Physique-Chimie — Constitution et transformations de la matière
Transformations nucléaires
Radioactivité, fission, fusion, lois de conservation
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
Une réaction chimique ne touche jamais au **noyau** : elle se contente de réarranger le **cortège électronique**. Les transformations nucléaires, elles, modifient le cœur même de l'atome — et libèrent des énergies sans commune mesure. La **radioactivité** est la transformation **spontanée** d'un noyau instable en un noyau plus stable, accompagnée d'un rayonnement : $\alpha$ (un noyau d'hélium $^{4}_{2}\mathrm{He}$ est éjecté), $\beta^-$ (un neutron devient proton en émettant un électron $^{0}_{-1}\mathrm{e}$) ou $\gamma$ (un simple flash de lumière qui désexcite le noyau). La **fission** casse un noyau lourd comme l'$^{235}_{92}\mathrm{U}$ en deux fragments : c'est le moteur des centrales. La **fusion** soude deux noyaux légers, comme dans le cœur des étoiles. Dans tous les cas, deux gardiens veillent : le nombre de masse $A$ et le numéro atomique $Z$ se **conservent**, ce qui permet d'équilibrer n'importe quelle équation.
Un noyau possédant trop de protons ou de neutrons est **instable** : tôt ou tard, il se transforme spontanément en un noyau plus stable en émettant un rayonnement. Le phénomène est **aléatoire** pour un noyau isolé (impossible de prévoir *quand*), mais parfaitement régulier pour un grand nombre de noyaux. On distingue trois familles selon ce qui est éjecté.
- **Radioactivité $\alpha$ :** émission d'un noyau d'hélium $^{4}_{2}\mathrm{He}$. Le noyau perd $2$ protons et $2$ neutrons : $Z$ diminue de $2$, $A$ diminue de $4$.
- **Radioactivité $\beta^-$ :** un neutron se change en proton avec émission d'un électron $^{0}_{-1}\mathrm{e}$. $Z$ **augmente de $1$**, $A$ reste **inchangé**.
- **Radioactivité $\gamma$ :** émission d'un photon de haute énergie. Le noyau se **désexcite** sans changer ni $Z$ ni $A$ ; elle accompagne souvent une désintégration $\alpha$ ou $\beta$.
- Le noyau de départ est le **noyau père**, celui d'arrivée le **noyau fils**.
- Le phénomène est **spontané** : aucune action extérieure ne le déclenche, contrairement à la fission provoquée.
Exemple
Le radium $^{226}_{88}\mathrm{Ra}$ est radioactif $\alpha$. On retire $2$ à $Z$ ($88 \rightarrow 86$) et $4$ à $A$ ($226 \rightarrow 222$) : il se transforme en radon $^{222}_{86}\mathrm{Rn}$. Équation : $^{226}_{88}\mathrm{Ra} \rightarrow {}^{222}_{86}\mathrm{Rn} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}$.
Piège à éviter
Le $\beta^-$ n'est **pas** un électron arraché au cortège : il **naît dans le noyau** quand un neutron se transforme en proton. C'est pourquoi $A$ ne change pas alors que $Z$ augmente.
Toute réaction nucléaire obéit à deux règles simples mais incontournables, posées par Soddy : le **nombre de masse $A$** (en haut à gauche) et le **numéro atomique $Z$** (en bas à gauche) se conservent. Autrement dit, la somme des $A$ et la somme des $Z$ sont identiques avant et après la flèche. Ces deux égalités suffisent à retrouver une particule inconnue.
- **Conservation de $A$ :** la somme des nombres de masse est la même des deux côtés de l'équation.
- **Conservation de $Z$ :** la somme des numéros atomiques (charges) est la même des deux côtés.
- Pour trouver une particule manquante $^{A}_{Z}\mathrm{X}$ : on calcule $A$ puis $Z$ par différence, puis on identifie l'élément.
- Particules utiles : noyau d'hélium $^{4}_{2}\mathrm{He}$, électron $^{0}_{-1}\mathrm{e}$, neutron $^{1}_{0}\mathrm{n}$, proton $^{1}_{1}\mathrm{p}$.
- Exemple type $\alpha$ : $^{238}_{92}\mathrm{U} \rightarrow {}^{234}_{90}\mathrm{Th} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}$ ($238 = 234 + 4$ et $92 = 90 + 2$).
Exemple
Dans $^{14}_{6}\mathrm{C} \rightarrow {}^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{A}_{Z}\mathrm{X}$ : conservation de $A$ donne $14 = 14 + A$, donc $A = 0$ ; conservation de $Z$ donne $6 = 7 + Z$, donc $Z = -1$. La particule est l'électron $^{0}_{-1}\mathrm{e}$ : c'est une désintégration $\beta^-$.
Piège à éviter
Ces lois conservent $A$ et $Z$, **pas la masse exacte** : une infime fraction de masse est convertie en énergie selon $E = mc^2$. C'est précisément cette « masse manquante » qui libère l'énergie nucléaire.
Au-delà de la radioactivité spontanée, deux transformations **provoquées** libèrent des quantités colossales d'énergie en réorganisant les noyaux. Elles vont dans des sens opposés — l'une casse, l'autre soude — mais reposent toutes deux sur la conservation de $A$ et de $Z$.
