Fusion, fission, datation au carbone, traceurs et imagerie : applications de la chimie nucléaire

Publié le 18 janvier, 2024

Chimie Nucléaire

La chimie nucléaire est un domaine de la chimie qui traite de l’utilisation d’isotopes radioactifs et d’autres réactions nucléaires. Les réactions nucléaires nous fournissent d’énormes quantités d’énergie. Les isotopes radioactifs sont utilisés pour déterminer l’âge d’anciens artefacts, diagnostiquer des maladies et traiter certains types de problèmes médicaux. Dans cette leçon, nous allons examiner de plus près chacune de ces applications de la chimie nucléaire.

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La fusion nucléaire


Lors de la fusion nucléaire, de la masse est perdue et de l’énergie est émise.
Énergie de fusion nucléaire émise

Que peut le soleil que nous ne puissions pas faire? La réponse est « fonctionner grâce à la fusion nucléaire ». La fusion nucléaire se produit lorsque deux atomes ou plus fusionnent pour former un seul atome plus lourd. Gardez à l’esprit que durant ce processus, toute la masse n’est pas conservée. L’atome « ​​plus lourd » produit est en réalité plus léger que les deux morceaux individuels, ce qui signifie que de la masse est perdue. Parce que la masse et l’énergie sont liées, lorsque la masse est perdue, l’énergie est perdue ou émise. Lors d’une réaction de fusion, d’énormes quantités d’énergie sont émises.

Actuellement, il n’existe aucun moyen réalisable d’exploiter cette énergie de fusion et de l’utiliser pour alimenter nos infrastructures, mais dans quelques années, il est possible qu’elle puisse nous fournir l’énergie dont nous avons besoin. D’une certaine manière, nous sommes capables d’utiliser une partie de l’énergie des réactions de fusion. Le soleil est essentiellement un réacteur à fusion créant de l’énergie en fusionnant des atomes d’hydrogène pour former de l’hélium, et le soleil est notre principale source d’énergie.

Nous utilisons l’énergie du soleil pour l’énergie solaire, la photosynthèse et même les combustibles fossiles que nous brûlons. Les combustibles fossiles ne sont en réalité que des organismes morts qui utilisaient autrefois le soleil comme source d’énergie et qui ont été soumis à une forte pression en étant enfouis sous les roches. Ainsi, à l’heure actuelle sur Terre, nous ne pouvons pas faire fonctionner nos propres réacteurs à fusion nucléaire, mais nous dépendons toujours fortement des réactions de fusion qui ont lieu sur le Soleil.


Le type d’énergie nucléaire le plus répandu sur Terre est la fission nucléaire. La fission nucléaire se produit lorsqu’un atome plus lourd se divise en morceaux plus petits. Habituellement, les « morceaux » sont des atomes plus petits, mais souvent des neutrons sont également libérés. De nombreuses réactions de fission sont initiées par un atome très lourd heurté (ou, dans le jargon chimique, bombardé) par un neutron. Cela rend l’atome lourd déjà légèrement instable encore plus, ce qui l’amène à se diviser en atomes plus petits et éventuellement à éjecter quelques neutrons. Cela libère beaucoup d’énergie car l’atome d’origine était très instable.

De plus, les neutrons éjectés peuvent être utilisés pour déclencher plusieurs autres réactions de fission. Cet « effet domino » provoqué par les neutrons est appelé réaction en chaîne et peut être responsable du maintien de la réaction pendant une longue période. Chaque fois qu’on parle d’énergie nucléaire, que ce soit sous la forme d’un réacteur nucléaire ou d’un sous-marin à propulsion nucléaire, l’énergie est produite à cause d’une réaction de fission.



Le carbone 14 se transforme progressivement en azote une fois qu’un organisme ne vit plus.
Datation au carbone du carbone à l'azote

Une autre réaction nucléaire dont nous pouvons tirer parti est la désintégration du carbone 14. Le carbone est un élément essentiel pour les organismes vivants qui échangent constamment du carbone, dont la majeure partie est du carbone 12. Certains de ces atomes de carbone sont cependant des isotopes du carbone 14. Pendant qu’un organisme est vivant, il présente un rapport défini entre le carbone 14 et le carbone 12. Après sa mort, le carbone 12 stable reste, tandis que le carbone 14 radioactif subit une désintégration bêta pour se transformer en azote.

Or, le carbone 14 a une demi-vie d’environ 5 730 ans, donc tous les 5 730 ans, la moitié va se désintégrer en azote. Plus un artefact contient de carbone 14, plus il est récent. Étant donné que de nombreuses choses étaient autrefois des organismes vivants ou étaient autrefois fabriquées à partir d’organismes vivants, mesurer le pourcentage de carbone 14 dans un artefact est un moyen très fiable de déterminer l’âge de l’artefact.


Notre prochaine application de la chimie nucléaire concerne la médecine. Parfois, lors du diagnostic de certains types de maladies, les atomes stables de votre corps sont remplacés par des atomes radioactifs du même élément. Ces éléments radioactifs se déplacent ensuite dans tout votre corps comme ils le feraient normalement, mais comme ils sont radioactifs, ils sont plus faciles à détecter à l’extérieur du corps. Ceux-ci sont appelés traceurs radioactifs et agissent comme de petites étiquettes ou drapeaux atomiques. S’ils sont retrouvés dans des endroits où ils ne devraient pas l’être, un diagnostic plus précis peut être établi.

Par exemple, le Technétium-99 est un isotope radioactif courant qui se lie à de nombreuses molécules différentes dans le corps. S’il est combiné avec un composé d’étain, il est capable de se lier aux cellules sanguines, ce qui peut aider à créer une carte de votre système circulatoire. Cela peut permettre à un médecin de détecter un trouble de votre système circulatoire.


Pendant la radiothérapie, des isotopes radioactifs sont placés dans le corps pour détruire les cellules nocives.
Isotopes radioactifs de radiothérapie

Une autre application des isotopes radioactifs en médecine est la radiothérapie pour le traitement de certains types de pathologies. Dans certaines situations, on prélève un isotope radioactif qui, selon le type de molécule dont il s’agit, trouvera son chemin vers l’endroit approprié du corps. Il émettra alors un rayonnement qui ne parcourra qu’une courte distance (il protège donc les tissus environnants). Le rayonnement qu’il émet pourrait aider à tuer toutes les cellules dangereuses.


Ce ne sont là que quelques-uns des nombreux exemples du rôle important que joue la chimie nucléaire dans notre vie quotidienne, depuis la fusion qui se produit au soleil, fournissant l’énergie nécessaire à la croissance des plantes, jusqu’aux réactions de fission qui ont lieu dans les centrales nucléaires. Les isotopes radioactifs sont mesurés pour déterminer l’âge d’un artefact et sont administrés dans le corps pour détecter et traiter certaines conditions médicales. En termes simples, notre survie dépend des réactions nucléaires.


À la fin de cette vidéo, vous devriez être capable d’expliquer plusieurs exemples de chimie nucléaire et leur importance : la fusion nucléaire sur le soleil, les réactions de fission nucléaire, la datation au carbone et les utilisations nucléaires en médecine.


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