I. Constitution du noyau d’un atome.

L’ atome est formé d’un ………… et d’ ………… qui gravitent autour. Le noyau est chargé ………… , les ………… négativement. L’atome est électriquement ………..………. .

Le noyau renferme des ………… et des ………… qui ont des ………… voisines.

Les protons et les neutrons, comme constituant du noyau, sont appelés les ………… ; Z, numéro ………… , correspond au nombre de ………… contenus dans le noyau. ………… ; A, nombre de masse, correspond au nombre de ………… contenus dans le noyau. Le nombre de neutrons contenus dans le noyau s’obtient par ………………………..… ; il vaut ……..……. .

Un nucléide regroupe un ensemble d’atomes possédant des noyaux identiques. Il est caractérisé par les deux nombres …………. et ………… . On le note ………… où X est le symbole de l’ …………………………… correspondant.

Un élément est constitué par des nucléides de même ………… atomique Z.

On appelle …………………… des nucléides qui ont même Z mais qui diffèrent par leur valeur de A.

Exemple :

Exemples : Un atome de potassium (K) possède 19 électrons et 20 neutrons.

1. Donner son numéro atomique ou nombre de charge Z.

2. Combien de nucléons comporte cet atome ? En déduire son nombre de masse A.

3. Donner le symbole du nucléide correspondant.

4. Donner la composition du noyau de l’ion potassium correspondant au nucléide précédent.

5. Des nucléides présentés ci-dessous, identifier les isotopes :

; ;  ; ;  ;  ; .

Dans la nature, la plupart des noyaux d'atomes sont stables. Cependant, certains atomes ont des noyaux instables, ce qui est dû soit à un excès de protons ou de neutrons, soit à un excès des deux. Ils sont dits radioactifs.

II. La radioactivité.

A. Présentation.

« En 1896, le physicien français Henri Becquerel (1852-1908) avait rangé sa plaque photographique près de sels d'uranium qu'il était en train d'étudier. Quelle ne fut pas sa surprise quand il s’aperçut que le film photographique avait été impressionné sans avoir été exposé à la lumière ! Il en déduit que l'uranium émettait des rayonnements invisibles ressemblant aux rayons X découverts, l’année précédente, par Wilhelm Roentgen, physicien allemand, et découvre ainsi la radioactivité. »

Les noyaux d'atomes radioactifs se transforment spontanément (aucune intervention extérieure) en d'autres noyaux d'atomes, radioactifs ou non. Cette transformation d'un atome radioactif en un autre atome est appelée désintégration nucléaire. Elle s'accompagne d'une émission de différents types de rayonnements.

Une réaction nucléaire, en transformant les édifices des noyaux atomiques, s'accompagne d'un dégagement d’énergie appelée alors énergie nucléaire.

Un échantillon radioactif se caractérise par son activité qui est le nombre de désintégrations de noyaux radioactifs par seconde qui se produisent en son sein. L'unité d'activité est le becquerel, de symbole Bq.(1 Bq = 1 désintégration par seconde).

B. Les trois familles de rayonnement.

La désintégration radioactive peut donner lieu à trois types de rayonnements :

• Les rayons alpha, formés de noyaux d'hélium (deux protons et deux neutrons).

• Les rayons bêta β^- formés d'électrons et les rayons β⁺ formés de positrons.

• Les rayons gamma, rayonnements électromagnétiques de même nature que la lumière, mais beaucoup plus énergétiques.

Comment peut-on se protéger de chaque type de rayonnement ?

Du fait de leurs effets néfastes, il est absolument nécessaire de détecter les rayonnements radioactifs. Pour ce faire, il existe plusieurs dispositifs dont le plus connu est le compteur Geiger-Muller. Il émet un crépitement à chaque désintégration et compte le nombre de désintégrations pendant une durée donnée.

Dans un laboratoire de physique de lycée, on a l’habitude d’utiliser un compteur Geiger-Muller CRAB associée à une source radioactive de césium 137 émettrice de rayonnement ^- et .

Influence de l’épaisseur de l’écran d’aluminium :

Influence de l’épaisseur de l’écran de plomb :

**Le rayonnement  peut traverser quelques centimètres d’air et être absorbé par quelques millimètres de papier.

**Le rayonnement  peut traverser quelques dizaines de centimètres d’air et être absorbé par quelques millimètres d’aluminium.

