Stabilité et instabilité des noyaux

Composition du noyau

تعريف

Le noyau représente le centre de l’atome, en effet c’est l’élément le plus important dans l’atome du fait qu’il rassemble pratiquement toute sa masse, ainsi qu’il est 100 000 fois plus petit que l’atome.


Au sein d’un noyau, on trouve deux composantes : les protons et les neutrons
Les protons : sont des particules qui ont une charge positive et leur masse égale à
Les neutrons : sont des particules neutres qui jouent un rôle important dans la stabilité du noyau

Le noyau est représenté par avec $${ }_{\mathrm{Z}}^{\mathrm{A}} \mathrm{X}$$
A : Le nombre de nucléons aussi le nombre de masse
Z : Le nombre de protons aussi Le nombre de charges
N : Le nombre de neutrons, N=A – Z

Les nucléides

L’ensemble des noyaux ayant le même nombre Z de protons et le même nombre de neutrons N et de même symbole sont appelés nucléides.

Un nucléide est une espèce d'atome avec un nombre spécifique de protons et de neutrons dans le noyau, par exemple le carbone 13 avec 6 protons et 7 neutrons

Les isotopes

تعريف

Des noyaux possédant le même symbole chimique, le même nombre de protons, mais des nombres de neutrons différents (des nombres de nucléons A différents) 

مثال

$${ }_{\mathrm{6}}^{\mathrm{12}} \mathrm{C}~$$ $${ }_{\mathrm{6}}^{\mathrm{13}} \mathrm{C}~$$ $${ }_{\mathrm{6}}^{\mathrm{14}} \mathrm{C}$$ 

Les dimensions d’un noyau

On modélise le noyau d’un atome par une sphère de rayon 𝒓 varie avec le nombre de nucléons 𝑨 selon l’expression suivante : $$\mathrm{r}=\mathrm{r}_{0} \times \mathrm{A}$$ avec $$r_{0}=1,2.10^{-15} \mathrm{~m}$$ le rayon de l’atome d’hydrogène.
On considère la masse approximative du nucléon est : $$\mathrm{m}=1,67 \cdot 10^{-27} \mathrm{~kg}$$ on trouve la masse volumique $$\rho \approx 2,3.10^{17} \mathrm{~kg} \cdot \mathrm{m}^{-3}$$ et c'est ce qui explique que la matière nucléaire est très dense.

Le diagramme de Segré

Certains noyaux conservent toujours la même structure, on dit que ses noyaux sont stables. Et il y a des noyaux qui se transforment spontanément à d'autres noyaux après l'émission de rayonnement, on dit que ses noyaux sont instables ou noyaux radioactifs. Le diagramme Segré montre l’emplacement des noyaux stables et des noyaux radioactifs.

Noyaux stables :

Certains noyaux gardent indéfiniment la même composition : ce sont des noyaux stables.
Pour $$\mathrm{Z}<20$$, les noyaux stables se situent au voisinage de la droite d’équation N = Z. Ils comportent à peu près autant de protons que de neutrons. Pour $$\mathrm{Z}>20$$, le nombre de neutrons augmente plus vite que le nombre de protons ; les points se répartissent au-dessus de la droite N=Z

Noyaux instables :

L’instabilité du noyau a lieu si :
Le noyau-père possède trop de neutrons par rapport au nombre de protons.
Le noyau-père possède trop de protons par rapport au nombre de neutrons.
Le noyau-père possède un grand nombre de nucléons (A > 208)

ما يجب معرفته

Pour les nucléides de $$Z \leq \mathbf{2 0}$$: la vallée de stabilité se situe au voisinage du premier médiateur, c.-à-d. que les nucléides légers stables possèdent autant de protons que de neutrons.
Pour les nucléides de $$Z>20$$: la vallée de stabilité se déplace au-dessus du premier médiateur quand la valeur de 𝒁 augmente, Donc la stabilité du noyau n’est assurée que s’il contient plus de neutrons que de protons.

La radioactivité

تعريف

La radioactivité est une désintégration naturelle d’un noyau radioactif à un noyau fils plus stable avec émission d’une particule. Elle s'exprime par l’équation suivante :
$$\mathrm{X} \rightarrow \mathrm{Y}+\mathrm{P}$$
Où 𝑿 est le symbole du noyau père
𝒀 Celui du noyau fils
𝑷 Celui de la particule émise.

Propriétés de la radioactivité

Aléatoire : on ne peut pas prédire l’instant exact où un noyau va se désintégrer.
Spontanée : la désintégration se fait sans intervention extérieure.
Inévitable : le noyau radioactif sera désintégré tôt ou tard, rien ne peut l’empêcher.
Ne dépend pas des facteurs extérieurs comme la pression, la chaleur, …
Ne dépend pas de liaisons chimiques formées par l'atome qui contient le noyau radioactif.

Les lois de conservation

Les transformations nucléaires obéissent à des lois de conservation, appelées lois de conservation de Soddy : Lors des transformations nucléaires, il y a conservation du nombre de charge Z et du nombre de nucléons A.

