

La radioactivité est un phénomène physique qui concerne des noyaux instables qui se désintègrent. Cette désintégration est à la fois aléatoire (on ne peut pas prévoir quand elle va avoir lieu) et spontanée (elle se réalise sans intervention extérieure).

a. Définition de la désintégration radioactive
Lors d’une désintégration radioactive, un noyau instable (ou radioactif) qui appartient à un élément chimique, se transforme spontanément en un nouveau noyau qui appartient à un autre élément chimique. Une particule et un rayonnement gamma sont émis au cours de cette désintégration radioactive.
Remarque
Le rayonnement gamma (γ) émis lors de la désintégration radioactive est un rayonnement électromagnétique de courte longueur d’onde (l’ordre de grandeur est λ = 1012 m).

Le noyau qui se désintègre est appelé noyau père et le noyau formé est appelé noyau fils.

Rappel sur le noyau
Un noyau est composé de protons (portant une charge électrique élémentaire positive) et de neutrons (électriquement neutres).

L’élément chimique auquel appartient le noyau est défini par le nombre de charges Z (qui est égal au nombre de protons) et on définit le nombre de masse A du noyau qui est égal à la somme des protons et des neutrons.
Des noyaux isotopes appartiennent au même élément chimique (même nombre de charges Z) et possèdent un nombre de neutrons différents (nombre de masse A différent).
On nomme des isotopes en donnant le nom de l’élément chimique auxquels ils appartiennent suivi de la valeur du nombre de masse A, ou en utilisant la notation AX.
Exemple – désintégration du carbone 14 (14C)
Le carbone 14 (14C) se désintègre en se transformant en azote 14 (14N) et en émettant un électron.

La désintégration radioactive du carbone 14
b. Les trois types de radioactivité

En fonction de la nature de la particule émise, on distingue trois types de radioactivité : béta plus, béta moins et alpha.

Type de radioactivité Particule émise Symbole de la particule
Béta moins (β) Électron
Béta plus (β+) Positon
Alpha (α) Noyau d’hélium 4
Exemple
Un noyau de carbone 14 se désintègre spontanément en un noyau d’azote 14 avec l’émission d’un électron et d’un rayonnement gamma : c’est donc une radioactivité de type béta moins (β).
Remarque
Les noyaux avec un excès de protons se désintègrent selon la radioactivité β+ en émettant un positon () tandis que les noyaux ayant un excès de neutrons se désintègrent selon la radioactivité β en émettant un électron ().
Les noyaux lourds avec un excès de nucléons se désintègrent selon la radioactivité α en émettant un noyau d’hélium 4 ().
2. Le diagramme (N, Z)

Le diagramme (NZ) répertorie pour chaque élément chimique les isotopes stables et ceux qui sont instables (radioactifs).

Dans ce diagramme, le nombre de neutrons N (égal à A – Z) se trouve en abscisse et le nombre de protons (égal à Z) se trouve en ordonnée.


Diagramme (NZ)
Tous les isotopes d’un même élément se trouvent sur une même ligne.

Ce diagramme permet d’identifier, pour un élément chimique donné, les isotopes stables et les isotopes instables.

Exemple
On identifie des isotopes stables et instables du bismuth (Z = 83), à partir d’un extrait du diagramme (NZ).

Pour les isotopes radioactifs, le type de radioactivité associée (β, β+ ou α) nous permet de trouver le noyau fils à partir du diagramme (NZ).

Type de radioactivité Variation du nombre
de protons et de neutrons
entre les noyaux père et fils
Déplacement dans le
diagramme (NZ)
Béta moins (β) Un proton en plus,
un neutron en moins
Béta plus (β+) Un proton en moins,
un neutron en plus
  
Alpha (α) Deux protons en moins,
deux neutrons en moins
Remarque
La variation du nombre de protons et de neutrons s’obtient à partir des lois de conservation au cours de la réaction nucléaire.

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