**Le rayonnement  peut traverser plusieurs centaines de mètres d’air et n’être absorbé que par quelques dizaines de centimètres de plomb ou bien plusieurs mètres de béton !

C. Quelle est la durée de vie d’un échantillon radioactif ?

1) La décroissance radioactive.

L'activité d'un échantillon radioactif diminue avec le temps du fait de la disparition progressive des noyaux instables qu'il contient. La désintégration radioactive d'un noyau donné est un phénomène aléatoire : il est impossible de prédire à quel moment un atome instable va se transformer. Mais lorsque l'on considère un ensemble d'atomes d’un même élément, le rythme de transformation des atomes est statistiquement mesurable. On obtient la courbe de décroissance radioactive :

Exemple :

Le traitement de l'hyperthyroïdie par l'iode radioactif repose sur le fait que la glande thyroïde a un besoin naturel d'iode pour produire l'hormone thyroïdienne. La thyroïde est la seule partie du corps capable de capter et de retenir l'iode. Dans l'hyperthyroïdie, les cellules thyroïdiennes sont trop stimulées et produisent des quantités excessives d'hormones, lesquelles sont secrétées dans le sang et causent les symptômes propres à l'hyperthyroïdie (goître, tachycardie, fatigue, insomnie, amaigrissement, …).

Lors du traitement à l'iode radioactif, la glande thyroïdienne ne peut détecter si l'iode est radioactif ou non, et l'absorbe normalement de façon proportionnelle à l'activité de la thyroïde. Ainsi, l'iode radioactif s'accumule dans les cellules qui produisent l'hormone thyroïdienne et y demeure assez longtemps pour irradier la glande et ralentir sa production. L'iode radioactif qui n'est pas retenu par la glande thyroïde est rapidement éliminé par l'organisme (dans les deux ou trois jours), principalement par le rein et dans l'urine.

Afin de soigner sa glande thyroïde, un patient absorbe à la date t = 0 une masse m = 1 µg d’iode . On étudie l’évolution de la masse d’iode dans le corps du patient en fonction du temps et on obtient la courbe ci-contre.

2) La période radioactive.

La période radioactive est le temps au bout duquel la moitié des atomes radioactifs initialement présents a disparu par transformation spontanée.

Quelle est la période radioactive de  ?

La valeur de la période radioactive est extrêmement variable d’un élément à l’autre :

3) Une application importante de la décroissance radioactive : la datation.

Activité documentaire (à faire à la maison) :

Document n°1 :

Les noyaux radioactifs sont des chronomètres naturels qui fonctionnent comme de vraies machines à remonter le temps.Toutes les méthodes de datation sont fondées sur un principe simple : la décroissance progressive de la radioactivité contenue dans les objets que l'on veut dater.

Grâce à des isotopes comme le carbone 14, on peut ainsi remonter jusqu'à -40000 ans. Le carbone présent dans l'atmosphère est constitué de carbone 12 stable, et d'une très faible quantité de carbone 14 dont la période radioactive est de 5730 ans. Les organismes vivants, les animaux en respirant, les végétaux par la photosynthèse, échangent sans cesse du carbone 14, produit dans la haute atmosphère, avec le milieu extérieur. A leur mort, l'échange de carbone 14 cesse mais il continue à se désintégrer à l'intérieur de l'organisme. Progressivement, la teneur en carbone 14 va donc baisser. En faisant le rapport quantité de carbone 14 sur quantité de carbone 12, on peut alors dater la mort d'un organisme. Moins il reste de carbone 14 dans l'échantillon à dater et plus la mort est ancienne.

On rappelle que l’on définit l’activité radioactive d’une source comme le nombre de désintégrations par seconde ; on la mesure en Becquerel (Bq).

1 Bq = 1 désintégration par seconde

Document n°2 :

Des fragments d’os ont été prélevés sur un site préhistorique. La mesure de l’activité du carbone 14 des fragments d’os anciens donne 110 désintégrations par heure. La même masse de fragements d’os actuels donne 880 désintégrations par heure.

Questions :

1) Quelle est la période radioactive du carbone 14 ?

2) Quelle est l’activité exprimée en Becquerel des fragments d’os anciens ?

3) Quel est l’âge approximatif des fragments d’os ?

