La stabilité du noyau et la radioactivité
Dans le cadre de l'effet de serre, il est important de connaître les sources lumineuses et par conséquent les atomes et leur intéraction avec l'environnement . L'atome est composé d'un noyau et d'un nuage d'élections .?
La forte densité en masse du noyau fait que ce dernier a une influence sur la stabilité : nous en déduirons alors la définition très précise de la radioactivité .
1 ) Stabilité du noyau
2 ) Radioactivité
En physique atomique, quelques configurations électroniques sont stables ( notamment celle des gaz rares ) .
Ainsi, pour provoquer l'évaporation d'une certaine quantité d'eau quelconque, l'énergie à apporter est constante : cette énergie est l'énergie de liaison ( notée B(A,Z) ). C'est la différence entre l'énergie des particules libres et l'énergie des particules liées .
Et l'énergie de liaison par nucléon ( notée B/A ) est dans l'état fondamental égale à (Dm)c²/A .
Dm : défaut de masse qui est égale à M(A,Z) - [ ZMp + ( A-Z)Mn ] avec A nombre de masse, Z nombre de protons, Mp masse d'un proton, Mn masse d'un neutron .
c : vitesse de la lumiere dans le vide .
Nous en déduisons l'allure de B/A en fonction de A .
La stabilité du noyau a lieu si ( sB(A,Z)/ sZ ) par rapport à A = 0 .
Nous obtenons alors l'allure de la courbe de stabilité avec le nombre de neutrons ( notée N ) en fonction du nombre de protons ( notée Z ) .
Les noyaux d'atomes qui présentent le même nuage électronique ont des propriétés chimiques similaires .
Par exemple, les atomes de carbone ( au nombre de masse différent ) se retrouvent dans le bois ( même corps ) .
Cependant, certains noyaux de nombre de charges élevé sont uniquement instables : l'allure de la courbe de stabilité est un caractère descriptif de nature qualtitative .
Les noyaux instables présentent des nucléons ensemble pour une durée limitée : la radioactivité va alors vers un état de plus basse énergie .
A ) Les différents types de radioactivité
i ) Radioactivité a
Le caractère instable de certains noyaux lourds ( A > 150 ) font que, lors de la formation des éléments, ils éjectent une particule ( Hélium ) tel que :
Q : énergie apparue dans la réaction .
ii ) Radioactivité b-
C'est la transformation d'un neutron en proton telle que :
n conjugué : électrons + antineutrinons .
C'est aussi une intéraction faible entre nucléons et électrons . Une liaison est alors assurée entre un électron et un proton pour créer un neutron ; or, la liaison n'est pas permanente et l'électron s'échappe .
iii ) Radioactivité b+
C'est la décomposition d'un proton telle que :
n : positrons + neutrons .
iV ) Radioactivité g
C'est la désexcitation d'un noyau produit dans un état excité, ce qui provoque l'émission d'un rayonnement g ( émission de photons de longueur d'onde comprise entre 10-14 et 10-12 m ) telle que :
B ) Les lois d'évolution
Pour caractériser les sources radioactives, nous disposons de l'activité ( notée A(t) ) .
A(t) est le nombre de désintégrations par seconde ( Becquerel ) au sein des sources radioactives .
Nous obtenons alors la premiere loi d'évolution, la loi exponentielle :
N(t) = No exp ( -t / t )
N(t) : nombre de noyaux radioactifs à t .
No : nombre de noyaux radioactifs à t=0 .
t : temps .
t : constante de temps .
Le nombre de désintégrations pendant dt est alors :
N(t) - N(t+dt) = -dN
N(t) - N(t+dt) = No*[ ( exp ( -t / t ) / t ) ]
N(t) - N(t+dt) = (N/t) dt
Nous en déduisons A(t) = N(t) / t = lN(t)
l : longueur d'onde de l'élément radioactif .
D'où la deuxieme loi d'évolution :
A(t) = Ao exp ( -t / t )
C ) Lois de conservation
i ) Loi de conservation de l'énergie
hn + m(o)c² = hn' + mc²
h : constante de Planck .
m(o) : masse de l'électron .
c : vitesse de la lumiere dans le vide .
n : fréquence de l'électron avant le choc { photon + électron ) .
n' : fréquence de l'électron avant le choc { photon + électron ) ( voir effet photoélectrique et effet compton ) .
m : masse du photon .
ii ) Loi de conservation de l'impulsion
(hn/c)*V = (hn'/c)*V + mv
V: vitesse de l'électron .
v : vitesse du photon .
iii ) Loi de conservation de la charge
Z1 + Z2 = Z'1 + Z'2 au cours d'une réaction
Z1 : nombre de protons de l'atome numéro 1 .
Z2 : nombre de protons de l'atome numéro 2 .
Z'1 : nombre de protons de l'atome formé à partir de l'atome numéro 1 .
Z'2 : nombre de protons de l'atome formé à partir de l'atome numéro 2 .
iV ) Loi de conservation du nombre de masse
A1 + A2 = A'1 + A'2
A1 : nombre de masse de l'atome numéro 1 .
A2 : nombre de masse de l'atome numéro 2 .
A'1 : nombre de masse de l'atome formé à partir de l'atome numéro 1 .
A'2 : nombre de masse de l'atome formé à partir de l'atome numéro 2 .
D ) Vie d'un élément radioactif
T = t ln 2 = ln 2 / l
T : temps de vie effectif d'un élément radioactif .
1 / teff = 1 / tr + 1 / tB
teff : période effective ou demi-vie effective ; c'est le temps au bout duquel la moitié des noyaux se sont désintégrés .
tr : période radioactive ou demi-vie radioactive .il correspond à la constante de temps radioactive, c'est à dire au temps mis par un élément radioactif pour se désintégrer .
tB : période biologique ou demi-vie biologique ; il correspond à la constante de temps biologique, c'est à dire éliminer les atomes inhalés par la respiration . Dans le cas du CO2, tB~15 jours .
D'où
TB =tB ln 2
TB : temps de vie biologique effective .
Masse -dM d'un élément radioactif éliminé :
-dM = ( M/tB + M/tr ) dt
D'où la nécessite de protéger notre environnement en diminuant la concentration de gaz à effets de serre dans l'atmosphere .