CHIMIE NUCLEAIRE
Lors des réactions chimiques « normales », ce sont les configurations électroniques
externes des atomes qui subissent des modifications, la participation des noyaux est
purement passive. Cependant, en ce qui concerne les processus nucléaires, c’est la
structure et la composition du noyau atomique qui en est responsable.
Réactions chimiques : entité conservée = atome
Réactions nucléaires : entité conservée = nucléon
Forme, dimension et structure du noyau atomique
Le noyau possède des dimensions finies, un volume et une forme. Les noyaux tiennent
ensemble grâce aux forces de cohésion. Grâce à l’intensité des forces d’interactions
nucléaires, le noyau possède une surface relativement bien définie. De plus, la matière
nucléaire est caractérisée par une densité élevée et les limites du noyau avec l’extérieur
sont nettes.
Le volume du noyau est proportionnel au nombre de nucléons A. Le physicien nucléaire
danois Nilsson a proposé vers les années 1950 un modèle dans lequel les p+ et les n°
sont répartis en couches dans le noyau. Il envisage des structures en couches séparées
pour les protons et les neutrons.
Si on enlève ou retire un nucléon à un atome stable (élément sous son isotope normal),
on obtient un noyau de stabilité bien inférieure, très peu abondant ou même inexistant
dans la nature.
Ex : 4He est très abondant ; 3 He est rare ; 5He n’existe pas et 6He a une durée de vie très
courte. 16O forme 99% de l’oxygène naturel, tandis que 17O est très rare.
Le rayon du noyau est de l’ordre de 10-13 cm et est de façon générale proportionnel à la
racine cubique de A selon l’expression : R = 1,2 . 10-13 .³√(A ) cm
Types de désintégrations radioactives
1) Radioactivité alpha :
Émission d’une particule α (Noyau d’hélium). Réaction spontanée que l’on
rencontre principalement chez les éléments radioactifs lourds. La radioactivité α
conduit à des niveaux excités du noyau fille qui se désexcitent par émissions
gamma (rayon électromagnétique sans charge ni masse).
238
U 4 α + 234 Th + 0 γ
92 2 90 0
2) Radioactivité beta - :
Réaction spontanée consistant en la transformation dans le noyau d’un neutron
en un proton s’accompagnant de l’émission d’un électron (principe de
conservation de charge).
, 234
Th 234Pa + 0 (B-)é- + (anti-neutrine) + 0γ
90 91 -1 0
3) Radioactivité beta + :
Réaction spontanée consistant en la transformation dans le noyau d’un proton en
un neutron et s’accompagne de l’émission d’un positron (électron positif)
22
Na 22Ne + 0é+ (B+) + (= neutrine) + 0γ
11 10 1 0
4) Production de rayons γ
Réaction spontanée consistant en la production de rayons gamma (rayons
électromagnétique sans charge ni masse ou photons)
238
U 4 α + 234 Th + 2 o γ
92 2 90 o
5) Capture électronique
Réaction non spontanée consistant en la capture d’un électron par le noyau,
provoquant au sein de celui-ci la disposition d’un proton au profit d’un neutron :
201
Hg + 0é- 201 Au + 0γ
80 -1 79 0
6) Fission spontanée :
Correspond à l’éclatement d’un nuclide lourd en nuclides plus légers. Elle
s’accompagne d’émission de neutrons.
244
Am 134 I + 107 Ma + 3 1n
95 53 42 0
Remarque : Dans une réaction nucléaire, le « spin » du noyau doit être
conservé ; pour cela, il faut équilibrer avec les neutrines et les anti-neutrines.
Séries de désintégrations
Les désintégrations respectent les règles de conservation de masse, de charge et de spin
A avant = A après
Z avant = Z après
Spin = moment angulaire intrinsèque -> pour équilibrer les spin, il faut produire des
neutrines (particules sans masse, sans charge, simplement un spin en mouvement) ou
des anti-neutrines.
Un noyau radioactif atteint un état stable par une série de désintégrations.
