16.A1 : Des noyaux, encore des noyaux...
Compétences travaillées :
• Déterminer, à partir d’un diagramme (N,Z), les isotopes radioactifs d’un élément.
• Utiliser des données et les lois de conservation pour écrire l’équation d’une réaction nucléaire.
• Identifier le type de radioactivité.
I - Contexte
Alors que seulement 118 éléments chimiques, classés dans le tableau périodique, ont été identifiés sur Terre ou en laboratoire, plus de 1 500 noyaux connus sont classés dans un diagramme (N, Z).
Comment connaître les informations sur la stabilité d’un noyau grâce au diagramme (N, Z) ?
II - Documents
Document n° 1 : Diagramme (N,Z) ou diagramme de Segré
Pour un élément chimique donné, certains isotopes sont stables tandis que d’autres ne le sont pas et sont donc radioactifs. Le diagramme (N, Z) indique les isotopes stables ou radioactifs. Il donne aussi le type d’émission radioactive des isotopes instables.
Dans ce diagramme, on porte en abscisse le nombre Z de protons et, en ordonnée, le nombre N de neutrons du noyau. Chaque isotope y est représenté par une case. On retrouve sur une même ligne les isotopes d’un même élément. Le type de radioactivité est représenté par un code couleur.
Diagramme (N,Z) interactif : physique.ostralo.net/diagramme_NZ/
Document n° 2 - Équation d’une transformation nucléaire
Dans une transformation nucléaire, les noyaux des atomes sont modifiés. On modélise la transformation par une équation de réaction nucléaire qui obéit à des lois de conservation :
- - conservation du nombre de charges électriques ;
- - conservation du nombre de nucléons.
Une réaction de fusion dans les étoiles respecte les lois de conservation, l’équation s’écrit :
\(\ce{^2_1H + ^3_1H -> ^4_2He + ^1_0n}\)
Le nombre de charges électriques positives des atomes (en indice) de la réaction est conservé puisque 1 + 1 = 2 + 0
Le nombre de nucléons des atomes (en exposant) de la réaction est conservé puisque 2 + 3 = 4 + 1
Document n° 3 - Les différents types de radioactivité
Les noyaux pères instables peuvent se transformer spontanément en noyaux fils, cette transformation s’accompagne d’une émission de particules chargées.
• Lors de la radioactivité α, il y a émission d’un noyau d’hélium \(\ce{^4_2He}\) (ou particule α).
• Lors d’une désintégration β⁻, le noyau père libère un électron \(\ce{^0_{-1}e}\).
• Lors d’une désintégration β⁺, le noyau père libère un positon \(\ce{^0_1e}\).
• La plupart du temps, les noyaux issus d’une désintégration β sont dans un état excité, possédant un excédent d’énergie (c’est plus rare lors des désintégrations α). On distingue le noyau fils excité à l’aide d’un astérisque ajouté à côté de son symbole : \(\ce{^A_ZX^*}\). Les noyaux fils obtenus se désexcitent en émettant un photon, noté γ, c’est-à-dire une onde électromagnétique de très courte longueur d’onde.
III - Questions
1 À l’aide de l’animation proposée dans le document 1, repérer les noyaux suivants sur le diagramme : \(\ce{^{12}_{6}C}\) ; \(\ce{^{13}_{6}C}\) ; \(\ce{^14_6C}\) ; \(\ce{^{39}_{19}K}\) ; \(\ce{^{40}_{19}K}\) ; \(\ce{^{41}_{19}K}\).
Indiquer pour chacun s’il est stable ou instable.
2 Pour l’ensemble des noyaux du doc. 1, préciser si les noyaux les plus abondants du diagramme sont des noyaux stables ou instables.
3 Comparer le nombre de protons et le nombre de neutrons des noyaux stables :
3.a jusqu’à Z = 20 ;
3.b au-delà de Z = 20.
4 Que peut-on dire des noyaux qui donnent lieu à des désintégrations β⁺ et β⁻ ?
5 Caractériser les noyaux pour lesquels on peut observer des émissions α.
6 Repérer, sur le diagramme (N, Z) une zone appelée la « vallée de stabilité » et une autre appelée la « mer d’instabilité ».
7 Le phosphore 30 peut subir une transformation nucléaire, modélisée par la réaction d’équation :
\(\ce{^{30}_{15}P -> ^{30}_{14}Si + ^0_1e}\)
Identifier le type de radioactivité associé à cette désintégration et montrer que cette transformation nucléaire respecte les lois de conservation.
8 Écrire les équations de désintégration des isotopes instables du carbone suivants : \(\ce{^{10}_{6}C}\) ; \(\ce{^{15}_{6}C}\).
9 L’uranium 238 peut se désintégrer en thorium 234 suivant un processus de radioactivité α. Écrire l’équation de la réaction nucléaire qui modélise cette transformation.
10 Reproduire le schéma suivant et le compléter avec les symboles des noyaux fils obtenus à partir du noyau père \(\ce{^A_ZX}\) par désintégration β⁺ et β⁻ ou α. Relier les noyaux père et fils à l’aide de flèches.
