19.1: Radioactivité et équations nucléaires

La chimie nucléaire est l'étude des réactions qui impliquent des modifications dans la structure nucléaire. Le noyau d'un atome est composé de protons et, à l'exception de l'hydrogène, de neutrons. Le nombre de protons dans le noyau est appelé numéro atomique (Z) de l'élément, et la somme du nombre de protons et du nombre de neutrons est le nombre de masse (A). Les atomes ayant le même numéro atomique mais des nombres de masse différents sont des isotopes du même élément.

Un nucléide d'un élément possède un nombre précis de protons et de neutrons et se trouve dans un état d'énergie nucléaire spécifique. La notation correspondant à un nucléide est  , où X est le symbole de l'élément, A est le nombre de masse et Z est le numéro atomique. Il existe également plusieurs notations raccourcies pour les nucléides, dont beaucoup omettent le numéro atomique. Par exemple,   peut être écrit carbone 14, C-14 ou ¹⁴C.

Si le nucléide est dans un état excité temporaire, il est généralement indiqué par un astérisque. S'il est dans un état excité avec une plus longue durée de vie, appelé un état métastable, cela est indiqué par l'ajout de ‘m’ au nombre de masse. Par exemple, l'isotope technétium 99 existe dans l'état fondamental  et métastable . S'il y a plus d'un état métastable pour un isotope donné, ils sont numérotés par ordre croissant d'énergie. Par exemple, l'isotope tantale 180 possède cinq nucléides : l'état fondamental   et les états métastables  ,  ,  , et  .

Les réactions nucléaires sont les transformations d'un ou de plusieurs nucléides en un autre, qui se produisent par des changements dans les nombres atomiques, les nombres de masse ou les états d'énergie nucléaire des noyaux. Pour décrire une réaction nucléaire, nous utilisons une équation qui identifie les nucléides et les particules impliqués dans la réaction. Comme pour les réactions chimiques, les réactions nucléaires obéissent à la conservation de la masse : la somme des nombres de masse des réactifs est égale à la somme des nombres de masse des produits.

De nombreux photons ou particules différentes peuvent être impliqués dans des réactions nucléaires. Les particules les plus courantes sont les particules alpha (α ou  ), qui sont des noyaux d'hélium 4 de haute énergie ; des particules bêta (β), qui comprennent des électrons (e⁻ ou β⁻) et des positrons (e⁺ ou β⁺) ; des rayons gamma (γ) ; des neutrons (  ) ; et des protons (p⁺ ou  ).

Certains nucléides restent intacts indéfiniment, ou sont stables, alors que d'autres se transforment spontanément en d'autres nucléides, ou sont instables. Le changement spontané d'un nucléide instable en un autre est la désintégration radioactive. Le nucléide instable est appelé le nucléide parent, et le nucléide résultant de la désintégration est connu sous le nom de nucléide fille. Le nucléide fille peut être stable, ou il peut se désintégrer lui-même.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 21.1: Structure et stabilité nucléaires et Openstax, Chimie 2e, Section 21.2 : Équations nucléaires.

Sources supplémentaires

UICPA. Compendium de terminologie chimique, 2e éd. (The Gold Book). Compilé par A. D. McNaught et A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Version en ligne (2019-) créée par S. J. Chalk. https://doi.org/10.1351/goldbook. Accédé le 2021-01-10

Agence internationale de l'énergie atomique, section des données nucléaires. Tableau en direct des nucléides. https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html. Accédé le 2021-01-10

La région la plus dense d'un atome est le noyau, contenant des protons et des neutrons appelés collectivement nucléons. Le type d'atome défini par un nombre spécifique de protons et de neutrons sont appelés nucléide. La notation pour un nucléide comprend un symbole d'élément, numéro atomique et numéro de masse.

L'une des nombreuses notations abrégées pour les nucléides utilise le nom de l'élément, un trait d'union et le numéro de masse. Les nucléides de même numéro atomique mais des nombres de masse différents sont appelés isotopes entre eux. Ainsi, le carbone a trois isotopes représentés ici.

Les nucléides sont également caractérisés par leur état énergétique. Par exemple, le technétium-99 à isotope unique existe dans deux états différents:l'état fondamental d'énergie inférieure et un état excité de longue durée appelé état métastable. Ces deux espèces, même si elles ont le même nombre de protons et de neutrons, sont des nucléides différents.

Il est intéressant de noter que certains éléments du tableau périodique ont des nucléides stables, qui restent intacts indéfiniment. En revanche, certains éléments n'ont que des nucléides instables, appelés radionucléides. Par exemple, la désintégration nucléaire spontanée d'uranium-238 produit du thorium-234.

Le processus est appelé désintégration radioactive. Le nucléide fille produit pendant la désintégration peut être stable ou radioactif. Le processus s'accompagne de l'émission de petits fragments ou rayonnement électromagnétique.

Les particules alpha sont équivalentes aux noyaux d'hélium. Leur émission réduit le numéro atomique par 2 et le nombre de masse par 4. Les particules bêta sont équivalentes aux électrons;lorsqu'il est émis, le numéro atomique du nucléide fille augmente de 1.

Comme ils portent une charge négative, il est appelé rayonnement bêta-minus. L'émission d'un positron, qui a la même masse qu'un électron mais une charge opposée, diminue le numéro atomique de 1. Elle est souvent appelée émission bêta-plus.

Les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques à haute énergie, dont l'émission ne change ni numéro atomique ni numéro de masse. L'émission de protons diminue le nombre de masse et le numéro atomique de 1 chacun, tandis que l'émission de neutrons réduit le nombre de masse de 1. Les équations nucléaires cartographient la différence entre les nucléides parents et filles et indiquez la nature de la décomposition.

La désintégration radioactive de l'uranium 238 en thorium 234 s'accompagne de l'émission de particules alpha. Les équations nucléaires sont équilibrées tout comme les équations chimiques. La somme des nombres de masse est la même de chaque côté de l'équation.

Comme il s'agit de la désintégration alpha, la somme des nombres atomiques l'est également.

• Nuclear Chemistry - Study of reactions involving changes in nuclear structure.
• Protons - Stable subatomic particles with a positive electric charge
• Atomic Number (Z) - Number of protons in the nucleus of an atom
• Mass Number (A) - Sum of the number of protons and neutrons in an atom
• Nuclide - A specific type of atom characterized by its proton count, neutron count, and nuclear energy state

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