Reactions Nucleaires

Noyaux, masse et énergie I Equivalence masse-énergie : 1) La relation d’Einstein . énergie de masse (4) : Pour Einstein en 1905, un système au repos possède une énergie due à sa masse, appelée énergie de masse. Elle est définie par E : énergie de masse O) m : masse (kg) c : vitesse de la lumière dans le vide (m. s-l) c = 3. 0*108 m. s-l Remarque : Une conséquence importante de cette relation est que quand la masse varier.

Ainsi on a : OE Donc si la masse d’u ce système fournie ai 2) Les unités en phys m org Sni* to View lors son energle va nergie diminue et u extérieur. Dans le système international d’unit s la masse s’exprime en kilogramme (kg) et l’énergie s’exprime en joule (J). Dans le domaine de la physique nucléaire, on s’intéresse davantage à une particule plutôt qu’à un ensemble comme une male de particule. Ainsi si nous calculons l’énergie de masse d’un électron : E e- m e- xe 9. 31*1 8. 4*10-14J Nous trouvons une valeur très petite.

Nous utiliserons donc une unité d’énergie plus adaptée à l’échelle microscopique appelé l’électronvolt (eV) : lev = 16*10-19 J On trouve alors pour l’énergie de masse d’un électron : E e- 1. 6*10-19 5,2 105 eV On préfèrera utiliser les multiples de l’électron-volt : Ee- = 0. 52 MeV Remarq Remarque: 1 kev 103 eV, 1 MeV 106 eV,1 Gev 109 eV – En physique nucléaire, on utilise généralement une autre unité de masse, appelée unité de masse atomique. Elle est définie par : u = 1. 66054*10-27 kg. Elle correspond à 1/12 ème de la masse de l’atome de carbone 12. ) Défaut de masse d’un noyau et énergie de liaison a. Défaut de masse : En mesurant la masse des noyaux au repos et celles des nucléons, les scientifiques se sont aperçu que la masse d’un oyau est toujours inférieure à la somme des masses des nucléons qui le compose. Cette différence de masse est appelée défaut de masse ( Dm ) et se calcule comme suit : Soit un noyau nm = ZxmP + (A-Z)xmN – mnoyau > O b. Energie de liaison : Elle correspond à l’énergie qu’il faut fournir à un noyau au repos pour le dissocier en nucléons isolés et immobiles.

Comme on l’a vu avec l’équivalence masse énergie, l’énergie de liaison d’un noyau est en rapport avec son défaut de masse : El = Dm Cette énergie est positive puisqu’elle est reçue par le système onsidéré (noyau). Exemple: calculons l’énergie de liaison d’un noyau d’Hélium (voir doc) 4) Énergie de liaison par nucléon et courbe d’Aston a. Energie de liaison par nucléon: Elle est égale à l’énergie de liaison du noyau divisée par le nombre de nucléons présents dans ce noyau : El/A. On l’exprimera généralement en MeV/nucléon.

Elle représente l’énergie moyenne qu’il faudrait apporter à chaque nucléon pour le sortir du no représente l’énergie moyenne qu’il faudrait apporter à chaque nucléon pour le sortir du noyau. Plus Vénergie de liaison par ucléon est grande, plus il est difficile d’extraire les nucléons du noyau et donc, plus le noyau est stable. b. Courbe d’Aston Elle permet de comparer la stabilité de différents noyaux atomiques. Par commodité, comme dans un diagramme énergétique, on s’est arrangé pour que les noyaux les plus stables se situent dans la partie la plus basse de la courbe.

La courbe d’Aston est donc la représentation : -El/A f(A) Il Réactions nucléaires de fission et de fusion 1) Explo tation de la courbe d’Aston Cette courbe montre que des noyaux possédant des énergies e liaison par nucléon relativement faibles (A petit ou A grand) peuvent se transformer en des noyaux plus stables (A moyen) en libérant de l’énergie. Cela peut se produire par la fusion de noyaux légers, comme le deutérium , le tritium, etc, ou par la fission de noyaux lourds comme, par exemple, l’uranium.

Selon la position des noyaux instables sur la courbe d’Aston, on peut ainsi savoir comment ils vont évoluer. Les noyaux légers vont évoluer par fusion, alors que les noyaux lourds vont évoluer par fission Remarque : pourquoi ces deux processus se produisent-ils ? La courbe trouve son minimum pour un nombre de nucléons entre 50 et 70. De part et d’autre de ce point, les noyaux instables peuvent subir une modification de structure et se rapprocher du poin point, les noyaux instables peuvent subir une modification de structure et se rapprocher du point de stabilité.

Du coup l’énergie de liaison du noyau fils obtenu est supérieure à celle du noyau père, cela coincide avec une dimlnution de masse du système est donc une libération d’énergie vers le milieu extérieur. 2) Propriétés de la fission et de la fusion : a. Les réactions nucléaires de fusion et de fission sont qualifiées de réactions provoquées : Une reaction nucléaire est provoquée lorsqu’un noyau projectile frappe un noyau cible et donne naissance à deux nouveaux noyaux. b.

