Fiche de cours

Réactions nucléaires - lois de conservation

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Objectif(s)
Précédemment, certaines réactions nucléaires ont été abordées, comme celles liés aux désintégrations nucléaires, la fission et la fusion. L’objectif est de faire un rapide bilan, pour ensuite montrer que toutes ces réactions obéissent à des lois de conservation qui seront explicitées.
1. Rappels
a. Notation d'un noyau - extension de la notation
Un noyau atomique se note de la manière suivante : 

La lettre A désigne le nombre de nucléons (protons + neutrons) qui constituent le noyau. Dans la littérature, on dit que A est le nombre de masse. Le Z est au nombre de protons. Par l’emploi de la classification périodique des éléments, il est aisé de faire la correspondance avec le nom X de l’élément chimique associé.

Cette notation a été étendue à des particules. Le proton p est noté , ou , car le proton est en mesure de constituer le noyau d’un atome d’hydrogène. Cela concerne aussi le neutron n, noté , ainsi que d’autres particules qui ne sont pas des nucléons, comme l’électron et le positon (nommé aussi anti-électron, ou positron dans les pays anglo-saxons).

Le rayonnement gamma est noté , ou du fait de sa neutralité électrique. Idem pour le neutrino ou , ou l’anti-neutrino ou , qui sont souvent négligés dans l’écriture des réactions nucléaires.

Le fait d’étendre la notation à des particules autres que les nucléons fait que le Z ne doit être vu comme un nombre de protons que pour un noyau, sinon il faut le voir comme un nombre de charges électriques : le positon n’est pas un proton.


b. Désintégrations radioactives
Nous avons vu trois types de désintégrations radioactives :

• Alpha () : un noyau lors émet une particule alpha, c'est-à-dire un noyau d’hélium 4, selon la réaction :


• Bêta () :
→ Les noyaux trop riches en neutrons peuvent « transformer » un neutron en proton, en émettant une particule , c'est-à-dire un électron :


→ Les noyaux trop riches en protons peuvent convertir un proton en neutron, et émettent une particule , autrement dit un positon :


• Gamma () : Les noyaux ayant subi une réaction nucléaire, comme une désintégration, sont dans un état excité. Ils se désexcitent en émettant un photon gamma :


c. Fission et fusion nucléaire
• La fission est une réaction nucléaire où un noyau se casse en plusieurs fragments. Elle peut être spontanée ou induite par un neutron. Dans ce cas, on a, de manière symbolique :


Les deux fragments de fission (noyaux fils) sont Y1 et Y2. Le terme est le nombre de neutrons émis par la fission. Pour la fission de l’Uranium 235, on en a en moyenne 2 ou 3.

• La fusion est une réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux s’assemblent pour n’en faire qu’un seul. Par exemple, la fusion du deutérium et du tritium :


2. Lois de conservation : lois de Soddy
Toutes les réactions nucléaires, y compris bien sûr celles abordées à la section précédente, respectent des lois de conservation. Ces lois sont nommées lois de Soddy, en référence à Frederick Soddy (1877-1956) qui les a énoncées.

Les lois de Soddy indiquent que lors d’une transformation nucléaire, le nombre de nucléons et la charge électrique sont conservées.
Ce qui peut s'écrire ainsi :       et    
Le symbole veut dire « somme ».

Quand on dit que la somme des Z est conservée lors d’une réaction nucléaire, cela ne veut pas dire que le nombre de protons est invariant, mais que la charge électrique totale est conservée lors de la réaction.

Les lois de Soddy ne mentionnent pas non plus que le nombre de protons et le nombre de neutrons sont conservés. En cas de désintégration , un proton devient neutron. En cas de désintégration , un neutron devient proton. C’est le nombre de nucléons qui est constant, indépendamment du fait qu’ils soient protons ou neutrons.

Enfin, ces lois ne prennent pas en compte l’arrangement des nucléons entre eux. Autrement dit, le comptage des nucléons et des charges électriques concerne également les particules émises lors des réactions : alpha, proton, neutron, électron, positon … et pas seulement les noyaux.
3. Réactions nucléaires
Les lois de Soddy sont un outil indispensable pour vérifier la validité d’une réaction nucléaire. Comme en chimie, il faudra donc « équilibrer » la réaction en comptant les nucléons et les charges électriques. Quelques exemples :

• Réaction de fission :


Du côté des réactifs (à gauche de la flèche), on recense charges électriques et nucléons. Du côté des produits (à droite de la flèche), on a charges et nucléons. La réaction est équilibrée. Bien entendu, le photon gamma est neutre électriquement et n’est pas un nucléon : il ne participe pas au comptage.

• Désintégration :


Du côté gauche, il y a 11 charges électriques positives et 24 nucléons. Du côté droit, on compte charges et nucléons.

• Quand un noyau lourd est très instable, des désintégrations multiples sont susceptibles d’intervenir. Cela constitue une chaîne de désintégrations radioactives. Avec le Copernicium, un noyau synthétisé en laboratoire, on a :


Comme et , on trouve une solution unique , donc il y a émission de 6 particules alpha.

• Fusion nucléaire dans le Soleil. On sait que le Soleil transforme l’hydrogène en hélium par fusion, mais les réactions sont relativement complexes.
L'essentiel
Les réactions nucléaires concernent les réactions qui font intervenir le noyau des atomes, ainsi que des particules (proton, neutron…). Il existe différents type de réactions nucléaires : désintégration radioactive, fission, fusion. Cependant, toutes ces réactions ont une caractéristique commune, c’est de respecter les lois de Soddy.

Les lois de Soddy indiquent que le nombre de nucléons (quelle que soit leur nature proton/neutron) et la charge électrique sont des quantités physiques conservées :

    et  

Ces lois permettent d’équilibrer les réactions nucléaires.

Aller plus loin
Contrairement à la chimie, la masse n’est pas une grandeur physique invariante au cours d’une réaction nucléaire. Cette variation de masse correspond à une énergie et est d’ailleurs exploitée afin de produire de l’énergie d’origine nucléaire.

Aussi, en plus des lois de Soddy, l’énergie est une grandeur strictement conservée. Seule la forme sous laquelle elle se « manifeste » est susceptible de changer. Pour plus de détails, voir la fiche « Aspects énergétiques liés aux réactions nucléaires ».

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