III. Que se passe-t-il dans le réacteur d’une centrale nucléaire ?

A. La réaction de fission.

C’est grâce à l’uranium, un métal relativement abondant dans l’écorce terrestre, que fonctionnent les centrales nucléaires.

L’uranium 235 est le seul atome à l’état naturel dont le noyau se brise en deux noyaux plus petits sous l’effet d’un bombardement de neutron. Cette transformation est une réaction nucléaire provoquée que l’on appelle réaction de fission.

On dit que l’uranium 235 est fissile.

La fission dégage de l’énergie sous forme de chaleur. Cette réaction libère également un, deux ou trois neutrons et s’accompagne de rayonnements ,  et .

Voir leçon précédente pour se rappeler comment cette énergie est récupérée et utilisée pour la production d’énergie électrique.

Note : 1 gramme d'Uranium 235 fournit autant d'énergie que la combustion de 2,4 tonnes de charbon ou 1,6 tonne de pétrole !

B. Pourquoi faut-il contrôler la fission ?

Les neutrons libérés lors de la fission sont susceptibles, à leur tour, de provoquer une réaction de fission d’un noyau d’uranium. La réaction nucléaire peut ainsi se poursuivre de proche en proche.

La réaction de fission est donc une réaction en chaîne.

L’énergie dégagée devient alors très vite considérable. Sans précautions, la réaction en chaîne conduit à une explosion : c’est ce qui se produit dans une bombe atomique.

Dans le cœur de la centrale, on maîtrise la réaction en capturant les neutrons excédentaires à l’aide de barres de graphite que l’on enfonce plus ou moins dans le réacteur. De cette manière, on peut même arrêter la centrale.

IV. Qu’est-ce que la radioprotection ?

Nous venons de voir que la réaction de fission était accompagnée d’une émission de rayonnements radioactifs particulièrement nocifs dont il faut se protéger. (peu de temps après la découverte de la radioactivité, Becquerel s’aperçut qu’un tube de matière radioactive, gardé dans la poche de sa veste, avait provoqué une brûlure comparable à un coup de soleil !)

Les conséquences biologiques d’une exposition aux rayonnements radioactifs dépendent de la quantité reçue, de la nature du rayonnement, de la nature des tissus atteints et de l’importance du volume corporel touché.

Les expositions aux rayonnements peuvent entraîner des dommages du type :

• Cancers ; les organes les plus sensibles sont le sang, les seins pour les femmes et la thyroïde pour les enfants.

• Modification du patrimoine génétique, d’où malformation de nouveaux-nés.

Part des différentes sources de radioactivité auxquelles un individu est exposé en France :

*Radon émanant des roches granitiques : 37 %

*Examens et traitements médicaux : 31 %

*Rayonnement terrestre : 13 %

*Rayonnement cosmique : 11 %

*Rayonnement du corps humain : 7 %

*Activités industrielles : 1 % dont 0,06 % pour l’énergie électronucléaire.

La protection proprement dite est basée sur des

règles de bon sens et se fait à trois niveaux :

*par le temps : on limite la durée d’exposition,

*par la distance : si nous nous éloignons de la

source, l’irradiation diminue,

*par des écrans : on recherche l’absorption du rayonnement.

1) Quelles sont les sources de radioactivité naturelle ?

2) Ont-elles une part importante dans l’irradiation totale d’un individu en France ?

3) Est-il « dangereux » de vivre à proximité d’une centrale nucléaire ?

V. Que faire des déchets radioactifs ?

Toute activité humaine génère des déchets et le nucléaire n’échappe pas à la règle. Chaque année, la France doit gérer environ 3000 kg de déchets de toutes natures par habitant. Sur ces 3000 kg, 100 kg sont des déchets toxiques dont 1 kg de déchets nucléaires. Ces déchets nucléaires proviennent à 90 % de l’industrie électronucléaire (centrale, usine du cycle du combustible) et à 10 % des hôpitaux, des autres industries et centres de recherche. La quantité n’est pas le seul aspect à prendre en compte ; la toxicité est aussi très importante. Les déchets peuvent être retraités ou stockés.

