Chimie nucléaire

Chimie nucléaire : définition

Commençons par la définition de la chimie nucléaire. La chimie nucléaire est la chimie qui traite de la radioactivité, des réactions nucléaires et des propriétés nucléaires.

Lesréactions nucléaires sont des réactions qui impliquent le noyau d'un atome. Comme le noyau est composé de nucléons, c'est-à-dire de protons et de neutrons, nous avons tendance à ignorer les électrons car ils ne font pas partie du noyau.

Il existe deux façons de représenter les nucléides : la notation atomique et la notation de masse. Dans la notation atomique, le chiffre du haut est le numéro de masse, tandis que le chiffre du bas est le numéro atomique. Dans la notation de masse, le nom de l'élément est suivi du numéro de masse. Par exemple, la notation atomique d'un isotope du radium contenant 140 neutrons s'écrit \( ^{228}_{88}\text{Ra} \), alors que sa notation de masse est radium-228,

• Nombre de masse → nombre de protons plus le nombre de neutrons dans le noyau.
• Numéro atomique → nombre de protons dans le noyau.

Figure 1. Notation atomique de l'isotope radioactif du radium, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

Histoire de la chimie nucléaire

Maintenant, plongeons dans l'histoire de la chimie nucléaire et découvrons trois chimistes différents qui ont joué un rôle important dans la découverte de la radioactivité.

Tout d'abord, nous avons Wilhelm Röntgen, un physicien allemand. Röntgen souhaitait comprendre le fonctionnement d'un tube de Crookes. Le tube de Crookes est un appareil créé en 1870 par un scientifique britannique nommé William Crookes. Il se compose d'un cylindre de verre scellé, sans oxygène à l'intérieur, et de deux électrodes (une anode et une cathode). Lorsqu'il y avait une différence de tension élevée entre les deux électrodes, une lueur verte/jaune apparaissait derrière l'anode, comme si cette lumière était émise par la cathode. Les physiciens appelaient cette lumière invisible "rayons cathodiques".

Cependant, en 1895, Röntgen a découvert qu'un autre rayonnement inconnu était émis par le tube de Crookes, en plus des rayons cathodiques. Il s'avère qu'il vient de découvrir les rayons X!

Puis, en 1896, Henri Becquerel entre en scène. Becquerel utilise les rayons X nouvellement découverts pour faire quelques expériences, et par accident, il tombe sur la découverte de sels d'uranium phosphorescents qui émettent spontanément des radiations ! Becquerel vient de découvrir un nouveau phénomène : la radioactivité!

Marie Curie a également été une pionnière de la radioactivité. En 1898, avec son mari Pierre Curie, Marie Curie a découvert les éléments polonium et radium. C'est également Marie qui a inventé le terme de radioactivité.

Equations de la chimie nucléaire

Les équations nucléaires de la chimie nucléaire impliquent des particules spéciales appelées particules nucléaires, et l'implication de chacune de ces particules nucléaires dépend du type de désintégration nucléaire qui se produit dans le noyau d'un isotope instable .

• Les isotopes instables (isotopes radioactifs) sont ceux qui ont un noyau instable pouvant subir spontanément une désintégration radioactive pour former un isotope stable (isotope fils).

Plus important encore, dans la désintégration nucléaire, un isotope radioactif avec un noyau instable (également appelé isotope parent) subit une décomposition spontanée de son noyau pour former un isotope fille avec un noyau stable !

Il existe six particules nucléaires associées aux équations nucléaires. Il s'agit de la particule de neutron, de la particule de proton, de la particule bêta, de la particule alpha et de la particule de positron.

• La particule de proton a le symbole \( ^{1}_{1} \text{p} \) et une charge de +1.
• La particule de neutron n'a pas de charge et porte le symbole \(^{1}_{0} \text{n} \).
• La particule bêta (ou particule d'électron) a une charge de -1 et le symbole \(^{0}_{-1}\bêta \) ou \(^{0}_{-1} \text{e} \).
• La particule positron est l'opposée de la particule bêta, elle avait le symbole \(^{0}_{1}\bêta \) et une charge de +1.
• La particule alpha a le symbole \( ^{4}_{2}\alpha \) et une charge de +2.

Lors de la désintégration nucléaire, ces particules nucléaires sont soit émises, soit absorbées. Explorons maintenant les différentstypes de désintégration radioactive et les particules nucléaires impliquées !