Lors des réactions chimiques « normales », ce sont les configurations électroniques
externes des atomes qui subissent des modifications, la participation des noyaux est
purement passive. Cependant, en ce qui concerne les processus nucléaires, c’est la
structure et la composition du noyau atomique qui en est responsable.
Réactions chimiques : entité conservée = atome
Réactions nucléaires : entité conservée = nucléon
Forme, dimension et structure du noyau atomique
Le noyau possède des dimensions finies, un volume et une forme. Les noyaux tiennent
ensemble grâce aux forces de cohésion. Grâce à l’intensité des forces d’interactions
nucléaires, le noyau possède une surface relativement bien définie. De plus, la matière
nucléaire est caractérisée par une densité élevée et les limites du noyau avec l’extérieur
sont nettes.
Le volume du noyau est proportionnel au nombre de nucléons A. Le physicien nucléaire
danois Nilsson a proposé vers les années 1950 un modèle dans lequel les p+ et les n°
sont répartis en couches dans le noyau. Il envisage des structures en couches séparées
pour les protons et les neutrons.
Si on enlève ou retire un nucléon à un atome stable (élément sous son isotope normal),
on obtient un noyau de stabilité bien inférieure, très peu abondant ou même inexistant
dans la nature.
Ex : 4He est très abondant ; 3 He est rare ; 5He n’existe pas et 6He a une durée de vie très
courte. 16O forme 99% de l’oxygène naturel, tandis que 17O est très rare.
Le rayon du noyau est de l’ordre de 10-13 cm et est de façon générale proportionnel à la
racine cubique de A selon l’expression : R = 1,2 . 10-13 .³√(A ) cm
Types de désintégrations radioactives
1) Radioactivité alpha :
Émission d’une particule α (Noyau d’hélium). Réaction spontanée que l’on
rencontre principalement chez les éléments radioactifs lourds. La radioactivité α
conduit à des niveaux excités du noyau fille qui se désexcitent par émissions
gamma (rayon électromagnétique sans charge ni masse).
238
U 4 α + 234 Th + 0 γ
92 2 90 0
2) Radioactivité beta - :
Réaction spontanée consistant en la transformation dans le noyau d’un neutron
en un proton s’accompagnant de l’émission d’un électron (principe de
conservation de charge).
, 234
Th 234Pa + 0 (B-)é- + (anti-neutrine) + 0γ
90 91 -1 0
3) Radioactivité beta + :
Réaction spontanée consistant en la transformation dans le noyau d’un proton en
un neutron et s’accompagne de l’émission d’un positron (électron positif)
22
Na 22Ne + 0é+ (B+) + (= neutrine) + 0γ
11 10 1 0
4) Production de rayons γ
Réaction spontanée consistant en la production de rayons gamma (rayons
électromagnétique sans charge ni masse ou photons)
238
U 4 α + 234 Th + 2 o γ
92 2 90 o
5) Capture électronique
Réaction non spontanée consistant en la capture d’un électron par le noyau,
provoquant au sein de celui-ci la disposition d’un proton au profit d’un neutron :
201
Hg + 0é- 201 Au + 0γ
80 -1 79 0
6) Fission spontanée :
Correspond à l’éclatement d’un nuclide lourd en nuclides plus légers. Elle
s’accompagne d’émission de neutrons.
244
Am 134 I + 107 Ma + 3 1n
95 53 42 0
Remarque : Dans une réaction nucléaire, le « spin » du noyau doit être
conservé ; pour cela, il faut équilibrer avec les neutrines et les anti-neutrines.
Séries de désintégrations
Les désintégrations respectent les règles de conservation de masse, de charge et de spin
A avant = A après
Z avant = Z après
Spin = moment angulaire intrinsèque -> pour équilibrer les spin, il faut produire des
neutrines (particules sans masse, sans charge, simplement un spin en mouvement) ou
des anti-neutrines.
Un noyau radioactif atteint un état stable par une série de désintégrations.
