Figures et liens utiles pour la compréhension de la matière

Chapitre 9

Les orbites permises (niveau d'énergie) dans l'atome d'hydrogène sont en nombre infini, mais les probabilités pour l'électron de s'y retrouver sont d'autant plus faibles que le niveau est élevé, car les couches sont très près les unes des autres (en terme de quantité d'énergie).

L'énergie associée à chaque niveau est négative car un électron considéré "d'énergie nulle" est un électron libre, non  lié à un atome. Plus il est proche du noyau, plus son "déficit d'énergie" pour être libre est grand (-13,6 eV au maximum, sur le niveau fondamental).

Un électron excité retombant sur une couche inférieure émet un photon dont l'énergie correspond à la différence entre les énergies des deux niveaux impliqués.

La longueur d'onde du photon est donc elle aussi déterminée par cette chute, et certains photons sont visibles si les niveaux d'énergie impliquent l'énergie d'un photon visible.

Pour l'atome d'hydrogène, quatre chutes seulement produisent un photon visible, soit les quatre plus faibles chutes vers le niveau 2 (représentées sur le graphique par les flèches plus épaisses, rouges, turquoise, et deux violettes). Les autres chutes produisent des ultraviolets si elles sont plus grandes, et des infrarouges si elles sont plus petites.

Le graphique ci-contre montre les trois premières séries de transitions, chacune étant liée au niveau final de la transition. Les photons visibles sont les 4 premières chutes de la série Balmer (vers le niveau 2). Chacune série contient mathématiquement une quantité infinie de chutes, mais les transitions provenant d'un niveau plus élevé sont plus rares et plus difficiles à observer.

Il existe environ 1500 nucléides différents des quelque 118 éléments existants.

Seulement 250 sont stables (non radioactifs). Les autres nucléides se désintègrent éventuellement en émettant un rayonnement radioactif.

Chaque nucléide (parmi les 1500) a une masse atomique propre. Les plus courants sont documentés dans la table des masses isotopiques qui se trouve facilement. Les calculs d'énergie lors de réactions nucléaires exigent qu'on utilise la masse exacte des isotopes impliqués (et non la masse atomique au tableau périodique).

L'énergie de liaison par nucléon calculée pour chaque nucléide montre que le fer est l'élément le plus fortement lié.

Les éléments plus légers que le fer dégagent de l'énergie en fusionnant en éléments plus lourds vers le fer, et les éléments plus lourds dégagent de l'énergie en fissionnant vers le fer.

Lorsqu'un noyau se désintègre par radioactvité naturelle, il devient un autre type de noyau et se déplace dans la table des nucléides (voir plus haut la table des nucléides).

Toutes les désintégrations implique une variation de l'un ou les deux nombres de protons et de neutrons dans le noyau.

À noter que la désintégration peut impliquer l'ajout de particules au noyau (capture électronique) autant que la perte de particules. Il s'agit d'une réaction où le noyau est modifié.

À noter également que la radioactivité liée à l'émission de rayons gamma ne modifie pas la nature du noyau, mais l'émission provient bien du noyau. Seule une quantité d'énergie est perdue, et celle-ci doit donc être liée à une accumulation antérieure d'énergie ou à une autre réaction radioactive.

Lors de la désintégration α, un groupe de 2 protons et 2 neutrons est éjecté du noyau (c'est un noyau d'hélium ⁴He).

Lors de la désintégration β⁻, un neutron éjecte une charge négative sous forme d'électron et devient un proton. L'atome résultant ayant le même nombre d'électrons en orbite, il lui en manque maintenant un pour être neutre. Si on associe l'électron éjecté du noyau au trou électronique en orbite, on obtient un atome neutre pour le calcul de l'énergie dégagée.

Lors de la désintégration β⁺, un proton éjecte une charge positive sous forme de positon (e⁺ ou antiélectron) et devient un neutron. L'atome résultant ayant le même nombre d'électrons en orbite, il en a maintenant un en trop pour être neutre. Si on retire également de l'atome cet électron en trop, on obtient dans les produits un électron et un positon (ayant la même masse) en plus de l'atome résultant.

Un noyau peut capturer un électron de son bas cortège et transformer un proton en neutron (en annulant sa charge). Le nouveau noyau a donc un proton en moins et un neutron en plus. Il a également un électron en moins en orbite, ce qui en fait d'office un atome neutre. Par contre, il y a un trou électronique sur une orbite basse, ce qui représente un état excité pour cet atome. Cette énergie d'excitation pourra être dégagée sous forme d'un ou plusieurs photons lorsque des électrons des couches supérieures viendront combler le trous d'une couche inférieure.

Un noyau peut se trouver dans un état excité (X*) et possède alors une énergie d'excitation. Cette énergie peut être perdue et le noyau émet un ou des photons dont l'énergie est l'énergie perdue par le noyau.

Un noyau peut éjecter l'un de ses neutrons.

Un noyau peut éjecter l'un de ses protons.

Un noyau lourd (nombre de masse élevé) bombardé par une particule légère (par exemple un neutron) devient très instable et se brise rapidement en deux (parfois plus) noyaux plus légers et quelques particules simples.

La fission dégage de l'énergie car l'énergie de liaison totale des produits est plus faible que l'énergie de liaison du noyau initial. La différence est donc émise sous forme de photons de haute énergie et/ou d'énergie cinétique des particules produites.

Image Stefan-Xp

La presque totalité de l'énergie dégagée par le Soleil provient des réactions de fusion transformant des protons en particules α (l'hydrogène en hélium). C'est la chaîne « proton-proton ».

En tout, 6 protons interviennent et produisent une particule alpha, deux protons seuls et deux positrons, en plus de l'énergie portée par deux neutrinos et deux photons gamma, et possiblement de l'énergie cinétique des particules résultantes.

L'ensemble des réactions dégage en tout 26,73 MeV.