Le vocabulaire de base en nucléaire

 

Isomère nucléaire

Des isomères nucléaires sont des atomes qui partagent le même noyau mais dans états énergétiques différents. C’est à dire qu’ils comportent un spin et une énergie d’excitation spéciaux. Dans leur état d’énergie le plus bas, on dit qu’ils atteignent l’état fondamental.

Capture électronique

La capture électronique, aussi appelée désintégration ε, est un processus de physique radioactive lors duquel un noyau d’atome qui est en manque de neutrons absorbe un électron de la couche électronique de son atome.

Produit de désintégration

On appelle produit de désintégration le nucléide descendant d’une désintégration radioactive d’un nucléide précédent.

Fission spontanée

La fission spontanée est un phénomène de désintégration radioactive selon lequel un noyau lourd d’un atome se divise pour former au moins deux noyaux plus petits.

Période radioactive

On appelle période radioactive le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d’un isotope radioactif se désintègre de manière naturelle. Cette période n’est influencée en aucun cas par les conditions de l’environnement, que ce soit la température, la pression ou encore le champ magnétique, elle est propre à l’isotope en question. Statistiquement, on peut dire que la période radioactive est le temps à l’issue duquel le noyau de l’atome a 50 % de chances de s’être désintégré.

Bombe H

Une bombe H, connue sous les noms de bombe à hydrogène, bombe à fusion ou encore bombe thermonucléaire est une bombe nucléaire qui tire son énergie de la fusion de noyaux légers comme ceux de l’hélium ou du deutérium par exemple.

Bombe A

Une bombe A, connue également sous le nom de bombe atomique, bombe nucléaire ou encore bombe à fission est une bombe nucléaire qui tire son énergie de la fission d’éléments radioactifs comme le plutonium ou l’uranium. Ce furent les premières bombes atomiques ayant servi d’armes nucléaires lors de la Seconde Guerre mondiale, mais aussi les seules bombes ayant été utilisés lors de conflits. Little Boy et Fat Man, les bombes nucléaires de l’armée américaine ayant touché respectivement Hiroshima et Nagasaki en sont deux exemples.

Tout savoir sur la décroissance radioactive

Quel que soit le radioisotope, il a autant de chance qu'un autre radioisotope de la même espèce de se désintégrer à un instant t. Il faut néanmoins savoir que la désintégration ne dépend pas des conditions physico-chimiques dans lesquels le nucléide étudié se trouve. En effet, on parle de la loi de désintégration radioactive comme étant une loi statique.

La loi s'énonce ainsi :

Soit N(t) le nombre de radionucléides d'une espèce donnée présents dans un échantillon à un instant t quelconque.

Puisque la probabilité de désintégration d’un radionucléide quelconque ne dépend ni du milieu qui l'entoure, ni de la présence d'autres espèces de radionucléide, le nombre total de désintégration, noté dN, pendant un intervalle de temps dt est proportionnel au nombre N de radionucléide de la même espèce présents mais aussi proportionnel à la durée dt de l'intervalle de réaction.

On obtient alors la formule : 

On peut observer le signe - puisque le nombre N de radionucléides diminue au cours du temps.

Si on intègre l'expression obtenue précédemment, on trouve alors la loi de décroissance exponentielle du nombre N(t). Ainsi, si on note N0 le nombre de radionucléides présents à l'instant t = 0, on obtient l'expression suivante :

Si on note t1/2 la demi-vie de l'élément étudié, il est possible d'obtenir l'expression suivante :

Activité d'une source radioactive

La notion d'activité est étroitement liée avec la décroissance radioactive. En effet, l'activité d'une source correspond à l'expression du nombre de désintégrations par secondes d'un atome composé d'un certain nombre de noyaux radioactifs. Cette grandeur s'exprime habituellement en becquerels de symbole Bq. On peut donc en déduire un taux de désintégration des noyaux atomiques.

Cependant, l'utilisation de cette unité pose parfois des problèmes. En effet, le becquerel est une unité petite. Par exemple, un élément radioactif dont la durée de demi-vie est d'un million d'années,  une mole de cet élément aura une activité de 20 x 109 Bq.

