nucléaire, chimie - chimie.

nucléaire, chimie - chimie. 1 PRÉSENTATION nucléaire, chimie, étude des noyaux atomiques -- en particulier les éléments radioactifs -- et de leurs réactions avec les neutrons et les autres particules élémentaires, ainsi qu'avec les rayonnements. 2 STABILITÉ NUCLÉAIRE Depuis Rutherford, on sait que les noyaux atomiques sont constitués de particules élémentaires -- les nucléons -- liées par des forces nucléaires : les protons, chargés positivement, et les neutrons, particules non chargées. Chaque élément chimique possède un nombre de protons qui lui est propre : il s'agit du numéro atomique de l'élément, noté Z. En revanche, pour un même élément, le nombre de neutrons -- parfois noté N -- peut différer d'un atome à l'autre : ces atomes distincts sont les isotopes de l'élément. On définit le nombre de masse A d'un atome par : A = N + Z (somme des neutrons et des protons). Un atome de l'élément X est ainsi noté ¿X. Dans un noyau, la cohésion entre protons et neutrons est assurée par des forces nucléaires de courte distance, devant lesquelles les forces de répulsion électrostatiques entre les protons chargés sont négligeables. L'énergie de liaison par nucléon, nécessaire pour extraire un neutron ou un proton d'un noyau, dépend du nombre de masse A. La courbe de l'énergie de liaison montre que si deux noyaux légers fusionnent pour former un noyau plus lourd (fusion nucléaire), ou si un noyau lourd se divise en deux noyaux plus légers (fission nucléaire), les noyaux ainsi formés présentent une énergie de liaison par nucléon supérieure à celle des noyaux initiaux ; il y a donc libération d'une importante quantité d'énergie. La fusion de deux noyaux légers d'hydrogène « lourd «, ou deutérium (ª H), produit 3,25 MeV par neutron émis (1 MeV = 1 mégaélectronvolt = 106 eV). La fission d'un noyau lourd comme l'uranium ¯ U, provoquée par l'absorption d'un neutron, génère le césium-140, le rubidium-93, ainsi que des neutrons et une énergie de 200 MeV : Une réaction chimique ordinaire, qui met en jeu le cortège électronique des atomes, libère environ 100 kilocalories (kcal) par gramme, alors qu'une réaction nucléaire, qui fait intervenir les nucléons, dégage 100 000 fois plus d'énergie. Cette dernière correspond à l'énergie de liaison des nucléons. Par exemple, pour un noyau de plomb (noyau très lourd), l'énergie de liaison est de 7,8 × 208 MeV, ce noyau contenant 208 nucléons. Voir aussi Atome. 3 RADIOACTIVITÉ 3.1 Historique Le phénomène de la radioactivité -- propriété que possèdent certains éléments de se transformer spontanément en un autre élément par désintégration du noyau atomique avec émission de particules subatomiques -- fut découvert par le physicien français Henri Becquerel, en 1896, alors qu'il étudiait la fluorescence des sels d'uranium. Ceux-ci, exposés ou non à la lumière, émettaient des rayonnements qui pouvaient impressionner les plaques photographiques. En 1898, Marie et Pierre Curie découvrirent deux éléments radioactifs naturels : le polonium (84Po) et le radium (88Ra). Pendant les années 1930, Irène et Frédéric Joliot-Curie synthétisèrent les premiers éléments radioactifs artificiels en bombardant le bore (5B) et l'aluminium (13Al) avec des particules, pour former des isotopes radioactifs de l'azote (7N) et du phosphore (15P). 3.2 Principe : transmutation Les éléments radioactifs sont instables : ils se désintègrent spontanément en émettant des particules et / ou un rayonnement électromagnétique, en produisant des noyaux plus stables correspondant à d'autres éléments chimiques. La transmutation des noyaux -- transformation de l'élément chimique en un autre --, qu'elle soit spontanée ou non, est due à la rupture de la stabilité nucléaire. 3.3 Types de rayonnement Les noyaux radioactifs émettent trois types de rayonnements : les particules alpha (?), bêta (?) et gamma (g). Lorsqu'un rayonnement radioactif est soumis à des champs magnétiques et électriques, on constate que les particules ? se dirigent vers le pôle négatif, le faisceau de particules ? est dévié vers le pôle positif et les rayons g suivent la direction du faisceau initial. Ainsi, on a pu en déduire que les particules ? sont chargées positivement, les particules ? sont chargées négativement et les rayons g sont électriquement neutres. 