Noyaux, masse, énergie

Physique, Chapitre V Terminale S
Noyaux, masse, énergie
I - Equivalence masse - énergie
1°) Des unités de masse et d'énergie adaptées
a) unité de masse : l'unité de masse atomique b) Unité d'énergie : l'électron-volt Le joule est une unité d'énergie inadaptée aux échanges d'énergie à
l'échelle microscopique de la physique nucléaire. Dans ce domaine , on
s'intéresse à l'énergie d'une particule et non pas à l'énergie d'une mole
de particules.
L'électronvolt est défini comme l'énergie acquise par un électron accéléré
par une tension de 1 V :
Ec = q . U Ec = 1,6.10-19 . 1 = 1,6.10-19 J 1
eV = 1,6.10-19 J
2°) Equivalence masse-énergie
a) Relation d'Einstein b) Application : Energie associée à une unité de masse atomique II- DEFAUT DE MASSE ET Energie de liaison 1°) Défaut de masse d'un noyau
( Exemple : Cas d'un noyau d'hélium [pic] |Particule |Proton |Neutron |Noyau d'hélium |
|Masse (kg) |mp = 1,67265.10-27|mn =1,67496.10-27 |mnoyau = |
| | | |6,6447.10-27 |
2°) Energie de liaison Lors de la dissociation d'un noyau en nucléons séparés, il y a un gain de
masse et donc, du fait de l'équivalence masse - énergie, un gain d'énergie
pour le système : cette énergie a été fournie au noyau pour le dissocier. ( Remarque : L'énergie de liaison est positive car c'est une énergie qu'il
faut fournir au système
(même convention que pour l'énergie de liaison d'une molécule,
cf cours de 1e S). ( Exemple : Energie de liaison d'un noyau d'hélium 4 :
3°) Energie de liaison par nucléon 4°) La courbe d'Aston
Francis William Aston (1877-1945) est un physicien anglais, collaborateur
de J.-J. Thomson. Il a recensé les isotopes stables des principaux éléments
et obtenu le prix Nobel de Chimie en 1922. Il s'agit en fait de la représentation de la quantité - El / A en fonction
de A afin que les noyaux les plus stables (ceux qui ont la plus grande
valeur de El / A) apparaissent dans la partie la plus basse de la courbe,
comme dans les diagrammes énergétiques. Courbe d'Aston
[pic]
( Les noyaux stables sont ceux qui ont une énergie de liaison par nucléon
d'environ
8 MeV / nucléon. Leur nombre de masse A est tel que 50 < A < 110. Ils
apparaissent autour du minimum de la courbe. ( Les noyaux instables peuvent se transformer en d'autres noyaux plus
stables avec libération d'énergie selon deux processus différents :
- Les noyaux lourds (A > 95), comme par exemple [pic], peuvent se
briser en deux noyaux légers appartenant au domaine de stabilité.
Ils subissent alors une réaction nucléaire de fission.
- Certains noyaux légers, comme par exemple [pic], [pic], [pic],
peuvent « fusionner » pour former un noyau placé plus bas dans le
diagramme. Ce sont des réactions nucléaires de fusion.
Ces deux réactions ne sont pas spontanées mais provoquées. III- Réaction nucléaire provoquée
La radioactivité est un phénomène au cours duquel une réaction nucléaire se
produit spontanément. On peut aussi provoquer des réactions nucléaires en
réalisant des chocs entre noyaux.
1) Définition 2) Lois de conservation
( Exemple précédent : conservation des nombres de masse : 4 + 14 =
17 + 1
conservation des nombres de charge : 2 + 7 = 8 +1
Nous allons donc étudier deux réactions provoquées : la fission et la
fusion. 3) La fission nucléaire
a) Définition Les noyaux lourds (uranium 235, plutonium 239) ayant la propriété de subir
une fission sous l'impact d'un neutron lent (appelé neutron thermique,
d'énergie cinétique inférieure à 0,1 MeV) sont appelés noyaux « fissiles ». Ce sont Irène et Frédéric Joliot Curie qui montrèrent que, sous l'impact
d'un neutron, un noyau d'uranium 235 peut se briser en deux noyaux plus
légers. Plusieurs noyaux différents (plus de 80), généralement radioactifs,
peuvent se former. La réaction produit d'autres neutrons qui pourront
donner d'autres fissions :
Exemples : [pic]
[pic] b) Application : la production de l'électricité
. L'uranium naturel contient deux isotopes : l'uranium 238 (99,3 %) et
l'uranium 235 (0,7 %), seul ce dernier étant fissile. Tous les neutrons
libérés par la fission des noyaux d'uranium 235 ne sont pas productifs :
certains neutrons sont absorbés dans l'uranium 238, ou s'évadent sans
rencontrer de noyaux. Pour que la réaction en chaîne s'amorce, il faut
donc rassembler en un même volume une masse suffisante de noyaux
fissiles, appelée « masse critique », afin de compenser les pertes.