- **Fission :** un noyau **lourd** ($^{235}_{92}\mathrm{U}$, $^{239}_{94}\mathrm{Pu}$) percuté par un neutron se **casse** en deux noyaux plus légers, en libérant des neutrons et de l'énergie.
- Les neutrons émis peuvent casser d'autres noyaux : c'est la **réaction en chaîne**, exploitée dans les **centrales nucléaires**.
- **Fusion :** deux noyaux **légers** (isotopes de l'hydrogène) s'**unissent** pour former un noyau plus lourd, par exemple de l'hélium.
- La fusion libère **encore plus d'énergie par nucléon** que la fission : c'est la source d'énergie des **étoiles**, dont le Soleil.
- La fusion exige des conditions **extrêmes** (millions de degrés, très forte pression) pour vaincre la répulsion entre noyaux positifs.
Exemple
Une fission de l'uranium 235 : $^{235}_{92}\mathrm{U} + {}^{1}_{0}\mathrm{n} \rightarrow {}^{94}_{38}\mathrm{Sr} + {}^{140}_{54}\mathrm{Xe} + 2\,{}^{1}_{0}\mathrm{n}$. Vérification de $A$ : $235 + 1 = 94 + 140 + 2$, soit $236 = 236$. Vérification de $Z$ : $92 + 0 = 38 + 54 + 0$, soit $92 = 92$.
Piège à éviter
Ne confonds pas les deux : la **fission casse** un noyau **lourd**, la **fusion soude** des noyaux **légers**. Astuce : « fission = fissure ». Et c'est la **fusion** (pas la fission) qui fait briller les étoiles.
On ne peut pas dire *quand* un noyau précis se désintégrera, mais on connaît le rythme d'une population entière grâce à la **demi-vie** $t_{1/2}$ : la durée au bout de laquelle la **moitié** des noyaux radioactifs présents ont disparu. Cette horloge nucléaire, propre à chaque isotope, est au cœur de la datation et de la médecine.
- **Demi-vie $t_{1/2}$ :** durée au bout de laquelle la moitié des noyaux radioactifs initiaux se sont désintégrés.
- Après $t_{1/2}$ il reste la moitié ; après $2\,t_{1/2}$, le quart ; après $3\,t_{1/2}$, le huitième... la décroissance est **exponentielle**, jamais nulle.
- Chaque isotope a sa propre valeur : $t_{1/2}(^{14}\mathrm{C}) \approx 5\,730$ ans, $t_{1/2}(^{238}\mathrm{U}) \approx 4{,}5$ milliards d'années.
- **Datation au carbone 14 :** on mesure la proportion de $^{14}\mathrm{C}$ restant dans un échantillon pour estimer son âge.
- **Médecine :** traceurs radioactifs (imagerie) et radiothérapie ; revers de la médaille, les **déchets** doivent être stockés très longtemps.
Exemple
Un échantillon contient au départ $800$ noyaux d'un isotope de demi-vie $t_{1/2} = 6$ jours. Après $6$ jours il en reste $400$ ; après $12$ jours ($2\,t_{1/2}$), $200$ ; après $18$ jours ($3\,t_{1/2}$), $100$. On divise par $2$ à chaque demi-vie écoulée.
Piège à éviter
La demi-vie n'est **pas** la durée de vie totale : au bout de $2\,t_{1/2}$ il reste un **quart** des noyaux, pas zéro. La désintégration est exponentielle et ne s'arrête jamais complètement.
Quiz - Transformations nucléaires
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Transformations nucléaires, extraits du quiz de révision.
La radioactivité $\alpha$ correspond à l'émission :
Réponse :
D'un noyau d'hélium $^{4}_{2}\mathrm{He}$
La radioactivité $\alpha$ éjecte une particule $\alpha$, c'est-à-dire un noyau d'hélium $^{4}_{2}\mathrm{He}$ ($2$ protons $+ 2$ neutrons). Le noyau père perd ainsi $2$ unités de $Z$ et $4$ unités de $A$.
Lors d'une désintégration $\beta^-$, le numéro atomique $Z$ :
Réponse :
Augmente de $1$
En $\beta^-$, un neutron se transforme en proton : le nombre de protons grimpe, donc $Z$ **augmente de $1$**. Comme un neutron remplace un proton, le nombre total de nucléons $A$ ne change pas.
Les lois de conservation d'une réaction nucléaire portent sur :
Réponse :
Le nombre de masse $A$ et le numéro atomique $Z$
On conserve le nombre de masse $A$ (somme des nucléons) et le numéro atomique $Z$ (la charge). C'est ce qui permet d'équilibrer toute équation nucléaire et de retrouver une particule manquante.
Dans $^{238}_{92}\mathrm{U} \rightarrow {}^{234}_{90}\mathrm{Th} + X$, la particule $X$ est :
Réponse :
Un noyau d'hélium $^{4}_{2}\mathrm{He}$
Conservation de $A$ : $238 = 234 + A$ donne $A = 4$. Conservation de $Z$ : $92 = 90 + Z$ donne $Z = 2$. La particule $^{4}_{2}\mathrm{He}$ est une particule $\alpha$.