Thème 2 : Les transformations nucléaires

en Terminale Scientifique.

Chapitres :  

 

cours Physique 2.1 : La radioactivité et ses propriétés

cours Physique 2.2 : Origine de l'énergie nucléaire.

 

 

Cours Physique 2.1 : La radioactivité et ses propriétés.

Les transformations au cours desquelles  il y a conservation de l'élément chimique sont appelées des transformations chimiques (le noyau des atomes n’est pas modifié). Nous l'avons vu en classe de seconde et en classe de premiere, les transformations chimiques sont le résultat de la modification de la structure électronique des atomes qui composent les réactifs.
Dans certaines conditions, des atomes disparaissent et donnent naissance a de nouveaux atomes d'un autre élément chimique. De ce fait, cela ne correspond pas a une transformation chimique.
Il existe alors un nouveau type de transformation : Les transformations nucléaires.
Quelles sont les regles qui régissent ces transformations ? Peut-on en prévoir l'évolution temporelle ?

I. Stabilité et instabilité d’un noyau.

« Diagramme de Segré »

vallée de stabilité représentée en rouge

diagramme de Segré

 

 

 

 

 

 

 

 

cette image peut être protégée par copyright.

Je n'ai pas réussi à découvrir la source mais sa simplicité me semble intéressante pour observer le diagramme.

 

Actuellement, on connaît 118 éléments différents dont seulement 92 sont naturels. Les 118 – 92 = 26 autres éléments ont été fabriqués par l’homme : ils sont dits « artificiels » et sont tous instables. En tenant compte de tous les isotopes, on arrive à plus de 2000 noyaux artificiels et 350 noyaux naturels.

Les noyaux instables se désintégrent (déstruction) en provoquant l'apparition d'un nouveau noyau et l'émission d'une particule notée a, b- ou b+, parfois même une fission spontanée. Ces noyaux sont dit radioactifs.

D'autres seront sujets à subir des réactions nucléaires, fusion et fission, afin de donner des noyaux encore plus stables.

Pour des atomes à Z inférieur à 20, les atomes stables sont ceux qui ont autant de neutrons que de protons. Au delà, le nombre de neutrons doit être supérieur à celui de protons.

Les désintégrations radioactivités spontanées :

Les réactions nucléaires généralement forcées :

II. Etude des 3 désintégration radioactives.

1. Lois de conservation (lois de Soddy).
Lors d’une réaction nucléaire, il y a conservation du nombre :

de nucléons A (Somme A avant = Somme A après)
de charge totale (Somme Z avant = Somme Z après)

2. Radioactivité a (caractéristique des noyaux A > 200).

Les particules a sont stoppées par quelques cm d’air ou une feuille de papier. C’est une radioactivité tres peu pénétrante (en raison de leur taille importante) mais très ionisante : c’est une radioactivité très dangereuse notamment si des poussières radioactives arrivent au contact de la peau ou sont inhalées.

Ecriture générale de la réaction :        A ZX    ->    A-4 Z-2Y + 4 2He + g          (introduire vocabulaire noyaux père et fils)

3. Radioactivité b- (sont concernés les noyaux ayant trop de neutrons).

Les  particules béta - assez pénétrantes sont arretées par quelques mm d’aluminium.

Ecriture générale de la réaction :  A ZX    ->    A Z+1Y + 0 -1 e + g          

Le noyau fils possede autant de nucléons mais un neutron s’est transformé en proton : A 0 n -> A 1 p + A -1 e  

4. Radioactivité b+ (sont concernés les noyaux artificiels ayant trop de protons).

La durée de vie du positon est très courte dans la matière car dès qu’elles rencontrent un électron, ces 2 particules se désintegrent et émettent de la lumière invisible très énergétique (rayon gamma) : 0 1 e + 0 -1 e -> g

Ecriture générale de la réaction :     A ZX    ->    A Z-1Y + 0 1 e + g              

Le noyau fils possède autant de nucléons mais un proton s’est transformé en neutron : 1 1 p -> 1 0 n  + 0 1 e  

5. Emission g (possible avec les 3 désintégrations ci-dessus).

Définition :

La rayon g est un rayon de lumière invisible très énergétique qui peut accompagner chacune des 3 radioactivités. Le noyau émetteur (noté Y*) va perdre de l’énergie sous forme de photons et se retrouver dans un état plus stable Y .

Y * -> Y +  n g

Caractéristiques : ce sont des rayons très pénétrant et qui peuvent être mutagène ADN.

III. Source radioactive.

1. Effet biologique.

Ce qui est dangereux pour l’homme c’est l’exposition aux radiations, la quantité reçue dépend :

du nombre de désintégration par seconde que subie un échantillon radioactif : on parle d’activité (voir paragraphe 2),

de la distance qui nous sépare de la source,

de l’absorption du milieu de propagation,

de la nature des particules émises par la source et de leurs énergies,

des tissus touchés.