A. Quels sont les différents types de déchets radioactifs ?

Tous les déchets radioactifs n’étant pas identiques, on adopte une classification reposant sur le type de rayonnement émis, le niveau d’activité c’est-à-dire l’intensité du rayonnement émis et la période radioactive. Il existe donc trois catégories de déchets :

B. Quels sont les modes de stockage ?

1) Pour les déchets à vie courte de type A

Ces déchets sont d’abord triés et identifiés. Afin de les solidifier et de réduire leur volume, une série d’opérations est menée : évaporation, incinération, découpage ou compactage. Ils sont ensuite conditionnés dans des fûts en résine, en acier ou en béton. Tous les fûts, contrôlés et identifiés par un numéro et un code-barre précisant leur contenu et leur origine, sont ensuite acheminés à Soulaines (Aube), le centre français de stockage de surface. Ils sont rangés dans des structures en béton et séparés par des espaces contenant du mortier ou des graviers. Une dalle de béton étanche referme l’ensemble. Imperméables mais accessibles, ces ouvrages sont surveillés en permanence.

2) Pour les déchets à vie longue de type B et C

Les déchets de type B sont compactés et stockés dans des puits en béton à La Hague (Manche). Les déchets de type C, les plus nocifs, sont concentrés et dissous dans l’acide nitrique, puis stockés pendant un an dans des cuves en acier inoxydable où ils perdent en partie de leur radioactivité et de leur chaleur. Ils subissent ensuite une évaporation et sont calcinés. Les cendres sont mélangées à des granulés de verre en fusion dans un four chauffé à 1150 °C. Ainsi vitrifiés, ils sont stockés dans des puits en béton ventilés, où ils continuent à se refroidir pendant environ trente à quarante ans, avant leur transfert dans un site de stockage définitif. En raison de la date de début d’exploitation des centrales, les déchets à vie longue sont encore tous dans cette phase de stockage intermédiaire.

C. Comment stocker définitivement les déchets à vie longue ?

Entreposer des déchets à vie longue à La Hague est une étape nécessaire à leur refroidissement avant de trouver un mode de stockage à la mesure de la durée de vie de ces éléments, c’est-à-dire plusieurs millénaires.

Un programme de recherche, défini par la loi du 30 décembre 1991, a fixé un délai de quinze ans pour explorer trois pistes :

• les conditions d’un éventuel stockage souterrain (à plus de 400 m de profondeur) grâce à l’implantation de laboratoires de recherche souterrains fournissant toutes les informations géologiques,

• l’amélioration des conditionnements pour un éventuel stockage de surface,

• la transmutation des produits à vie longue, c’est-à-dire leur incinération pour les transformer en produits à vie plus courte.

En 2006, à l’issue de ces recherches, les pouvoirs publics seront en mesure de prendre une décision sur le mode de gestion définitif des déchets nucléaires à vie longue.

VI. La sécurité dans les centrales nucléaires.

• contrôler rigoureusement le réaction de fission,

• éviter la dispersion des produits de fission hautement radioactifs grâce à une enceinte de confinement du réacteur,

• évacuer l’énergie libérée sous forme de chaleur par le réacteur,

• éviter la dissémination de tout produit radioactif en dehors de la centrale,

• résister à un séisme, à l’impact d’un avion.

En cas d’incident nucléaire, un plan d’urgence est activé. Il permet la mise en place des moyens nécessaires pour :

• donner l’alarme,

• prendre des mesures pour limiter l’extension de l’incident,

• assurer l’évacuation du personnel de la zone d’activité,

• collecter les informations permettant d’évaluer l’importance de l’incident,

• mettre sur pied les équipes d’intervention.

Si l’incident est considéré comme assez grave, le Préfet est prévenu et met en œuvre un plan d’urgence dénommé Plan Particulier d’Intervention (PPI). Ce plan rassemble les mesures à prendre vis-à-vis de la population :

• évacuation de la population dans un rayon de 5 km,

• confinement de la population dans un rayon de 10 km,

• distribution de comprimés de diiode (protection de la thyroïde contre l’iode radioactif),

• interdiction de certains produits à la consommation.

Objectifs : composition du noyau, isotopes, notion de fission ; effets biologiques de la radioactivité ; radioprotection ; radioactivité ; courbes de décroissance radioactive ; période ; gestion des déchets radioactifs et sécurité des centrales.

Sites internet utiles :

• Agences nationale pour la gestion des déchets radioactifs : http://www.andra.fr/sommaire.php3

• Commissariat à l’énergie atomique : http://www.cea.fr/fr/pedagogie/notions.htm

• Un site sur les sciences en général : http://www.science.gouv.fr/