Physique nucléaire : Radioactivité, réactions nucléaires et énergie de liaison

1. Les noyaux et la radioactivité

Deux isotopes sont des noyaux qui ont le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons.

La radioactivité est un phénomène naturel où un noyau instable se transforme avec l'émission d'un rayonnement ou d'une particule.

Un noyau est radioactif lorsqu'il subit une transformation nucléaire spontanée appelée désintégration.

Types de radioactivité

• Radioactivité alpha (α) : le noyau se désintègre en un noyau plus léger et un noyau d'hélium 4 (particule α).
• Radioactivité bêta plus (β+) : le noyau se transforme en un noyau plus stable et libère un positon (ou positron). Cela se produit lorsque le noyau possède trop de protons.
• Rayonnement gamma (γ) : il s'agit d'une perte d'un surplus d'énergie d'un noyau sous forme d'une radiation électromagnétique de très haute fréquence.

2. Le diagramme (N, Z) et les familles radioactives

Dans le diagramme (N, Z) (ou diagramme de Segrè), on classe l'ensemble des noyaux connus en fonction de leur composition (nombre de neutrons N en fonction du nombre de protons Z). Ce diagramme possède plusieurs zones :

• Une partie centrale appelée vallée de stabilité, qui regroupe les noyaux stables.
• Trois zones périphériques qui correspondent aux trois types de radioactivité.

Famille radioactive : à la suite d'une désintégration, le noyau obtenu peut être soit stable, soit radioactif. S'il est radioactif, il va subir une nouvelle désintégration jusqu'à l'obtention d'un noyau stable. L'ensemble de ces noyaux successifs s'appelle une famille radioactive.

3. Effets biologiques et applications

Irradiation vs Contamination

• Irradiation : l'organisme est exposé à un rayonnement inhabituel pendant un temps très limité. Les effets de l'irradiation dépendent du type de source, de son activité et de la fréquence d'exposition.
• Contamination : l'organisme absorbe ou incorpore directement une source radioactive.

Datation au carbone 14

Datation : la méthode de datation au carbone 14 (¹⁴C) sert à dater des objets ou restes organiques de moins de 40 000 ans. Le rapport entre le ¹⁴C et le ¹²C reste constant dans l'atmosphère au cours du temps. Quand un organisme meurt, les échanges cessent et la quantité de ¹⁴C diminue progressivement par désintégration radioactive.

4. Énergie et réactions nucléaires

Énergie de liaison et défaut de masse

L'énergie de liaison est l'énergie qu'il faut apporter au noyau au repos pour le dissocier en ses nucléons constitutifs. Elle est toujours positive.

Le défaut de masse est la différence constatée entre la masse totale des nucléons isolés pris séparément et la masse réelle du noyau formé.

Fission et fusion nucléaires

• Fission : c'est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle un noyau lourd (dit noyau fissile) est scindé en deux noyaux plus légers. Cette réaction libère des neutrons qui peuvent frapper d'autres noyaux et déclencher une réaction en chaîne. Si le flux neutronique est maîtrisé, on parle d'une réaction en chaîne contrôlée.
• La fusion : c'est la formation d'un noyau plus lourd à partir de deux noyaux légers. Ce phénomène a lieu naturellement au cœur du Soleil et des étoiles, ainsi que dans la bombe à hydrogène (bombe H). Elle est très difficile à reproduire et contrôler sur Terre, car elle nécessite des températures extrêmement élevées.

La courbe d'Aston

La courbe d'Aston représente l'énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre total de nucléons, permettant de repérer les domaines de prédilection de la fusion et de la fission nucléaires.