Action : pénétration et arrachage d’électrons, cela entraîne la création d’ions et de radicaux libres. Cela peut entraîner des réactions chimiques sur l’ADN.

2. Evolution temporelle.

Les appareils de mesure, tel que le compteur Geiger, nous permet de détecter les particules issues des désintégrations. Ainsi on accède au nombre de désintégrations et non pas au nombre de noyaux présents dans l'échantillon radioactif. C'est une raison pour laquelle on doit connaitre l'évolution temporelle de l'activité.

Définition de l'activité :

Elle désigne la vitesse de désintégration de l'échantillon radioactif. Elle correspond au nombre de noyaux radioactifs qui se désintegrent par unité de temps.

L’activité A d’une source radioactive est égal au nombre moyen de désintégration par unité de temps dans l’échantillon :

A = - DN / D

A s’exprime en Becquerel (Bq) 

Dt  la durée de la mesure en seconde

DN le nombre de désintégrations.

exemple : une activité de 1 Bq corresponde à une désintégration par seconde

Expression de l’activité instantanée :

on a A(t) = A0 e -l t

avec A0, l’activité à t = 0.

Donc l’activité décroît de manière exponentielle au cours du temps comme le nombre de noyaux dans l’échantillon.

IV. Applications de la radioactivité.

Scintigraphie : on injecte des traceurs radioactifs que l’on va suivre dans l’organisme (iode radioactif pour la thyroide).

Radiothérapie : destruction de cellules cancéreuses.

La datation archéologique au carbone 14 : lorsqu’un échantillon est vivant, la proportion de carbone 12 et 14 reste constante. A la mort de l’échantillon, le carbone n’est plus renouvelé et le carbone 14 radioactif va diminuer ainsi que l’activité. La radioactivité naturelle de l’échantillon va suivre la loi de décroissance radioactive. La mesure de l'activité permettra d'en déduire la mort de l'échantillon.

En S.V.T. : datations à l'uranium 238 pour l'âge de la Terre, au potassium 40 pour la lave...

 

Cours Physique 2.2 : Origine de l'énergie nucléaire.

Introduction

Le projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)

« L’objectif du projet ITER est de démontrer la possibilité scientifique et technologique de la production d’énergie par la fusion des atomes.
Le site de Cadarache, pres d’Aix-en-provence, a été retenu. La fusion contrôlée représente un défi scientifique et technologique majeur qui pourrait répondre au probleme crucial de disposer, a plus ou moins long terme, de nouvelles ressources énergétiques.
L’énergie de fusion représente l’espoir d’avoir une ressource d’énergie propre et abondante au cours du XXIe siecle. A l’heure ou la raréfaction des énergies fossiles est prévue d’ici 50 ans, il est d’une importance vitale d’explorer le potentiel de toutes les autres sources d’énergie. 300 litres d’eau de mer peuvent fournir 1 g de deutérium, isotope de l’hydrogene, nécessaire a la réaction de fusion.
Ainsi, l’eau des océans permettrait, a elle seule, de subvenir aux besoins mondiaux de l’humanité pendant, environ, un milliard d’années. »

Extrait du site http://www.iter.gouv.fr

I. Qu'appelle-t-on la fission et la fusion ?

1. Réaction de fission.

Animation fission

animationFission

Exemple de la fission de l'uranium 235

schemaFissionU235

 

Rédiger la définition de la fission

et préciser les conditions (générales) de sa faisabilité

Puis écrire la réaction nucléaire qui modélise cette transformation en prenant pour exemple la fission de l'uranium 235.

Préciser les lois qu'il faut respecter.

Citer une application de la fission autre que les centrales nucléaires.

Les réactions de fissions nucléaires ne sont en général pas spontanées : elles ont besoin d’un amorçage pour se produire. Cet amorçage est réalisé en bombardant de neutrons « lents » (ralentis par des matériaux tel que la paraffine par exemple) des noyaux fissiles.

Chaque fission  élémentaire produit un ou plusieurs neutrons ; chaque neutron  produit peut engendrer à son tour la fission d’un noyau et ainsi de suite : on dit alors qu’il se produit une réaction en chaîne.  

Les réactions de fission peuvent etre contrôlées en faisant en sorte qu’une fission  engendre en moyenne un neutron : c’est le principe d’un réacteur nucléaire.
Si une fission engendre en moyenne plus d’un neutron, il peut y avoir explosion du  réacteur (on dit que le réacteur diverge : c’est la bombe A du type de celle d’Hiroshima).
Les produits d’une fission sont en général radioactifs de tres longue durée de vie ce qui rend tres difficile la gestion des déchets.

