nucléaire, 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 (ªH), 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.