Les isotopes sont des noyaux atomiques qui appartiennent au même élément chimique, mais qui diffèrent par leur nombre de neutrons. Cette fiche t'aidera à comprendre ce qui rend un noyau stable ou instable et comment le diagramme de Segrè nous aide à le visualiser.
Atome
La plus petite particule qui caractérise un élément chimique. Il est composé d'un noyau et d'électrons.
Noyau atomique
Le centre de l'atome, composé de protons (chargés positivement) et de neutrons (sans charge).
Nucléons
Nom donné aux particules qui composent le noyau atomique : les protons et les neutrons.
Isotopes
Noyaux d'un même élément chimique (même nombre de protons) mais ayant un nombre de neutrons différent.
Radioactivité
Désintégration spontanée d'un noyau atomique instable, qui émet des particules et/ou des rayonnements pour devenir plus stable.
L'Atome : Structure de Base
Un atome est la brique fondamentale de la matière. Il est constitué de deux parties principales :
- Un noyau central, très petit, qui contient des protons (charges positives) et des neutrons (sans charge). Les protons et les neutrons sont appelés des nucléons.
- Un cortège électronique, beaucoup plus grand, où gravitent des électrons (charges négatives) autour du noyau.
Chaque élément chimique est défini par son numéro atomique Z, qui correspond au nombre de protons dans son noyau. Le nombre de masse A est le nombre total de nucléons (protons + neutrons) dans le noyau.
Les Isotopes : Des Frères Différents
Les isotopes sont des atomes d'un même élément chimique (ils ont donc le même numéro atomique Z, c'est-à-dire le même nombre de protons) mais qui possèdent un nombre de neutrons différent. Par conséquent, leur nombre de masse A est aussi différent.
Par exemple, le carbone existe sous plusieurs formes isotopiques :
- Le carbone 12 (12C) a 6 protons et 6 neutrons (Z=6, A=12). Il est stable.
- Le carbone 14 (14C) a 6 protons et 8 neutrons (Z=6, A=14). Il est instable.
Stabilité Nucléaire et Radioactivité
Tous les noyaux atomiques ne sont pas stables. Un noyau est dit stable s'il ne se désintègre pas spontanément. Un noyau est dit instable (ou radioactif) s'il se désintègre spontanément pour se transformer en un noyau plus stable, en émettant des particules et/ou des rayonnements. C'est ce qu'on appelle la radioactivité.
L'instabilité d'un noyau est souvent due à un déséquilibre entre le nombre de protons et de neutrons, ou à un nombre trop important de nucléons.
Le Diagramme N-Z (de Segrè)
Le diagramme N-Z, aussi appelé diagramme de Segrè, est un outil très utile pour visualiser la stabilité des noyaux atomiques. Il représente le nombre de neutrons (N) en fonction du nombre de protons (Z) pour tous les noyaux connus.
Sur ce diagramme, les noyaux stables sont représentés par une « bande de stabilité » (les points noirs). Les noyaux situés en dehors de cette bande sont instables et donc radioactifs. Ils vont se transformer pour tenter de rejoindre cette bande de stabilité.
Diagramme N-Z (de Segrè) des nucléides
On observe que :
- Pour les noyaux légers (Z < 20), les noyaux stables ont un nombre de protons et de neutrons à peu près égal (N ≈ Z).
- Pour les noyaux plus lourds (Z > 20), les noyaux stables ont généralement plus de neutrons que de protons (N > Z).
Les Types de Désintégration Radioactive
Les noyaux instables se désintègrent de différentes manières :
- Désintégration alpha (α) : Un noyau trop lourd émet un noyau d'hélium (2 protons et 2 neutrons). Le noyau devient plus léger.
- Désintégration bêta moins (β-) : Un noyau avec trop de neutrons transforme un neutron en un proton, en émettant un électron. Le noyau gagne un proton et perd un neutron.
- Désintégration bêta plus (β+) : Un noyau avec trop de protons transforme un proton en un neutron, en émettant un positon (l'opposé de l'électron). Le noyau perd un proton et gagne un neutron.
Ces transformations permettent au noyau de modifier son rapport neutrons/protons pour atteindre un état plus stable.
Le temps de demi-vie (noté t1/2) est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs d'un échantillon se désintègrent. C'est une caractéristique propre à chaque isotope radioactif.
A retenir :
En résumé :
- Un atome est composé d'un noyau (protons et neutrons) et d'électrons.
- Les isotopes sont des atomes du même élément (même nombre de protons) mais avec un nombre différent de neutrons.
- Les noyaux peuvent être stables ou instables (radioactifs).
- La radioactivité est la désintégration spontanée d'un noyau instable pour atteindre la stabilité.
- Le diagramme N-Z permet de visualiser la stabilité des noyaux en fonction de leur nombre de protons (Z) et de neutrons (N).
- Les noyaux instables se désintègrent par différents processus (alpha, bêta-, bêta+) pour devenir plus stables.
- Le temps de demi-vie est le temps nécessaire pour que la moitié d'un échantillon radioactif se désintègre.