3.3.1 Particules ? Les particules ? sont des émissions de nature corpusculaire : ce sont des noyaux d'hélium (hélions), c'est-à-dire des atomes d'hélium privés des deux électrons périphériques, avec une masse atomique de 4 et un numéro atomique égal à 2, notés ¸ He. Autrement dit, ce sont des particules avec deux charges élémentaires positives. Elles sont plus lourdes que les deux autres et leur vitesse peut atteindre 20 000 km/s. Si l'atome d'un élément radioactif émet une particule ?, c'est-à-dire deux protons et deux neutrons, son numéro atomique diminue de 2 : l'élément se transforme en un autre élément chimique. 3.3.2 Particules ? Les particules ? sont des électrons : ce sont des noyaux de masse atomique nulle et de numéro atomique égal à - 1. Ils ont une vitesse extrêmement élevée, proche de celle de la lumière. La désintégration ? est donc la transformation d'un neutron en proton, avec émission simultanée d'un électron de grande énergie. Si l'atome d'un élément émet des particules ?, c'est-à-dire des électrons nucléaires (dérivés de la fission des neutrons en électrons et protons), il en résulte un proton de plus dans le noyau, et le numéro atomique augmente d'une unité : l'élément chimique initial se transforme en l'élément qui occupe la case suivante dans le tableau périodique des éléments. Lors de la désintégration positron (ou ?+), un proton se transforme en neutron avec émission d'un positron de grande énergie. Lorsque la désintégration ? ou ? survient, le noyau qui en résulte est souvent dans un état excité (de plus grande énergie). 3.3.3 Émission g Les rayons g ne sont pas de nature corpusculaire, mais ondulatoire. Comme les rayons X, ce sont des ondes électromagnétiques. Ils ont une fréquence supérieure à celle des rayons X. 3.4 Décroissance et période radioactives Considérons une substance radioactive constituée de N0 noyaux radioactifs à l'instant initial. Soit ? la probabilité de désintégration des noyaux. À un instant t quelconque, le nombre de noyaux radioactifs N vérifie la loi de décroissance radioactive : N = N0exp(- ?t). Cette loi fut observée pour la première fois en 1902 par Ernest Rutherford et Frederick Soddy. La période radioactive, ou temps de demi-vie, d'une substance radioactive est le temps nécessaire pour que la moitié de la quantité initiale de l'échantillon soit désintégrée. Par exemple, l'uranium a une période radioactive de 4,5 milliards d'années, le radium de 1 580 ans, le sodium de 15 heures. Voir aussi Radioactivité. 4 FISSION NUCLÉAIRE 4.1 Historique En 1934, Frédéric et Irène Joliot-Curie observèrent qu'en bombardant des noyaux (stables) d'aluminium, formés de 13 protons (Z = 13) et de 14 neutrons, par des particules ? de 5 MeV, ils étaient transformés en un nouvel élément, qui s'est révélé plus tard être le phosphore, de numéro atomique Z = 15. La réaction qui se produit a pour bilan : Le noyau d'hélium a pénétré dans celui d'aluminium et a ainsi provoqué le départ d'un neutron, noté ¦ n, produisant un atome de phosphore radioactif. L'atome de phosphore stable naturel possède 15 protons et 16 neutrons (A = 31), alors que l'atome de phosphore obtenu par la réaction précédente possède 15 protons et 15 neutrons (A = 30). L'isotope 30 du phosphore fut le premier élément radioactif (ou radioélément) synthétisé. Les chimistes allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann découvrirent la fission nucléaire de l'uranium en 1938. À la suite de cette découverte, Hahn reçut le prix Nobel en 1944. Lorsque les noyaux d'uranium-235 sont bombardés par des neutrons, ils se divisent en fragments de masse moyenne en libérant une énergie colossale, utilisée dans certaines armes nucléaires (bombes atomiques) ou pour produire de l'énergie nucléaire. 4.2 Réalisation En pratique, le bombardement nucléaire est souvent réalisé au moyen de neutrons fournis par les réacteurs nucléaires ; ces particules ne perdent pas d'énergie, car elles ne sont pas chargées électriquement, et ne sont donc ni repoussées ni attirées par celles de la matière traversée. On obtient les neutrons en bombardant l'eau lourde (D2O) avec des noyaux de deutérium, isotope de l'hydrogène dont le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron. On génère alors de l'hélium (He) et des neutrons sont émis. Tous les noyaux des éléments lourds à partir du thorium, de numéro atomique 90, peuvent subir des réactions de fission avec une probabilité variable selon l'élément. On peut provoquer la fission de noyaux tels que ceux de l'uranium-233, l'uranium235 et du plutonium-239 quelle que soit l'énergie des neutrons incidents, avec une probabilité croissante lorsque les neutrons sont plus lents. Par contre, la fission de l'uranium-238 ne peut être réalisée qu'avec des neutrons rapides. Une fission libère une énergie de l'ordre de 10-17 kWh, c'est-à-dire 200 MeV, valeur considérable à l'échelle atomique. 