Décroissance bêta

Ladésintégration bêta est probablement le type de désintégration nucléaire le plus courant dans les réactions nucléaires. Lors de la désintégration bêta, une particule alpha (\(^{4}_{2}\alpha \)) est émise, tandis que l'isotope stable perd un neutron et gagne un proton.

Par exemple, disons que tu as un isotope radioactif du carbone, le carbone 14. La notation atomique du carbone 14 est \( ^{14}_6\text {C} \), ce qui signifie qu'il a un numéro atomique de 6 et un numéro de masse de 14.

Maintenant, si tu cherches le carbone dans ton tableau périodique, tu trouveras que la masse du carbone dans le tableau périodique est 12. Comme le numéro de masse du carbone 14 est supérieur (14) à ce numéro de masse dans le tableau périodique, le carbone 14 subira une désintégration bêta.

$$ ^{14}_{6}\text{C }\longrightarrow \text{ }^{0}_{-1}\text{e + }^{14}_{7}\text{N} $$

Capture d'électrons et émission de positrons

Lacapture d'élect rons est essentiellement l'inverse de ce que nous venons de voir dans la désintégration bêta. Lors de la capture d'électrons, une particule bêta est absorbée au lieu d'être émise.

Lors de la capture d'électrons, un électron de l'enveloppe interne d'un atome est attiré dans le noyau où il se combine avec un proton, formant un neutron et un neutrino. Le neutrino est éjecté du noyau de l'atome. L'équation nucléaire ci-dessous illustre la capture de l'électron dans le ^196Pb.

$$ ^{196}_{82}\text{Pb + } ^{0}_{-1}\text{e }\longrightarrow ^{196}_{81}\text{Tl + } \nu_{e} $$

Résolvons un problème !

L'émission de positrons est un type de désintégration nucléaire qui peut se produire dans les isotopes dont la masse est inférieure à celle du tableau périodique. Dans ce cas, une particule de positron est émise, ce qui fait que l'isotope gagne un neutron et perd un proton.

Les équations nucléaires pour l'émission de positrons dans \( ^{26} \text{Al} \) sont présentées ci-dessous :

$$ ^{26}_{13}\text{ Al }\to ^{0}_{1}\beta\text{ + }^{26}_{12}\text{ Mg } $$

Décroissance alpha

Le quatrième type de désintégration nucléaire est appelédésintégration alpha .

Dans ce cas, une particule alpha (\( ^{4}_{2}\alpha \)) est émise, et l'isotope résultant perd deux protons et deux neutrons (l'équivalent d'un noyau d'hélium !).

$$ ^{238}_{92}\text{U }\to \text{ }^{234}_{90}\text{Th + } ^{4}_{2} \alpha $$

Exemples de chimie nucléaire

Maintenant que nous savons ce que la chimie nucléaire englobe et les différents types de désintégration nucléaire qui peuvent se produire, examinons quelques exemples.

Le plutonium 239 est un isotope radioactif de l'élément plutonium, et il est utilisé pour fabriquer des armes nucléaires. Comme \( ^{239}_{94} \text {Pu}\) a un numéro atomique supérieur à 82 (94 > 82), son mode de désintégration attendu est la désintégration alpha.

$$ ^{239}_{94}\text{Pu }\to \text{ }^{235}_{92}\text{U + } ^{4}_{2} \alpha $$

Le fluor 18 est un autre exemple d'isotope radioactif important en chimie nucléaire. Cet isotope est important pour la tomographie par émission de positrons (TEP), un type d'imagerie utilisé pour voir les fonctions métaboliques des tissus et des organes. Le fluor 18 subit une émission de positrons.

$$ ^{18}_{9}\text{ F }\to \text { } ^{0}_{1}\beta\text{ + }^{18}_{8}\text{O} $$

Applications de la chimie nucléaire

Pour finir, explorons les applications de la chimie nucléaire. La chimie nucléaire a des applications médicales très importantes, car certains isotopes radioactifs peuvent être utilisés pour l'imagerie, ainsi que dans le processus de diagnostic et de traitement du cancer. Le samarium-153, par exemple, est un radio-isotope utilisé dans le traitement du cancer des os.

La figure ci-dessous présente quelques isotopes courants utilisés dans le diagnostic et le traitement de certaines maladies.

Maintenant, j'espère que tu te sens prêt à plonger profondément dans la chimie nucléaire !