Transformations Nucléaires et Formation des Éléments

Thème 1 : Une longue histoire de la matière

Un niveau d'organisation : les éléments chimiques

• Les éléments chimiques et la fusion nucléaire

• La radioactivité et la datation

Des édifices ordonnés : les cristaux

• Les solides cristallins et les solides amorphes

• Les types cristallins

• Les roches : associations de minéraux

Une structure complexe : la cellule vivante

• La théorie cellulaire

• L'exploration des cellules au microscope

• La membrane plasmique des cellules

Transformation Nucléaire

Lors d'une transformation nucléaire :

• Un ou plusieurs noyaux réactifs se transforment en de nouveaux noyaux.

• Les éléments chimiques ne sont pas conservés.

Équation de réaction nucléaire

Une transformation nucléaire est modélisée par une réaction où l'on représente les particules qui réagissent et celles qui sont formées.

Une particule est caractérisée par son nombre de masse A et son nombre de charge Z. Elle est symbolisée par l'écriture conventionnelle :

• A : Nombre de masse (nombre de nucléons)

• Z : Nombre de charge (nombre de protons)

L'équation nucléaire traduit la conservation du nombre de masse A et du nombre de charge Z au cours de la transformation.

Exemple :

• Conservation du nombre de masse A :

• Conservation du nombre de charge Z :

La Nucléosynthèse Stellaire

Lorsque suffisamment de matière s'est agglomérée sur une protoétoile, la température et la pression en son cœur sont suffisantes pour amorcer les premières réactions de fusion thermonucléaire : l'étoile s'allume.

Les noyaux légers sont écrasés les uns contre les autres et finissent par fusionner lentement pour former de nouveaux noyaux plus lourds en dégageant à chaque fois de l'énergie sous forme de photons. C'est la nucléosynthèse stellaire.

Exemples de fusion :

Le physicien américain Hans Albrecht Bethe (1906-2003) a expliqué le premier, en 1938, les réactions de fusion nucléaire dans les étoiles, montrant ainsi comment elles produisent leur énergie. L'hydrogène est le principal "carburant" de cette production d'énergie, et la fusion de ses noyaux est la première étape de la formation des éléments de l'Univers.

Au cœur des étoiles, à des températures très élevées, les noyaux des atomes fusionnent pour former de nouveaux noyaux :

• Quatre noyaux d'hydrogène () s'unissent pour former un noyau d'hélium ().

• Ainsi, des noyaux d'hélium s'assemblent pour former un noyau de béryllium ().

Protection contre la radioactivité

Il est notoirement connu que la radioactivité est néfaste pour les êtres vivants. Pourtant, nous baignons en permanence dans la radioactivité.

Qu'est-ce qui caractérise les particules ou rayonnements émis lors d'une désintégration radioactive ?

On se protège d'une irradiation externe par des écrans, notamment pour les rayons gamma, les rayons alpha et bêta étant arrêtés par de très faibles épaisseurs de matière.

Le phénomène d'ionisation est le mécanisme par lequel la radioactivité agit sur la matière. Les rayonnements alpha, bêta, gamma et neutronique perturbent l'organisation de la matière vivante. Les atomes placés sur leurs trajectoires peuvent perdre un ou plusieurs électrons. Ces atomes se transforment alors en ions qui, chargés électriquement, vont à leur tour perturber l'organisation des molécules ou des cellules dont ils sont les constituants. C'est pourquoi les rayonnements radioactifs sont dits « ionisants ».

IV. Abondance des éléments

Que peut-on dire de l'abondance des éléments chimiques dans l'Univers, sur Terre et dans le corps humain ?

III- Les transformations nucléaires

Lors d'une transformation nucléaire :

• Un ou plusieurs noyaux réactifs se transforment en de nouveaux noyaux.

• Les éléments ne sont donc pas conservés (ce n'est pas une transformation chimique).

• Un rayonnement, dit « gamma », est émis (énergie utilisable).

Exemple

Le noyau d'un atome de plutonium 238, d'écriture conventionnelle , se scinde en deux noyaux : un noyau d'uranium 234 et un noyau d'hélium .

Une transformation nucléaire est modélisée par une équation dans laquelle apparaissent les écritures conventionnelles des noyaux telle que :

Lors d'une transformation nucléaire, il y a :

• Conservation du nombre de masse (A).

• Conservation du nombre de charge (Z).

On distingue :

• La radioactivité naturelle : Désintégration d'un noyau instable (1 seul noyau « réactif »). On définit la désintégration comme la transformation d'un noyau instable en un autre noyau avec émission d'une particule.

Remarque : Les particules mises en jeu :

• Noyau d'hélium noté ()

• Électron noté ()

• Positon (ou positron) noté ()

• Neutron noté

• Proton noté

• La radioactivité provoquée : (au moins 2 noyaux « réactifs »).

• La fusion (dans les étoiles) : Lorsque 2 noyaux « légers » s'assemblent pour former un noyau plus lourd.