La désintégration d'un noyau X ( appelé noyau père ) conduit à un noyau Y ( appelé noyau fils) et à l'expulsion d'une particule P ( particule $$ \alpha $$ ou $$ \beta $$) 

 

L'équation de désintégration s'écrit : $$ { }_{\mathrm{Z}}^{\mathrm{A}} \mathrm{X} \rightarrow \ { }_{\mathrm{Z1}}^{\mathrm{A1}} \mathrm{Y}+{ }_{Z2}^{A2} \mathrm{P} $$

Les lois de conservation de Soddy s'écrivent : 

  • Loi de conservation du nombre de masse : A = A1 + A2
  • Loi de conservation du nombre de charges : Z = Z1 + Z2 

 

La radioactivité $$\alpha$$

La radioactivité 𝜶 est une désintégration nucléaire naturelle spontanée. Elle correspond aux noyaux lourds (𝑨 > 𝟐𝟎𝟎), dans laquelle un noyau père $${ }_{\mathrm{Z}}^{\mathrm{A}} \mathrm{X}$$ se transforme en un noyau fils $${ }_{\mathrm{Z-2}}^{\mathrm{A-4}} \mathrm{Y}$$  accompagnée de l’émission d’un noyau d’Hélium $${ }_{2}^{4} \mathrm{He}$$ appelé particule 𝜶, selon l’équation suivante : 

$$ { }_{\mathrm{Z}}^{\mathrm{A}} \mathrm{X} \rightarrow \ { }_{\mathrm{Z-2}}^{\mathrm{A-4}} \mathrm{Y}+{ }_{2}^{4} \mathrm{He} $$

Exemple : 

1) L'uranium 238 est un noyau radioactif $$\alpha$$ : 

$$ { }_{\mathrm{92}}^{\mathrm{238}} \mathrm{U} \rightarrow \ { }_{\mathrm{90}}^{\mathrm{234}} \mathrm{Th}+{ }_{2}^{4} \mathrm{He} $$ ( Noyau fils : Thorium).

 

2) Le radon 222 est un noyau radioactif $$\alpha$$ : $$ { }_{\mathrm{86}}^{\mathrm{222}} \mathrm{Rn} \rightarrow \ { }_{\mathrm{84}}^{\mathrm{218}} \mathrm{Po}+{ }_{2}^{4} \mathrm{He} $$ ( Noyau fils : Polonium).

 

 

La radioactivité $$\beta^{+}$$

Des noyaux sont dits radioactifs $$\beta^{+}$$ s'ils émettent des positons $${ }_{+1}^{0} \mathrm{e} $$.

La radioactivité $$\beta^+$$ est une désintégration nucléaire naturelle spontanée, Il apparaît généralement pour les éléments radioactifs artificiels, dans laquelle un noyau père se transforme en un noyau fils accompagnée de l’émission d’un positron 𝒆 appelé particule $$\beta^+$$ selon l’équation suivante : 

$$ { }_{\mathrm{Z}}^{\mathrm{A}} \mathrm{X} \rightarrow \ { }_{\mathrm{Z-1}}^{\mathrm{A}} \mathrm{Y}+{ }_{+1}^{0} \mathrm{e} $$

Exemple : 

Le phosphore 30 est un noyau radioactif $$\beta^+$$ : 

$$ { }_{\mathrm{15}}^{\mathrm{30}} \mathrm{P} \rightarrow \ { }_{\mathrm{14}}^{\mathrm{30}} \mathrm{Si}+{ }_{+1}^{0} \mathrm{e} $$

 

Remarque : Cette radioactivité ne concerne que des noyaux artificiels, obtenus par des réactions nucléaires, qui possèdent trop de protons. Un proton excédentaire se transforme en un positon et un neutron selon le bilan : 

$$ { }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{1}} \mathrm{p} \rightarrow \ { }_{\mathrm{0}}^{\mathrm{1}} \mathrm{n}+{ }_{+1}^{0} \mathrm{e} $$

N augmente d'une unité et Z diminue d'une unité, tandis que A reste constant.

La radioactivité $$\beta^{-}$$

Des noyaux sont dits radioactifs $$\beta^{-}$$ s'ils émettent des électrons $${ }_{-1}^{0} \mathrm{e} $$.

D'après les lois de conservation de Soddy, l'équation s'écrit : $$ { }_{\mathrm{Z}}^{\mathrm{A}} \mathrm{X} \rightarrow \ { }_{\mathrm{Z+1}}^{\mathrm{A}} \mathrm{Y}+{ }_{-1}^{0} \mathrm{e} $$

Exemple : 

Le cobalt 60 est un noyau radioactif $$\beta^{-}$$.

Son équation de désintégration s'écrit : $$ { }_{\mathrm{27}}^{\mathrm{60}} \mathrm{Co} \rightarrow \ { }_{\mathrm{28}}^{\mathrm{60}} \mathrm{Ni}+{ }_{-1}^{0} \mathrm{e} $$

 

Remarque : Il n'y a pas d'électron dans le noyau, mais le noyau peut en émettre en transformant un neutron excédentaire en un électron et un proton selon le bilan : 

$$ { }_{\mathrm{0}}^{\mathrm{1}} \mathrm{n} \rightarrow \ { }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{1}} \mathrm{p}+{ }_{-1}^{0} \mathrm{e} $$

Z augmente d'une unité et N diminue d'une unité, tandis que A reste constant.

La radioactivité $$\boldsymbol{\gamma}$$

Le noyau fils est en général obtenu dans un état excité ( niveau d'énergie élevé), il est noté Y*. Cet état est instable, le noyau se désexcite en évacuant cette énergie excédentaire, en émettant un rayonnement électromagnétique $$\gamma$$ ( particules très énergétiques, appelées aussi photons).

L'équation d'une émission s'écrit : $$ \mathrm{Y*} \rightarrow \mathrm{Y}+ \mathrm{\gamma} $$

Les lois de décroissance radioactive

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