Malheureusement pour les alchimistes, fabriquer de l'or pur à partir d'éléments chimiques n'est pas possible. Cependant, il est possible de fabriquer de l'or par transmutation.
Dans cet article, nous allons découvrir le processus de transmutation : ce qu'il est, comment il se produit et quelques exemples. Continue à lire pour découvrir comment les chimistes ont finalement résolu ce problème ancien !
- Cet article couvre le sujet de la transmutation
- Tout d'abord, nous définirons ce qu'est la transmutation
- Ensuite, nous apprendrons quelles sont les causes de la transmutation.
- Ensuite, nous verrons comment la transmutation peut se produire à la fois naturellement et artificiellement.
- Enfin, nous découvrirons un type particulier de transmutation appelé fission nucléaire.
Définition de la transmutation
Commençons par examiner la définition de la transmutation.
Latransmutation est le processus par lequel un noyau gagne/perd des protons pour devenir un nouvel élément avec un numéro atomique différent
Fondamentalement, on parle de "transmutation" lorsqu'un élément se transforme en un autre élément par le biais d'un processus nucléaire quelconque.
Frederick Soddy et Ernest Rutherford ont fait la première véritable observation de la transmutation en 1901 lorsqu'ils ont vu le thorium se transformer en radium par désintégration radioactive.
Soddy s'est alors écrié : "Rutherford, c'est de la transmutation !".
Rutherford a répondu : "Soddy, n'appelle pas ça de la transmutation, ils nous tueraient parce que nous sommes des alchimistes !
Les causes de la transmutation
Il existe deux grands types de transmutation :
Les réactions nucléaires
La désintégration radioactive
Lesréactions nucléaires se produisent lorsque deux noyaux (ou un noyau et une autre particule subatomique) entrent en collision pour former un ou plusieurs nouveaux noyaux
Ladésintégration radioactive est le processus par lequel un noyau instable se stabilise sous l'effet du rayonnement.
Il existe deux "causes" principales de transmutation : naturelle et artificielle. Décomposons-les, voulez-vous ?
Transmutation naturelle
Concentrons-nous d'abord sur la transmutation naturelle.
La désintégration radioactive
La désintégration radioactive se produit naturellement lorsqu'un noyau devient trop instable. Pour se stabiliser, il émet des rayonnements sous forme de particules, comme des neutrons ou des particules alpha (noyau d'hélium)
La désintégration radioactive ne transforme pas toujours un élément en une nouvelle espèce. Par exemple, le carbone 14 peut émettre (perdre) des neutrons pour former du carbone 12.
Par exemple, voici le processus par lequel le radium 226 émet une particule alpha pour devenir le radon 222 :
Fig.1-Désintégration radioactive du radium-226
Le nombre en haut à gauche est la masse atomique, qui est égale au nombre de protons + neutrons. Le nombre en bas à gauche est le numéro atomique, qui est égal au nombre de protons. Chaque élément a un numéro atomique unique, donc un changement de protons entraîne un changement d'élément.
Dans ce cas, le radium perd deux protons lorsqu'il émet la particule alpha, ce qui le fait devenir radon.
Réactions nucléaires
La principale réaction nucléaire naturelle est la nucléosynthèse stellaire.
Lanucléosynthèse ste llaire est la création de nouveaux éléments au sein des étoiles par le processus de fusion nucléaire
Lafusion nucléaire est le processus par lequel deux ou plusieurs noyaux se combinent pour former un ou plusieurs nouveaux noyaux et particules subatomiques
Fig.2 - Le processus de fusion solaire
En fait, différents noyaux d'hydrogène se sont heurtés les uns aux autres jusqu'à ce qu'ils aient suffisamment de protons et de neutrons pour former un atome d'hélium stable.
Sais-tu que le processus de fusion solaire produit 3,8x1026 joules d'énergie par seconde? C'est assez d'énergie pour alimenter 6,3x1024 ampoules de 60 watts par seconde ou pour alimenter une ampoule de 60 watts pendant 2x1014 millénaires . C'est beaucoup d'énergie !
Transmutation artificielle
Parlons maintenant de la transmutation artificielle.
Lorsque des particules provenant d'un accélérateur linéaire, d'un cyclotron ou d'un synchrotron frappent des atomes d'un élément, l'atome se modifie d'une certaine manière. C'est ce qu'on appelle la transmutation "artificielle" ou "induite". Tous les éléments dont le numéro atomique est supérieur à 92, comme le plutonium, sont fabriqués par l'homme grâce à un processus appelé transmutation. La plupart des réactions nucléaires impliquent la transmutation artificielle d'éléments, mais elles sont généralement appelées "fission", "fusion" ou "irradiation" au lieu de "transmutation".
