Introduction à la chimie – 1ère édition canadienne

Nous avons vu au chapitre 3 « Atomes, molécules et ions » que les atomes sont composés de particules subatomiques – protons, neutrons et électrons. Les protons et les neutrons sont situés dans le noyau et fournissent la majeure partie de la masse d’un atome, tandis que les électrons entourent le noyau dans des coquilles et des sous-coquilles et expliquent la taille d’un atome.

Nous avons également introduit dans le chapitre 3 « Atomes, molécules et ions » la notation pour représenter succinctement un isotope d’un atome particulier :

612C

L’élément dans cet exemple, représenté par le symbole C, est le carbone. Son numéro atomique, 6, est l’indice à côté du symbole et représente le nombre de protons dans l’atome. Le nombre de masse, en exposant à côté du symbole, est la somme du nombre de protons et de neutrons dans le noyau de cet isotope particulier. Dans ce cas, le numéro de masse est 12, ce qui signifie que le nombre de neutrons dans l’atome est 12 – 6 = 6 (c’est-à-dire que le numéro de masse de l’atome moins le nombre de protons dans le noyau est égal au nombre de neutrons). Parfois, le numéro atomique est omis dans cette notation car le symbole de l’élément lui-même transmet son numéro atomique caractéristique. Les deux isotopes de l’hydrogène – 2H et 3H – reçoivent leurs propres noms et symboles : deutérium (D) et tritium (T), respectivement.

La théorie atomique du XIXe siècle présumait que les noyaux avaient des compositions fixes. Mais en 1896, le scientifique français Henri Becquerel a constaté qu’un composé d’uranium placé près d’une plaque photographique faisait apparaître une image sur la plaque, même si le composé était enveloppé dans un tissu noir. Il pensait que le composé d’uranium émettait une sorte de rayonnement qui traversait le tissu pour exposer la plaque photographique. D’autres recherches ont montré que le rayonnement était une combinaison de particules et de rayons électromagnétiques, dont la source ultime était le noyau atomique. Ces émanations ont finalement été appelées, collectivement, la radioactivité.

Il existe trois formes principales d’émissions radioactives. La première est appelée particule alpha, qui est symbolisée par la lettre grecque α. Une particule alpha est composée de deux protons et de deux neutrons et correspond à un noyau d’hélium. (On utilise souvent 24He pour représenter une particule alpha.) Elle a une charge de 2+. Lorsqu’un atome radioactif émet une particule alpha, le numéro atomique de l’atome d’origine diminue de deux (en raison de la perte de deux protons), et son nombre de masse diminue de quatre (en raison de la perte de quatre particules nucléaires). Nous pouvons représenter l’émission d’une particule alpha par une équation chimique – par exemple, l’émission d’une particule alpha d’uranium 235 est la suivante :

92235U → 24He+90231Th

Plutôt que d’appeler cette équation une équation chimique, nous l’appelons une équation nucléaire pour souligner que le changement se produit dans un noyau atomique. Comment savons-nous que le produit de cette réaction est le90231Th ? Nous utilisons la loi de conservation de la matière, qui stipule que la matière ne peut être ni créée ni détruite. Cela signifie que nous devons avoir le même nombre de protons et de neutrons des deux côtés de l’équation nucléaire. Si notre noyau d’uranium perd 2 protons, il reste 90 protons, ce qui identifie l’élément comme étant du thorium. De plus, si nous perdons quatre particules nucléaires du 235 d’origine, il en reste 231. Nous utilisons donc la soustraction pour identifier l’isotope de l’atome de Th – dans ce cas, 90231Th.

Les chimistes utilisent souvent les noms isotope parent et isotope fille pour représenter l’atome d’origine et le produit autre que la particule alpha. Dans l’exemple précédent, 92235U

est l’isotope parent, et 90231Th est l’isotope fille. Lorsqu’un élément se transforme en un autre de cette manière, il subit une désintégration radioactive.

Le deuxième grand type d’émission radioactive est appelé particule bêta, symbolisée par la lettre grecque β. Une particule bêta est un électron éjecté du noyau (et non des coquilles d’électrons autour du noyau) et a une charge de 1-. On peut aussi représenter une particule bêta par -10e. L’effet net de l’émission d’une particule bêta sur un noyau est qu’un neutron est converti en proton. Le nombre total de masse reste le même, mais comme le nombre de protons augmente d’une unité, le numéro atomique augmente d’une unité. Le carbone 14 se désintègre en émettant une particule bêta :

614C → 714N +-10e

De nouveau, la somme des numéros atomiques est la même des deux côtés de l’équation, tout comme la somme des numéros de masse. (Notez que l’électron se voit attribuer un « numéro atomique » de -1, égal à sa charge.)

Le troisième grand type d’émission radioactive n’est pas une particule mais plutôt une forme très énergétique de rayonnement électromagnétique appelé rayons gamma, symbolisé par la lettre grecque γ. Les rayons gamma eux-mêmes ne portent pas de charge électrique globale, mais ils peuvent faire tomber les électrons des atomes d’un échantillon de matière et le rendre électriquement chargé (pour lequel les rayons gamma sont appelés rayonnement ionisant). Par exemple, dans la désintégration radioactive du radon 222, des rayonnements alpha et gamma sont émis, ces derniers ayant une énergie de 8,2 × 10-14 J par noyau désintégré :

86222Rn → 24He + 84218Po + γ

Cela peut sembler peu d’énergie, mais si 1 mol d’atomes de Rn se désintégrait, l’énergie du rayon gamma serait de 4.9 × 107 kJ!

Les émissions alpha, bêta et gamma ont des capacités différentes à pénétrer la matière. La particule alpha, relativement grosse, est facilement arrêtée par la matière (bien qu’elle puisse communiquer une quantité importante d’énergie à la matière qu’elle touche). Les particules bêta pénètrent légèrement dans la matière, peut-être de quelques centimètres tout au plus. Les rayons gamma peuvent pénétrer profondément dans la matière et communiquer une grande quantité d’énergie à la matière environnante. Le tableau 15.1 « Les trois principales formes d’émissions radioactives » résume les propriétés des trois principaux types d’émissions radioactives.

Occasionnellement, un noyau atomique se brise en plus petits morceaux dans un processus radioactif appelé fission spontanée (ou fission). Généralement, les isotopes fils produits par la fission sont un mélange varié de produits, plutôt qu’un isotope spécifique comme dans le cas de l’émission de particules alpha et bêta. Souvent, la fission produit des neutrons en excès qui seront parfois capturés par d’autres noyaux, induisant éventuellement des événements radioactifs supplémentaires. L’uranium 235 subit une fission spontanée dans une faible mesure. Une réaction typique est

92235U → 56139Ba + 3694Kr + 2 01n

où 01n est un neutron. Comme pour tout processus nucléaire, les sommes des numéros atomiques et des numéros de masse doivent être les mêmes des deux côtés de l’équation. La fission spontanée ne se produit que dans les gros noyaux. Le plus petit noyau qui présente une fission spontanée est le plomb-208. (La fission est le processus radioactif utilisé dans les centrales nucléaires et dans un type de bombe nucléaire.)