2. Réaction de fusion.

Animation fusion

animationFusion

Exemple de la fusion

de l'hydrogène 2 et 3

schemaFusionHydrogene2et3

Rédiger la définition de la fusion

et préciser les conditions (générales) de sa faisabilité

Puis écrire la réaction nucléaire qui modélise cette transformation en prenant pour exemple la fusion du deutérium et du tritium.

Préciser les lois qu'il faut respecter.

Citer une application de la fusion autre que la nucléosynthese  stellaire 

II. Comment de telle transformation peuvent-elles fournir une aussi grande énergie ?

1. L'équivalence Masse Energie.

Dans le cadre de la théorie de la relativité restreinte élaborée en 1905, Albert Einstein vient à postuler que tout objet doté d’une  masse possede une énergie ;

c’est la relation d’équivalence entre la masse et l’énergie.

Un  système matériel au repos dans un référentiel d’étude, possède de par sa masse m une énergie E appelée « énergie de masse » donnée par la relation dite « relation d’Einstein » :
                                             E = m.c²

E : énergie en joule (J)
m : masse du système en kilogramme (kg)
c : célérité de la lumiere dans le vide = 2,99792 .108 m/s

bibliographiePhotoEinstein

2. Les unités en physique nucléaire.

2a. Unité de masse atomique.

Le proton et le neutron ont des masses de l'ordre de 10-27 kg. Le kilogramme n’est donc pas adapté à l’échelle des particules élémentaires et des noyaux. On introduit alors une nouvelle unité : l'unité de masse atomique noté "u".

L'unité de masse atomique ( u ) est égale à 1/12 de la masse d'un atome de carbone 12, on peut prendre pour valeur :

1 u = 1,660538 . 10-27 kg

2b. Unités d'énergie.

Le joule est également une unité mal adaptée à l’évaluation des énergies de masse. On utilise plutôt l’électronvolt (symbole eV). L'électronvolt (eV) est l'énergie cinétique acquise par un électron accéléré par une tension de 1 V :

1 eV =   1,60217 . 10-19 J



Remarque : (introduire le MeV, et la connaissance de l'énegie d'une unité de masse : 935 MeV)
Quelle est l'énergie associée à une masse de 1 u, en joule et en eV ?


III. Comment calculer l'énergie dégagée à partir des énergies de liaisons ?

1. Le défaut de masse d’un noyau.

Définition :

Dans un référentiel donné, la différence entre la masse des nucléons séparés au repos et la masse du noyau au repos est appelée défaut de masse, noté Dm :

Dm = mav - map

2. Énergie de liaison d’un noyau.

Définition :

L’énergie de liaison (notée El) est l’énergie qu’il faut fournir à un noyau au repos dans un référentiel donné, pour le dissocier en nucléons isolés et immobiles dans ce même référentiel.
L’énergie de liaison d’un noyau représente l’équivalent énergétique de son défaut de masse :

El = Dm.c²

par définition, l'énergie de liaison est positive

! rappeler convention échange énergie si nécessaire !

3. Chemin fictif.

L'énergie dégagée lors d'une transformation nucléaire peut être obtenu en considérant la séparation des noyaux pères en leurs nucléons constitutifs puis par leur réassemblage en noyaux fils.

On étudie dans cet exemple la fission d’un noyau d’uranium en xénon 139 et strontium 94.

Les énergies de liaison par nucléons de l’uranium 235, du xénon 139 et du strontium 94 sont respectivement de 7,5 MeV, 8,2 MeV et 8,5 MeV.

chemin fictif pour déterminer l'énergie libérée

source : http://www.cours2physique.com/cours-physique-chimie-terminale-s/corriges-exercices-15-16-2.html

IV. Comment justifier l'existence des réactions de fusion et de fission ?

1. Energie de liaison par nucléon.

Définition :

L’énergie de liaison par nucléon est obtenue en divisant l’énergie de liaison El d’un noyau par son nombre de nucléons A. Elle est notée El /A (on l’exprime en MeV).

2. Courbe d’Aston

Sur un graphique on peut représenter l'opposé des énergie de liaison par nucléon (- El/A) en fonction du nombre de nucléons contenu dans les noyaux. On fait alors apparaitre un nuage de points (représentant les différents noyaux). Si on considère les noyaux stables, on peut (suite au calcul de la moyenne si plusieurs noyau de même A existent) obtenir la courbe rouge.

courbe d'Aston

En prenant comme critère de stabilité supérieure pour un noyau une énergie de liaison par nucléon El/A > 8 MeV par nucléon, on peut identifier les atomes les plus stables et ceux susceptibles de donner des réactions de fission ou de fusion.