. Dans les centrales nucléaires, le combustible généralement utilisé est
l'uranium enrichi après traitement à 3% en isotope 235 fissile. Les
noyaux d'uranium 238, fertiles, contribuent faiblement à la réaction :
après capture de neutrons, ils se transforment par émission 13 en
neptunium 239, puis en plutonium 239 fissile. Les pastilles d'oxyde
d'uranium enrichi sont empilées dans de longs tubes d'acier étanches
appelés « crayons », qui baignent dans la cuve du réacteur.
. Au cours de la réaction, les neutrons sont éjectés par les noyaux à des
vitesses élevées (neutrons « rapides »), et sont donc peu efficaces pour
provoquer de nouvelles fissions. Afin d'augmenter la probabilité de chocs
avec des noyaux fissiles, les neutrons sont ralentis (neutrons « lents »
ou « thermiques ») : c'est le rôle du modérateur, en général de l'eau ou
du graphite.
. La réaction de fission produit plus de neutrons qu'elle n'en consomme.
Pour éviter la divergence de la réaction en chaîne, les neutrons
excédentaires sont absorbés : c'est le rôle des barres de contrôle en
bore ou cadmium, introduites plus ou moins profondément dans le c?ur du
réacteur.
. La réaction nucléaire est très exothermique. La circulation d'un fluide
« caloporteur » dans le c?ur du réacteur permet alors de maintenir la
température de celui-ci constante. L'énergie thermique, transportée par
le fluide à travers le circuit primaire, est ensuite convertie en énergie
électrique par un groupe turboalternateur.
4) La fusion nucléaire
a) Définition ( Exemple : Fusion d'un noyau de deutérium et d'un noyau de tritium :
[pic] b) La fusion en pratique
. La fusion nucléaire nécessite des conditions expérimentales de
température extrême, de l'ordre de 100 millions de degrés. Une telle
agitation thermique est nécessaire pour vaincre la répulsion électrique
de noyaux pour effectuer leur fusion.
. La fusion est naturellement présente dans les étoiles, où s'effectue la
synthèse des différents éléments chimiques de la classification
périodique.
Dans le Soleil, la fusion des noyaux d'hydrogène, à une température
voisine de 1,5.107 K, donne des noyaux d'hélium après plusieurs réactions
de fusion :
[pic]
[pic]
[pic] Bilan : [pic]
. Dans les bombes thermonucléaires, appelées bombes H, la fusion nucléaire
est incontrôlée et explosive. La très haute température est obtenue grâce
à une bombe A, la réaction de fission sert à amorcer la fusion. IV- Bilan énergétique d'une réaction nucléaire 1) Bilan énergétique d'une réaction nucléaire spontanée Raisonnons avec la désintégration ( du radium 226Ra : 22688Ra ( 4 2He
+ 22286Rn + (
Données : m(226Ra) = 225,9770 u
m(222Rn) = 221,9703 u
m(() = 4,0015 u
1 u = 1,66054.10-27 kg
c = 3,00.108 m.s-1
2) Bilan énergétique d'une réaction nucléaire provoquée :
la réaction de fission a) Utilisation de la courbe d'Aston (cf.page 3/9)
. La courbe d'Aston nous indique que la dissociation du noyau d'uranium
235 en nucléons isolés et au repos nécessite l'apport de 7,5 MeV par
nucléon.
. Si ce noyau père se désintègre en noyaux fils se situant au minimum de
la courbe d'Aston, une énergie d'environ 8,5 MeV par nucléon serait
libérée.
. La différence entre l'énergie à apporter et celle libérée serait de 1
MeV par nucléon, soit environ 200 MeV par noyau d'uranium ayant subi la
fission.
. A titre de comparaison, la fission d'1 g d'uranium 235 libère autant
d'énergie que 1,8 t de pétrole.
b) Utilisation de la relation d'Einstein
. Considérons la réaction : 10n + 23592U ( 9438Sr + 14054Xe + 2
10n
Données :
Etant de quelques électronvolts, les énergies cinétiques des
particules initiales seront négligées.
[pic]
1 u = 1,66054.10-27 kg =176,62MeV
c = 3,00.108 m.s-1 3) Bilan énergétique d'une réaction nucléaire provoquée : la réaction
de fusion a) Utilisation de la courbe d'Aston (cf.page 3/9)
. La courbe d'Aston nous indique que la dissociation de noyaux légers comme
le deutérium (21H) ou le tritium (31H) en nucléons isolés et au repos
nécessite l'apport de 1 à 3 MeV par nucléon.
. Si ces nucléons isolés se réunissaient pour former un noyau plus lourd
comme l'hélium (42He), une énergie d'environ 7 MeV par nucléon serait
libérée.
. La différence entre l'énergie à apporter et celle libérée serait de 4 à 6
MeV par nucléon.
. A titre de comparaison, la fusion d'1 g de tritium libère