Établir l'équation d'une réaction nucléaire et déterminer le type de radioactivité - Maxicours

Établir l'équation d'une réaction nucléaire et déterminer le type de radioactivité

Objectif

Utiliser des données et les lois de conservation pour écrire l’équation d’une réaction nucléaire et identifier le type de radioactivité.

Points clés
  • La radioactivité est un phénomène spontané et aléatoire au cours duquel un noyau instable (appelé noyau radioactif) se transforme en un nouveau noyau appartenant à un autre élément chimique. Au cours de cette désintégration radioactive, une particule et un rayonnement électromagnétique gamma sont émis.
  • La nature de la particule permet de distinguer trois types de désintégrations radioactives.
    • La radioactivité béta moins si la particule est un électron.
    • La radioactivité béta plus si la particule est un positon.
    • La radioactivité alpha si la particule est un noyau d’hélium 4.
  • Une équation nucléaire respecte deux lois de conservation : la conservation du nombre de masse et la conservation du nombre de charges.
Pour bien comprendre
  • Noyau : protons, neutrons, nombre de masse, numéro atomique
  • Équation de réaction nucléaire
  • Lois de conservation
1. Les noyaux et les particules

Le monde subatomique est composé par les constituants de l’atome (tels que les protons, les neutrons et les électrons), et par les particules produites par les phénomènes nucléaires (tels que les photons, les neutrinos, les positons, etc.).

Les noyaux atomiques sont constitués de particules subatomiques.

a. Rappel sur le noyau

Un noyau est composé de protons (qui portent 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.

Un noyau appartenant à un élément chimique X, de nombre de masse A et de nombre de charges Z est symbolisé de la manière suivante.

Écriture conventionnelle du noyau d’un élément chimique
Exemple – Le noyau de carbone 12

Composition :
6 protons et 6 neutrons,
soit Z = 6 et A = 6 + 6 12

Symbole du noyau de carbone 12 : 

Noyau de carbone 12
Remarque
Le nombre Z, égal au nombre de protons, est aussi appelé numéro atomique car il caractérise un élément chimique. Chaque élément chimique possède un numéro atomique différent (hydrogène Z = 1, carbone Z = 6, oxygène Z = 8, etc.).
b. Isotopie

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 auquel ils appartiennent suivi de la valeur du nombre de masse A.

Exemple – Les isotopes du carbone
Isotope Carbone 12 Carbone 13 Carbone 14
Composition 6 protons et 6 neutrons,
soit Z = 6
et A = 6 + 6 = 12
6 protons et 7 neutrons,
soit Z = 6
et A = 6 + 7 = 13
6 protons et 8 neutrons,
soit Z = 6
et A = 6 + 8 = 14
Symbole    
c. Les particules subatomiques

Les particules subatomiques sont caractérisées par le nombre de masse A et par le nombre de charges Z. Ce nombre Z correspond aux nombres de charges élémentaires portées par la particule.

Si la particule est électriquement neutre, Z 0. Si elle est chargée négativement, Z est négatif. Et si elle est chargée positivement, Z est positif.

Les particules subatomiques suivantes sont symbolisées de la même manière que le noyau.

Particule Proton Neutron Électron Positron
et Z 1
et 1
1
et 0
0
et –1
0
et 1
Symbole
2. Les réactions nucléaires et leur équation

Dans certaines conditions, les noyaux peuvent réagir pour donner de nouveaux noyaux et produire des particules subatomiques.

a. Les trois grandes familles de réactions nucléaires
La fission nucléaire
Lors d’une fission nucléaire, un noyau se scinde en deux nouveaux noyaux sous l’impact d’un neutron, avec production d’un ou plusieurs neutrons.

Réaction de fission d'un noyau d'uranium 235
La fusion nucléaire
Lors d’une fusion nucléaire, deux noyaux lancés à grande vitesse entrent en collision et fusionnent pour former un seul noyau avec production de particules.

Fusion du deutérium (hydrogène 2)
et du tritium (hydrogène 3) en hélium 4
La 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.


Désintégration radioactive du radium 226 en radon 222
Remarque
La fusion et la fission sont des réactions provoquées, tandis que la désintégration radioactive est spontanée, elle n’a pas besoin d’intervention extérieure pour avoir lieu.
b. Équation de réaction nucléaire
Les lois de conservation

Les réactions nucléaires sont modélisées par une équation de réaction nucléaire où apparaissent les symboles des noyaux réactifs et produits, ainsi que ceux des particules mises en jeu.

Au cours d’une réaction nucléaire, deux lois de conservation (appelées loi de Soddy) doivent être respectées.

  • La conservation du nombre de charges électriques (Z) :
    Z1+ Z2 = Z3 + Z4.
  • La conservation du nombre de masse (A) :
    A1 + A2 = A3 + A4
Exemples

Exemple 1 – Fission de l’uranium 235 en baryum 139 et krypton 95

 
  • Conservation de A : 235 1 = 236 = 139 95 + 2 × 1
  • Conservation de Z : 92 92 56 36 × 0

Exemple 2 – Fusion du deutérium et du tritium en hélium 4

 
  • Conservation de A : 3 = 5 = 4 + 1
  • Conservation de Z : 1 0

Exemple 3 – Désintégration radioactive du radium 226 en radon 222

 
  • Conservation de A : 226 222 4
  • Conservation de Z : 88 86 2
3. Les différents types de radioactivité

La radioactivité est un phénomène aléatoire (on ne peut pas prévoir quand il va avoir lieu) et spontané (il se réalise sans intervention extérieure).

Un noyau instable (appelé noyau père) se désintègre en un noyau d’un autre élément chimique (appelé noyau fils), en émettant une particule et un rayonnement gamma.

a. Les types de radioactivité

En fonction de la nature de la particule émise, on distingue trois types de radioactivité. 

Type de radioactivité Particule émise Symbole de la particule
Béta moins (β) Électron
Béta plus (β+) Positon
Alpha (α) Noyau d’hélium 4
b. Transformations dans le noyau
Radioactivité béta plus

Les noyaux avec un excès de protons se désintègrent selon la radioactivité β+ en émettant un positon.

Un des protons du noyau se transforme en neutron.

Équation de transformation du proton : 
Radioactivité béta moins

Les noyaux avec un excès de neutrons se désintègrent selon la radioactivité β en émettant un électron.

Un des neutrons du noyau se transforme en proton.

Équation de transformation du neutron : 
Radioactivité alpha

Les noyaux lourds avec un excès de nucléons se désintègrent selon la radioactivité α en émettant un noyau d’hélium 4.

Le noyau expulse une particule (nommée alpha) qui contient deux protons et deux neutrons : c’est un noyau d’hélium 4 ().

c. Les équations des désintégrations radioactives

On considère un noyau père appartenant à l’élément chimique X, qui se désintègre en un noyau fils appartenant à l’élément chimique Y.

  • Radioactivité alpha : 
  • Radioactivité béta plus : 
  • Radioactivité béta moins : 
Exemples
  • Désintégration radioactive du carbone 14 en azote 14 (radioactivité béta moins) : 
  • Désintégration radioactive de l’oxygène 13 en azote 13 (radioactivité béta plus) : 
  • Désintégration radioactive du polonium 210 en plomb 208 (radioactivité alpha) : 
Remarque
On ne note pas dans l’équation de la réaction le rayonnement gamma qui est émis. Ce rayonnement est émis par le noyau fils lorsque celui-ci est formé dans un état d’énergie excité (son énergie est supérieure à son état de plus petite énergie, l’état fondamental). Le noyau fils émet un photon gamma lors de sa désexcitation.

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