Objectifs

• Décrire la composition d'un noyau et utiliser la notation \(\ce{^{A}_{Z}X}\).
• Définir et reconnaître des isotopes.
• Écrire une équation de réaction nucléaire en appliquant les lois de conservation.
• Distinguer radioactivité, fission et fusion, et comparer transformations chimique, physique et nucléaire.

1. Le noyau de l'atome

Le noyau contient des nucléons : les protons (charge positive) et les neutrons (sans charge). On note un noyau :

• \(Z\) : le numéro atomique = nombre de protons. Il identifie l'élément chimique.
• \(A\) : le nombre de masse = nombre de nucléons (protons + neutrons).
• Nombre de neutrons : \(N = A - Z\).

Retrouve les parties de l'atome sur le schéma (agrandi, pas à l'échelle : en réalité le noyau est beaucoup plus petit).

Exemple résolu

Donner la composition du noyau d'uranium \(\ce{^{235}_{92}U}\).

2. Les isotopes

Des isotopes sont des noyaux qui ont le même nombre de protons \(Z\) mais un nombre de neutrons différent, donc un nombre de masse \(A\) différent. Ils appartiennent au même élément chimique et ont les mêmes propriétés chimiques.

• Carbone : \(\ce{^{12}_{6}C}\), \(\ce{^{13}_{6}C}\) et \(\ce{^{14}_{6}C}\) (ce dernier sert à dater des objets anciens).
• Hydrogène : \(\ce{^{1}_{1}H}\), le deutérium \(\ce{^{2}_{1}H}\) et le tritium \(\ce{^{3}_{1}H}\).
• Uranium : \(\ce{^{235}_{92}U}\) et \(\ce{^{238}_{92}U}\).

3. Les réactions nucléaires et leurs lois de conservation

Une transformation nucléaire modifie la composition des noyaux. Lors d'une réaction nucléaire, il y a conservation :

• du nombre de masse : la somme des \(A\) est la même avant et après ;
• du nombre de charge : la somme des \(Z\) est la même avant et après.

Particules utiles : neutron \(\ce{^{1}_{0}n}\), proton \(\ce{^{1}_{1}p}\), électron \(\ce{^{0}_{-1}e}\), positon \(\ce{^{0}_{1}e}\), noyau d'hélium (particule alpha) \(\ce{^{4}_{2}He}\).

3.1 La radioactivité (désintégration spontanée)

Un noyau instable se transforme spontanément en un autre noyau en émettant une particule :

3.2 La fission

Un noyau lourd, frappé par un neutron, se casse en deux noyaux plus légers en libérant des neutrons et de l'énergie :

3.3 La fusion

Deux noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd. C'est la source d'énergie du Soleil et des étoiles :

Exemple résolu : compléter une équation

Le cobalt 60, utilisé en radiothérapie, est radioactif bêta moins : \(\ce{^{60}_{27}Co -> ^{A}_{Z}Ni + ^{0}_{-1}e}\). Trouver \(A\) et \(Z\).

4. L'énergie des transformations nucléaires

Une transformation nucléaire libère, pour une même masse de matière, une énergie beaucoup plus grande qu'une transformation chimique comme la combustion du charbon ou du gaz butane. Cette énergie apparaît sous forme de chaleur et de rayonnements.

Erreurs fréquentes

Récapitulatif

Un noyau \(\ce{^{A}_{Z}X}\) contient \(Z\) protons et \(A - Z\) neutrons. Les isotopes ont le même \(Z\) et des \(A\) différents. Une réaction nucléaire conserve le nombre de masse et le nombre de charge. Radioactivité, fission et fusion transforment les noyaux et libèrent beaucoup plus d'énergie que les réactions chimiques.