Pour un échantillon de noyaux radioactifs, le temps de demi-vie est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux présents à un instant t se soit désintégrée.

Pour rappel, il faut des millions de Becquerels pour que cela devienne dangereux pour l'Homme.

Dans le cas où les radioisotopes sont dans un mélange, plus la demi-vie de celui-ci est courte et plus son activité massique sera forte.

La loi

à t : N(t) correspond au nombre de noyaux d'une espèce.

Pendant un temps Δt, le nombre de noyaux varie de ΔN=N(t')-N(t),

donc ΔN négatif. On a donc :

ΔN = -λ*N(t)*Δt

Δ correspond à une constante radioactive en s-1

Si Δt tend vers un petit intervalle de temps, il sera dt

dN=-λ*N(t)

dN/dt = -λ*N(t)

Solution ln(N) = -λ*t+ constante

à t=0, le nombre de noyaux est N0

ln(N0)=(-λ*0)+ constante

constante=ln(N0)

ln(N)=-λ*t+ln(N0)

ln(N)-ln(N0)=log(a/b)

ln(N/N0)=-λt

exp(ln(N/N0))=exp(-λt)

N/N0=e(-λt)

N(t)=N0*e(-λt)

Temps de demi-vie

Définition : c'est le temps au bout duquel le nombre de noyaux a été divisé par 2.

On le note t1/2

N(t1/2)=N0/2

N0/2=N0*e(-λ*t1/2)

1/2=e(-λ*t1/2)

ln(1/2)=-λ*t1/2

t1/2=(-1/λ)*ln(1/2)

ln(1/a)=- ln(a)

t1/2=(ln(2))/λ

ζ=1/λ

ζ est obtenue par la tangente à l'origine.

Applications

On appelle datation radiométrique, ou encore radiochronologique, toute méthode de datation absolue utilisant la variation régulière au cours du temps de la proportion de radioisotopes dans certains corps. Très utilisées par les géologues, la plus connue reste la datation au carbone 14 mais aussi la technique Rubidium/Strontium.

Elle permet de dater les objets anciens en mesurant leur activité. Si on connaît l'activité d'une source à un instant présent, si on connait l'activité initiale on peut en déduire la durée écoulée depuis l'instant initial.

Le carbone 14 est produit en permanence par le rayonnement cosmique à partir d l'azote dans la haute atmosphère et le monde vivant maintiennent quasiment constant le rapport entre la quantité de carbone 14 et celle de carbone 12, Mais, dès qu'un organisme meurt, le carbone 14 qu'il contient n'est plus renouvelé puisque les échange avec le monde extérieur cessent; sa proportion se met à décroître car il est radioactif (t1/2=5568 ans), Pour déterminer l’âge du matériaux mort, on mesure l'activité résiduelle du carbone 14 d'un échantillon de matériau mort et que on applique la formule :

A = A0*e-λ,t

Fission et fusion des éléments radioactifs

Fission

La fission spontanée est un phénomène de désintégration radioactive selon lequel un noyau lourd d’un atome se divise pour former au moins deux noyaux plus petits

Plus précisément, la fission est une réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau père lourd se scinde en noyau plus léger sous l'impact d'un neutron. Les noyaux qui peuvent subir la réaction de fission sont des noyaux dits fissiles.

La réaction de fission libère deux ou trois autres neutrons qui vont pouvoir encore à leur tour casser d'autres noyaux, c'est ce qu'on appelle une réaction en chaîne. Elles ne sont pas contrôlées dans les bombes atomiques : Bombe A.

Fusion

Réaction nucléaire au cours de laquelle des noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd. Le type de réaction qui a lieu sur les étoiles en général est une réaction qui n'est pas contrôlée. Pour amorcer cette réaction, il faut des températures très élevées (thermonucléaires).

Energie libérée lors des réactions nucléaires

Lorsqu'elles se produisent, il y a variation de la masse du système. Cette variation est une perte de masse.

Variation de masse du système :

La variation d'énergie est donnée par la relation :

Une autre méthode permet de calculer l'énergie récupérée basée sur les énergies de liaison libérées au cours de la réaction de fusion et de fission.