Science et technologie s1124

La stabilité nucléaire

La stabilité nucléaire correspond à l'état d'un noyau atomique dans lequel la force nucléaire est supérieure aux forces de répulsion entre les protons.

Selon le modèle atomique simplifié, un atome est composé d'un noyau autour duquel gravitent des électrons. Mis à part l'hydrogène (H), le noyau atomique de tous les éléments contient des nucléons en différentes quantités, soit des protons de charge positive et des neutrons de charge nulle. Comme les charges électriques semblables ont tendance à se repousser les unes des autres, les protons contenus dans le noyau exercent une force de répulsion électrique. C'est la présence des neutrons qui maintient la cohésion du noyau puisqu'ils exercent une force d'attraction qui permet de lier fortement les nucléons entre eux. Cette force, nommée force nucléaire, assure ainsi la stabilité du noyau atomique.

La stabilité nucléaire dépend principalement de deux facteurs : la taille du noyau atomique et le nombre de nucléons qu'il contient. Un atome dont le noyau est instable est dit « radioactif ».

  • Habituellement, la force nucléaire est supérieure à la force de répulsion dans un noyau, assurant ainsi sa cohésion. Toutefois, la force nucléaire ne s'exerce que sur de courtes distances. Ainsi, plus la taille d'un noyau augmente, moins la force nucléaire réussit à s'opposer aux forces de répulsion entre les protons. C'est d'ailleurs pour cette raison que tous les atomes dont le numéro atomique (Z) est supérieur à 83 sont tous instables, c'est-à-dire qu'ils sont susceptibles de se désintégrer pour former un ou plusieurs atomes d'éléments plus petits.
  • Par ailleurs, plus il y a de protons dans un noyau et plus le nombre de neutrons doit être élevé pour assurer la stabilité nucléaire. Dans les atomes légers, le nombre de neutrons est approximativement le même que celui des protons. Toutefois, dans les atomes plus lourds, la cohésion nucléaire est plus complexe en raison du grand nombre de nucléons. Il y a un déséquilibre entre la force nucléaire et la force de répulsion des protons. Les noyaux sont alors instables, et donc susceptibles de se désintégrer.

Presque tous les éléments chimiques possèdent plusieurs isotopes, c'est-à-dire des atomes d'un même élément qui ne contiennent pas le même nombre de neutrons. Ces isotopes n'ont pas tous la même stabilité nucléaire. Certains sont stables alors que d'autres ne le sont pas. On peut en conclure que le nombre de neutrons joue un rôle dans la stabilité du noyau des atomes.

s1124i1.jpg
Les trois isotopes de l'hydrogène : les deux premiers sont stables alors que le troisième est radioactif.
Source

Comme il a été mentionné auparavant dans cette fiche, les atomes les plus lourds sont plus instables et ont tendance à se désintégrer. La masse du noyau stable devrait donc être égale à la masse des nucléons qui forment le noyau. Toutefois, ce n'est pas le cas: la masse du noyau est plus petite que celle des nucléons. C'est ce qu'on appelle le défaut de masse. La différence entre la masse des nucléons et la masse du noyau est transformée en énergie.
Pour déterminer le défaut de masse, il faut utiliser la formule suivante:
|D_{m} = m_{nucleons} - m_{noyau}|

|D_{m}| représente le défaut de masse en unités de masse atomique (u)
|m_{nucléons}| représente la somme de la masse des nucléons formant l'atome en unités de masse atomique (u)
|m_{noyau}| représente la masse du noyau en unités de masse atomique (u)

Quel est le défaut de masse du lithium, sachant que la masse du noyau est 7,01435 u ? La masse d'un proton est 1,00727 u et la masse d'un neutron est 1,00867 u.
Dans un atome de lithium, il y a 3 protons et 4 neutrons. La masse des nucléons est donc calculée par la formule suivante:
|m_{nucleons} = 3 \times 1,00727 \space u + 4 \times 1,00867 u|
|m_{nucleons} = 7,05649 u|
La masse des nucléons est plus élevée que la masse du noyau. Le défaut de masse est donc:
|D_{m} = m_{nucleons} - m_{noyau}|
|D_{m} = 7,05649 \space u - 7,01435 \space u|
|D_{m} = 0,04214 \space u|
Pour calculer la quantité d'énergie libérée par cette différence de masse, il faut utiliser l'équation d'Albert Einstein, soit |E = m \times c^{2}|. Ainsi, plus le défaut de masse sera grand, plus la quantité d'énergie libérée par la formation du noyau stable sera grande. De plus, plus le défaut de masse est grand, plus l'atome formé est stable, car une plus grande quantité d'énergie serait nécessaire pour déstabiliser un noyau.

Les vidéos
Les exercices
Les références