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2 Suite énoncé des exos du Chapitre 14 : Noyaux-masse-énergie I. Fission nucléaire induite (provoquée) : a) Principe de la fusion nucléaire : Réaction nucléaire provoquée par l impact d un neutron «lent» sur un noyau lourd dit :noyau-cible ; celui-ci se divise alors en deux noyaux plus légers et plus stables (les produits de fission), et en neutrons possédant une très grande vitesse. L énergie est donc libérée sous forme d énergie cinétique des neutrons, et de rayonnement Matières fissiles : Exemple : fission induite de l ; ; ; Bilan énergétique pour un noyau : l énergie libérée par la fission d un noyau est : = é ( >0) l énergie libérée par une réaction nucléaire correspond à la diminution de la masse totale du système : = é ² Pour un noyau d : = ( () + () () () () ) ²

3 é = Pour un noyau d : = () + () () é Réactions en chaîne : Les neutrons émis lors de la fission peuvent à leur tour provoquer la fission d'autres noyaux ; il peut se produire une réaction en chaîne qui devient rapidement incontrôlable (principe de la bombe à fission, ou bombe atomique). Soit k le nombre moyen de neutrons libérés qui provoquent une fission. Si k < 1, la réaction s arrête. Le système est sous-critique. Si k > 1, la réaction peut devenir explosive. Le système est sur-critique. Si k = 1, la réaction s auto-entretient. Le système est critique b) Centrale nucléaire : EPR génération II (Réacteur à Eau Pressurisée) Dans le réacteur nucléaire, les réactions nucléaires sont contrôlées par un modérateur et par des barres mobiles (en bore) placé entre les barres de combustible ( ) qui absorbent ou piègent une partie des neutrons émis à très grande vitesse. Sans contrôle, une réaction en chaîne se produirait, et deviendrait incontrôlable : c est la bombe atomique. La chaleur (énergie cinétique des neutrons émis) libérée par la fission du combustible nucléaire permet de chauffer de l eau et d obtenir de la vapeur dont la pression fait tourner des turbines entraînant un alternateur, producteur d électricité. Puissance d un EPR : 900 MW à 1300 MW 1 kg d Uranium tonnes de TNT Remarque : les produits de fission sont des radio-isotopes à demi-vie assez longue : ce sont les déchets radioactifs, qu il faut traiter et enfouir (La Hague) c) Rendement : = = =, ù = = 3

4 II. Principe de la fusion nucléaire : Deux noyaux légers sont «assemblés» pour former un noyau plus stable et plus lourd (mais dont la masse est inférieure à la somme des masses des noyaux légers mis en jeu) Pour que la fusion soit possible, les deux noyaux doivent posséder une grande énergie cinétique de façon à vaincre les forces de répulsion électrostatiques. Ainsi, rapprocher les noyaux légers et les faire fusionner nécessite des températures très élevées, de l ordre de 107 K. Ainsi, dans une bombe à fusion (bombe H), le détonateur est assuré par une bombe A L énergie libérée par la fusion (sous forme d énergie cinétique des particules émises) est cependant très supérieure à l énergie apportée pour faire fusionner les noyaux. Ex : fusion deutérium( ) 1 /tritium ( ) + + Bilan énergétique : = é ( >0) = é ² Pour un noyau d : = ( ( ) + ( ) ( ) () ) ² é = Pour un noyau d 1 4 = ( 1 ) é L'énergie libérée au cours d'une fusion nucléaire est considérable. Ce sont des réactions de fusion qui produisent l'énergie des étoiles. d) Avantages et inconvénients de la fusion par rapport à la fission : ü L énergie libérée par la fusion nucléaire est considérable ü La fusion libère par nucléon une énergie plus importante que la fission ü Le deutérium est présent dans l eau de mer, c est donc une réserve d énergie quasiinépuisable ü La fusion ne présente pas les dangers de retombées radioactives de la fission, en particulier il y a très peu de déchets nucléaires ü L exploitation industrielle de la fusion représente un défit extrêmement difficile (projet ITER) et n a pas lieu à ce jour ü 4

5 Chapitre 15 : Ouverture au monde quantique I. Limites de la mécanique de Newton : Au niveau macroscopique : un satellite peut graviter à une distance quelconque d un astre. D après la mécanique de Newton, ce modèle dit : planétaire, affirme qu il y a une infinité d orbites possibles et que l on peut déterminer complètement le mouvement. En revanche, au niveau submicroscopique, chaque atome a un volume bien défini donc le rayon atomique d un élément est précis ; on ne trouve pas les électrons d un atome en orbite sur n importe quel rayon mais sur des couches bien définies, K, L, M, N le modèle planétaire ne peut s appliquer à l atome ; les Lois de Newton ne sont plus valables dans le monde submicroscopique II. Quantification des niveaux d énergie : 1887 : expérience de Hertz, effet photo-électrique Si l on éclaire une plaque de zinc avec une lampe à incandescence, on ne relève aucun phénomène ; quelle que soit sa puissance, il ne se passe rien, aucun électron n est éjecté. Si l on éclairez maintenant la même plaque de zinc avec un rayonnement UV, on constate que même à très faible puissance, des électrons sont éjectés. Comment expliquer ce phénomène, dit : effet photo-électrique? 1900 : Max Planck émet l hypothèse que les échanges d énergie ne se font pas de façon continue mais par paquets, ou quantas, c est-à-dire que chaque radiation lumineuse de fréquence transporte une certaine quantité d énergie 1905 : Einstein : «les quantas sont portés par des corpuscules de pure énergie, de masse nulle, et se déplaçant à la vitesse de la lumière» : les photons L énergie d un photon correspondant à une radiation de fréquence (et donc de longueur d onde = ) est donnée par la relation : = = 1913 : Postulat de Bohr : - Les variations d énergie de l atome sont quantifiées Les niveaux d énergie sont quantifiés, l atome ne peut exister que dans certains états d énergie bien définis ; les orbites sur lesquelles gravitent les électrons sont quantifiées 5

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