Les réactions nucléaires de fusion et de fission doivent vérifier les lois de conservation comme toutes réactions nucléaires . – Conservation du nombre de masse (ou nombre de nucléons) – Conservation du numéro atomique (ou nombre de protons) – Consepu’ation de l’énergie : elle impose que l’énergie totale ? l’issue d’une réaction nucléaire soit égale à Vénergie totale avant ette réaction. 3) Réaction de fission nucléaire : a. Définition : Elle se produit lors de la rencontre d’un neutron lent (Ec = O. MeV), dit neutron thermique, avec un noyau fissile tel l’uranium 235 ; ce qui provoque la naissance de deux noyaux plus légers. La première fission de l’uranium 235 a été obtenue par Frédéric et Irène Joliot-Curie. b. Conditions d’obtention et applications : Le fait que ce sait un neutron qui initie la réaction est intéressant car il n’y a pas de répulsion lor PAGF soit un neutron qui initie la réaction est intéressant car il n’y a pas e répulsion lors de la rencontre entre le neutron (non chargé) et le noyau d’uranium. Une réaction de fission va donner naissance à des noyaux fils mais aussi à des neutrons, ceux-ci pouvant aller rencontrer dautres noyaux duranium : on obtient alors une réaction en chaîne. On peut alors vouloir que cette réaction en chaîne s’emballe : on obtient alors une bombe atomique A. Ou bien on veut la contrôler pour produire une quantité d’énergie souhaitée comme dans une centrale nucléaire. c. Exemple de réaction Soit la réaction de fission de l’uranium 235 qui donne naissance ? n noyau de strontium 94 et à un noyau de Xénon 140.

L’équation correspondante est : Rq : plusieurs réactions sont possibles pour le seul noyau d’uranium 235 4) Réaction de fusion nucléaire : pour avoir une fusion nucléaire, il faut que deux noyaux légers s’unissent pour donner naissance à un noyau plus lourd. b. Conditions d’obtention et applications – Ces noyaux légers sont cette fois-ci composés de neutrons et de protons, ainsi, il leur faut une très grande énergie pour vaincre les forces de répulsion : On porte alors le milieu à très haute température (108 K). En conséquence, la réaction de fusion est appelée réaction thermonucléaire.

Rq : A ces températures extrêmes, on dit que la matière est ? l’état de plasma : les électrons se sont dissociés du noyau auquel ils appa que la matière est à rétat de plasma : les électrons se sont dissociés du noyau auquel ils appartenaient, on obtient un gaz d’électrons et de noyaux atomiques. – Ces réactions de fusion se font naturellement dans les étoiles : des noyaux d’hydrogène vont fusionner en plusieurs étapes pour donner des noyaux d’hélium. On crée avec cette réaction des bombes thermonucléaires bombes H).

C’est alors la fission qui permet d’engendrer la haute température et donc la fusion. On cherche depuis des années à contrôler la fusion pour s’en servir dans les réacteurs nucléaires. La difficulté réside dans le confinement du plasma. La fusion la plus courante est celle représentée ci-dessus, entre un noyau de deutérium et un noyau de tritium • L’équation de cette réaction est : (Le deutérium et le tritium sont deux isotopes de l’hydrogène, ils ont respectivement un neutron et deux neutrons, alors que le noyau d’hydrogène n’a qu’un proton)

Ill Bilan de masse et d’énergie d’une réaction nucléalre (8) • 1) Cas général Soit une réaction nucléaire quelconque d’équation Ily a deux façons de calculer l’énergie libérée par la transformation nucléaire : Soit en utilisant la variation de masse : (c vitesse de la lumire) – Soit en utilisant les énergies de liaison des noyaux et d’après la définition de El : DE = [EI(XI) + El(X2)) -(El(X3) 4 El(X4)] 2) Réactions nucléaires spontanées : radioactivité a et p a.

Radioactivité a -(EI(X3) + El(X4)] a. Radioactivité a : désintégration du radium 226 : 1. ?crire l’équatlon de désintégration du radium 2. Calculer l’énergie libérée lors de la désintégration : (Méthode : Trouver AM – Convertir en kg – Calcul de AE en J (pour un noyau) – Convertir en eV (pour un noyau) – Multiplication par le nombre d’entité (si demandé) – d’un noyau de radium 226 (en MeV) – d’une mole de noyau de radium 226 (en J. mol-l) Données .

Noyau Masse (u) Radium 226 225,9770 Radon 221,9702 Hélium 4,0015 c = 29979*108 m. s-l Remarque : Lorsque l’on calcule un bilan énergétique d’une réaction nucléaire, on le fait pour un noyau. Si on veut comparer e bilan énergétique entre une réaction chimique et une réaction nucléaire, il faut parler en moles de noyau. On pourra alors calculer l’énergie d’une réaction nucléaire par mole de noyau en multipliant l’énergie obtenue grâce à un noyau par le nombre d’Avogadro : NA 6. 2*1023 mol-l b. Radioactivité : désintégration du cobalt 60 1. Écrire ‘équation de désintégration du colbalt d’un noyau de Cobalt 60 (en MeV) – d’une mole de noyau de Cobalt 60 en J. mol-l) Données : fission et fusion a. Réaction de fission : Soit une des réactions de fission possible pour le noyau ‘uranium 235 • Lors de cette transformation, déterminer : – l’énergie libérée l’énergie libérée nem par une mole de noyau d’uranium (en J. ol-l) puis par 1 g d’uranium – l’énergie libérée par nucléon Données : masse des noyaux : b. Réaction de fuslon : On considère la réaction « classique » de fusion entre un noyau de deutérium et un noyau de tritium • Comparer énergétiquement la fission et la fusion et en déduire pourquoi les recherches s’orientent davantage sur la fusion. c. Comparaison fission-fusion On voit que par nucléon, la fusion produit bien plus d’énergie ue la fission.

De plus, l’approvisionnement en hydrogène (donc en deutérium et tritium) se fait aisément (eau), et la fusion n’engendre pas de déchets radioactifs (noyaux fils eux mêmes radioactifs). Les recherches s’orientent donc vers cette réaction nucléaire, le but étant la production d’énergie. d-Comparaison de la fission avec la combustion du pétrole : Le pouvoir calorifique du pétrole est de 42MJ/kg. Cela Slgnifie que la combustion de 1 kg de pétrole fournie 42MJ. Comparer l’énergie libérée par la fission de 1 g d’uranium et par la combustion de lg de pétrole.