Fig.3 - Un accélérateur linéaire
En utilisant des accélérateurs de particules qui bombardent des éléments avec des particules alpha, des deutérons ou de petits noyaux, il est possible de changer un élément en un autre. Certains protons provenant des particules bombardantes restent coincés dans le noyau de l'élément cible, ce qui accélère la transformation. Dans un réacteur nucléaire, les neutrons frappent le noyau cible, ce qui fait éclater les noyaux.
Lors des premiers essais, un noyau a été frappé par des particules alpha de bismuth-214 (214Bi) qui se déplaçaient très rapidement. Rutherford a réalisé la première réaction nucléaire avec ces particules alpha et de l'azote en 1919. Dans cette réaction, un noyau d'hélium en mouvement rapide a réagi avec un noyau d'azote en mouvement lent pour former deux nouveaux noyaux et un proton. Cela a montré que les éléments peuvent se transformer en d'autres choses.
Rutherford, un physicien, a reçu le prix Nobel de chimie en 1908 pour avoir essentiellement fait de l'alchimie. L'alchimie n'a pas transformé le plomb en or, comme l'espéraient de nombreux alchimistes depuis des siècles, mais elle a permis à certains éléments de se transformer en d'autres éléments !
Exemples de transmutation artificielle
Voici quelques exemples de transmutation artificielle :
1-En faisant entrer une particule alpha dans le noyau de l'azote, tu peux le transformer en oxygène. Dans le cadre de cette transformation, un seul atome d'hydrogène est produit.
$$^{14}_7Ne + ^4_2He \rightarrow ^{17}_8O + ^1_1H$$$
2-L'ajout d'une particule alpha au noyau de l'aluminium le transforme en phosphore. À la suite de ce changement, un neutron est fabriqué.
$$^{27}_{13}Al + ^4_2He \rightarrow ^{30}_{15}P + ^1_0n$$$
Il est important de se rappeler que les trois "lois de conservation" s'appliquent aux réactions nucléaires :
- La charge reste la même, ce qui signifie que le total des charges à gauche est le même que le total des charges à droite.
- Dans une réaction nucléaire, le nombre de nucléons ne change pas.
- La relation entre la masse et l'énergie est stable.
La fission nucléaire
Nous avons parlé précédemment de la fusion nucléaire, mais il existe également une réaction "opposée" appelée fission nucléaire
Lafission nucléaire est le processus de scission d'un noyau lourd, soit spontanément, soit lors d'un impact avec une autre particule
Par exemple, voici la fission de l'uranium suite à une collision avec un neutron :
Fig.4 - Fission nucléaire de l'uranium
Lorsqu'un neutron entre en collision avec un atome plus gros, ce dernier est excité et se divise en deux atomes plus petits. Ces atomes plus petits sont appelés produits de fission. Des neutrons sont également émis, ce qui peut déclencher une réaction en chaîne. Lorsque chaque atome se brise, il dégage une énorme quantité d'énergie.
L'uranium et le plutonium sont le plus souvent utilisés dans les réacteurs nucléaires pour les réactions de fission parce qu'ils sont faciles à démarrer et à contrôler. Dans ces réacteurs, la fission dégage de l'énergie qui chauffe l'eau pour produire de la vapeur. La vapeur fait tourner une turbine pour produire de l'électricité qui ne contient pas de carbone.
Transmutation - Principaux enseignements
- Latransmutation est le processus par lequel un noyau gagne ou perd des protons pour devenir un nouvel élément avec un numéro atomique différent.
- Lesréactions nucléaires se produisent lorsque deux noyaux (ou un noyau et une autre particule subatomique) entrent en collision pour former un ou plusieurs nouveaux noyaux.
- Ladésintégration radioactive est le processus par lequel un noyau instable se stabilise sous l'effet d'un rayonnement.
- Lanucléosynthèse stellaire est la création de nouveaux éléments au sein des étoiles par le processus de fusion nucléaire.
- Lafusion nucléaire est le processus par lequel deux ou plusieurs noyaux se combinent pour former un ou plusieurs nouveaux noyaux et particules subatomiques.
- Lafission nucléaire est le processus par lequel un noyau lourd se sépare, soit spontanément, soit lors d'un impact avec une autre particule.
Références
- Fig.1-Désintégration radioactive du radium 226 (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/21/Alpha-decay-example.svg/640px-Alpha-decay-example.svg.png) par MikeRun sur Wikimedia Commons sous licence CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/)
- Fig.2-Le processus de fusion solaire (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/78/FusionintheSun.svg/640px-FusionintheSun.svg.png) par Borb (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Borb) sous licence CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
- Fig.4-Fission nucléaire de l'uranium (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a8/Nuclear_fission_reaction.svg/640px-Nuclear_fission_reaction.svg.png) par MikeRun sur Wikimedia Commons sous licence CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/)
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