• La fission (dans les centrales nucléaires) : Lorsqu'un noyau « lourd » se scinde en 2 noyaux plus légers sous l'impact d'un neutron.

IV- Formation des éléments chimiques dans l'Univers

Ouvrir le lien vidéo du CEA : « Comment s'est créé la matière » : http://www.cea.fr/multimedia/Pages/videos/culture-scientifique/terre-univers/origine-creation-matiere.aspx

Document 1 : La théorie du Big Bang : Chronologie de la formation de l'Univers

Il y a environ 13,7 milliards d'années, l'Univers est un brouillard dense et chaud composé de particules élémentaires (électrons, photons...). Le Big Bang secoue l'Univers, qui libère alors une énorme quantité d'énergie et entre dans une phase d'expansion rapide. Cela entraîne une baisse de la température qui provoque l'assemblage des particules en neutrons et en protons. Quelques minutes plus tard, ceux-ci se regroupent et forment les noyaux des éléments chimiques les plus légers : l'hydrogène et l'hélium. Puis des électrons viennent graviter autour du noyau, il y a formation des premiers éléments chimiques : hydrogène et hélium.

Il faut attendre plus de cent millions d'années pour que les forces de gravitation rassemblent ces premiers atomes en étoiles. Celles-ci deviennent le lieu de formation d'éléments chimiques plus lourds (carbone, oxygène, azote...) au cours de réactions de fusion nucléaires appelées nucléosynthèses.

À la fin de leur vie, certaines étoiles massives explosent en supernova et favorisent l'apparition des éléments chimiques plus lourds qui se dispersent dans l'Univers.

Document 2 : La nucléosynthèse

Au cœur des étoiles, à des températures très élevées, les noyaux d'atomes fusionnent pour former de nouveaux noyaux :

• Quatre noyaux d'hydrogène () s'unissent pour former un noyau d'hélium ().

• Deux noyaux d'hélium s'unissent pour former un noyau de béryllium ().

• Et ainsi de suite : les éléments les plus lourds s'obtiennent par l'assemblage de noyaux plus légers.

II- Comment un échantillon radioactif se comporte-t-il au cours du temps ?

a) La demi-vie

Comme on ne peut pas prévoir à quel moment un noyau va se désintégrer (phénomène aléatoire), on va prévoir à quel moment la moitié d'un nombre important de noyaux radioactifs seront désintégrés. On appelle cet instant, la demi-vie.

Définition de la demi-vie : C'est la durée au bout de laquelle :

• La moitié des noyaux sont désintégrés en moyenne.

À retenir : Définition : la demi-vie, que l'on notera , d'un noyau radioactif est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux radioactifs s'est désintégrée. La valeur de cette durée est propre à chaque noyau.

b- La loi de décroissance radioactive

On va s'intéresser maintenant à la façon dont le nombre de noyaux radioactifs évolue au cours du temps. Cette désintégration est aléatoire pour un noyau individuel, mais prévisible pour un grand nombre de noyaux : le nombre total de noyaux radioactifs suit une loi mathématique appelée loi de décroissance radioactive.

À retenir : principe de la datation radioactive

Les êtres vivants possèdent des taux de carbone 14 et 12 constants. À leur mort, le carbone 14 qui est radioactif se désintègre alors que le carbone 12 reste stable. Ainsi, on peut constater la décroissance du car il n'est plus renouvelé.

En mesurant le rapport des taux de carbone , on peut déterminer l'âge de l'échantillon.

2- Utilisation de noyaux radioactifs dans un contexte médical

La médecine nucléaire regroupe l'ensemble des techniques qui utilisent des composés contenant des noyaux radioactifs pour établir des diagnostics ou traiter certaines pathologies.

Document 1 : Utilisation de la radioactivité dans le domaine médical

Diagnostic (Scintigraphie, TEP) :

1. Étape 1 : Injection d'un produit contenant une faible dose de noyaux radioactifs, appelé traceur radioactif.

2. Étape 2 : Fixation du traceur sur une partie de l'organisme (spécifique à chaque traceur).

3. Étape 3 : Détection de rayonnement lors d'une scintigraphie ou de particules () au cours d'une tomographie à émission de positrons (TEP), qui permet de visualiser la répartition du traceur dans l'organisme.

4. Étape 4 : Élimination naturelle du produit dans les urines.

Thérapie (Radiothérapie interne) :

1. Étape 1 : Administration d'un médicament contenant des noyaux radioactifs, appelé radiopharmaceutique, parfois directement au sein des cellules cibles.

2. Étape 2 : Fixation du radiopharmaceutique dans les cellules cibles (spécifiques à chaque radiopharmaceutique).

3. Étape 3 : Émission intense de particules ( ou ), qui entraîne la destruction des cellules cibles, principalement une tumeur, sans affecter les cellules voisines.

4. Étape 4 : Élimination naturelle du produit dans les urines.

Z = 15, l'élément est le Phosphore (P).