4.3 Réaction en chaîne La fission d'un noyau d'uranium-235 par des neutrons lents produit 2 ou 3 neutrons (2,5 en moyenne) et libère une importante quantité d'énergie. Ces neutrons peuvent induire à leur tour d'autres fissions nucléaires. Ainsi, il se produit une réaction en chaîne dans une masse suffisante d'uranium-235. Ce dernier constitue seulement 0,7 p. 100 de l'uranium naturel, le reste étant constitué de l'isotope 238. Or, ce dernier n'est pas fissile : ses noyaux ne peuvent subir de fission par des neutrons lents. Ainsi, en ralentissant les neutrons les plus rapides et en utilisant de l'uranium naturel enrichi en uranium-235, on favorise la fission nucléaire. Voir aussi Nucléaire, centrale ; Nucléaire, énergie ; Surgénérateur. 4.4 Analyse radiochimique Les particules ?, dont la plupart sont émises par les éléments aux numéros atomiques supérieurs à 83, possèdent des énergies discrètes caractéristiques de l'élément émetteur, tout comme les particules g. Ainsi, on peut identifier les noyaux qui se désintègrent en libérant l'une ou l'autre de ces particules en mesurant les énergies de ces dernières. Les échantillons à étudier doivent être très minces dans le cas des rayons ?, car ils perdent rapidement de l'énergie en traversant la matière, contrairement aux rayons g. Les spectres d'énergie des particules ? (et du positron) ne permettent pas d'identifier les noyaux émetteurs, car ils sont répartis sur tous les niveaux d'énergie jusqu'à un maximum pour chaque émetteur. Voir Particules, détecteurs de. L'analyse par activation permet de déterminer la teneur de certains éléments chimiques à l'état de traces dans des matériaux : on bombarde l'échantillon par des projectiles nucléaires, en général des neutrons, afin de transformer les éléments stables en éléments radioactifs, analysés par des détecteurs de radiation nucléaire. Par exemple, le sodium d'une substance peut être détecté en irradiant l'échantillon avec des neutrons, transformant ainsi certains noyaux stables 24Na. On mesure ensuite la quantité de 24Na 12Na en noyaux radioactifs par le comptage des particules ? et des rayons g émis. L'analyse par activation (sans séparation chimique préalable) permet de déterminer des concentrations de l'ordre du nanogramme (10-9 g) de 35 éléments, dans des matériaux tels que la terre, les roches, les météorites et les échantillons lunaires. Ce type d'analyse peut être appliqué aux échantillons biologiques, comme le sang et les tissus humains. Cependant, dans les substances biologiques, une quantité moindre d'éléments peut être observée. La chimie nucléaire permet de synthétiser des espèces radioactives utilisées dans le diagnostic et les traitements médicaux, ainsi que dans les traceurs isotopiques. 5 FUSION NUCLÉAIRE La fusion est la réunion de plusieurs noyaux atomiques légers en un seul. Cette réaction libère une quantité considérable d'énergie. Les étoiles, y compris le Soleil, sont le siège de réactions de fusion thermonucléaire, qui se manifestent par l'émission de flux de particules et de rayonnements électromagnétiques, notamment sous forme de lumière. Ces réactions sont très difficiles à reproduire en laboratoire, car elles nécessitent de provoquer une collision entre deux noyaux qui subissent une trop forte répulsion électrostatique. Cela ne peut s'obtenir qu'à des températures suffisamment élevées pour que le mouvement thermique puisse surmonter la « barrière coulombienne « (due aux forces répulsives de Coulomb) ; c'est pourquoi il s'agit de fusion « thermonucléaire «, qui produit donc de l'énergie « thermonucléaire «. Si l'on parvenait à reproduire des réactions de fusion thermonucléaires contrôlées, elles constitueraient probablement une source d'énergie pratiquement inépuisable. La fusion nucléaire est actuellement réalisée dans les bombes à hydrogène. Voir Nucléaires, armes ; Thermonucléaire, énergie. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.