Physique 2 DF E=mc 2. Jean- Bap;ste Deschamps

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1 Physique 2 DF E=mc 2 Jean- Bap;ste Deschamps

2 Einstein Albert Einstein (en allemand : né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey est un physicien théoricien qui fut successivement allemand, apatride (1896), suisse (1901) et sous la double na;onalité helvé;co- américaine (1940)1. Il publie sa théorie de la rela;vité restreinte en 1905, et sa théorie de la gravita;on dite rela;vité générale en Il contribue largement au développement de la mécanique quan;que et de la cosmologie, et reçoit le prix Nobel de physique de 1921 pour son explica;on de l effet photoélectrique. Son travail est notamment connu du grand public pour l équa;on E=mc 2, qui établit une équivalence entre la ma;ère et l énergie d un système. Il est aujourd'hui considéré comme l'un des plus grands scien;fiques de l'histoire, et sa renommée dépasse largement le milieu scien;fique. Il est la personnalité du xxe siècle selon l'hebdomadaire Time.

3 Défini;on Energie: E / Unité: J On peut décrire l'énergie comme une quan;té associée à un système, et qui se définit comme somme des énergies associées aux différents aspects de ce système (sa forme, sa vitesse, sa posi;on, sa composi;on...). L'énergie peut être stockée sous différentes formes et être véhiculée d'un système à l'autre ou conver;e d'une forme à l'autre de différentes manières. Une propriété fondamentale de l'énergie est qu'elle se conserve

4 Défini;on Masse: m / unité : kg Quan;té de ma;ère qui compose en corps La masse d'un objet mesure simplement la quan;té de ma;ère contenue dans cet objet c'est à dire la masse des par;cules qui cons;tuent cet objet (atomes ou molécules) Cehe quan;té de ma;ère (donc la masse) sera la même quel que soit l'endroit où se trouve l'objet dans l'univers. L'unité de masse est le kilogramme (kg)

5 Défini;on Célérité de la lumière: c / unité: m/s la vitesse de la lumière dans le vide est actuellement égale à ,458 km par seconde. On désigne généralement par c, la vitesse de propaga;on de la lumière. On admehra comme valeur de la vitesse de propaga;on de la lumière dans le vide : c = km/s ou : c = m.s- 1 La lumière émise par le Soleil met environ 8 minutes pour nous parvenir. Si le Soleil s'arrêtait de briller, on ne s'en apercevrait que 8 minutes après!

6 L électron- volt L'électron- volt (ev) est l'unité d'énergie u;lisée en physique des par;cules 1eV=1, J, c'est donc une unité très faible. Les mul;ples sont le kev=10 3 ev, le MeV=10 6 ev, le GeV=10 9 ev. Exemple: La masse de l'électron de 9, kg correspond à une énergie de 0,511MeV

7 La ma;ére

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13 Les cons;tuants de la ma;ère

14 La ma;ère

15 La nota;on atomique

16 La nota;on atomique

17 Les par;cules de ma;ère

18 La force de gravité Ø Découverte: Iden;fié par Isaac Newton au XVII ème siècle Ø Portée: infinie Ø Intensité: Ø Responsable de la structure générale de l univers Ø Exemple: Pomme qui tombe d un arbre

19 La force électromagné;que Ø Découverte: par le physicien anglais James Maxwell (1860) Ø Portée: Infinie Ø Intensité: 10-2 Ø Responsable de l'électricité, du magné;sme, de la lumière ou encore des réac;ons chimiques et biologiques Ø Exemple: la chaine d ADN qui permet le vie

20 La force nucléaire forte Ø Découverte: ( ), lié à la découverte de la composi;on des protons et neutrons (quarks) Ø Portée: m (rayon du noyau atomique) Ø Intensité: 1 Ø Responsable de la cohésion des noyaux atomiques Ø Exemple: réac;on nucléaire

21 La force nucléaire faible Ø Découverte: ( ), lié à la découverte de la composi;on des protons et neutrons (quarks) Ø Portée: m Ø Intensité: 10-6 Ø Permet aux neutrons de se transformer en protons Ø Exemple: désintégra;on radioac;ve β (Béta)

22 Résumé sur les forces fondamentales

23 Réac;on chimique et perte de masse? Einstein et lavoisier Equa;on de la réac;on de combus;on du dihydrogène dans le dioxygène : 2 H 2 + O 2 - > 2 H 2 O Lavoisier concluait qu il y avait conserva;on de la masse : 4 g de dihydrogène brûlent dans 32 g de dioxygène pour donner 36 g d eau. Mais cehe réac;on est explosive et libère une énergie de 500 kj (pour la combus;on des 4 g de dihydrogène). a) Connaissant la valeur de l énergie libérée par cehe réac;on, calculer la perte de masse (en kg) en u;lisant la rela;on d Einstein. b) La loi de Lavoisier (selon laquelle la masse des produits obtenus à l issue d une réac;on chimique est égale à la masse des réac;fs ini;aux) est- elle remise en cause?

24 Réac;on nucléaire et perte de masse? Sachant que la fission d un atome d uranium 235 (de masse m = 3, kg) libère, en moyenne, une énergie de 200 MeV, vérifier la valeur J qui correspond à l énergie libérée par la fission d un gramme d uranium MeV = 1, J

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26 Défaut de masse et énergie de liaison La masse d un noyau est toujours inférieure à la somme des masses des nucléons qui le compose. Ce défaut de masse est noté Δm et se calcule comme suit pour un noyau (A, Z) : Δm = Z * m Proton + (A- Z) * m Neutron - m NOYAU > 0 L'énergie de liaison correspond à l énergie qu il faut fournir à un noyau au repos pour le dissocier en nucléons isolés et immobiles. Cehe énergie de liaison s'exprime en fonc;on du défaut de masse : E l = Δm * c 2

27 Exercice énergie de liaison: Calculez l'énergie de liaison d'un noyau d'hélium: On donne : m Proton = * kg ; m Neutron = * kg; m He = * kg

28 Correc;on exercice 4 Exemple : Calculez l'énergie de liaison d'un noyau d'hélium : On calcule d'abord le défaut de masse : Δm = 2 * m P + 2 * m N - m He = * kg Puis l'énergie de liaison : E l = Δm * c 2 = * * (3.0 * 10 8 ) 2 = 4.6 * J

29 Les différentes applica;ons Fission nucléaire : réacteur nucléaire Fusion nucléaire : Soleil et Bombe H Tomographie par émission de positon (TEP)

30 La fission

31 La fission

32 La fission

33 La fission

34 La fission

35 La Fission Calcul de l'énergie libérée par la fission nucléaire : Soit l'équa;on de fission de l'uranium 235 Calculez l'énergie libérée par cehe fission : (On prendra 1 u = kg) (u: unité de masse atomique) Sr: Stron;um Xe: xénon

36 E = 184 MeV Correc;on

37 La fusion

38 Exercice Fusion On considère la réac;on de fusion entre un noyau de deutérium et un noyau de tri;um : Calculez l'énergie libérée par cehe fission :

39 Correc;on exercice fusion ΔE (en MeV) = Δm (en u) * = ( ) * 931,5 = MeV

40 Le soleil: Réac;on thermonucléaire La source d énergie du Soleil resta un mystère jusqu au début des années 1930, lorsque sa nature fut enfin dévoilée : des réac;ons nucléaires se produisant au centre de notre étoile. Le Soleil est un énorme réacteur thermonucléaire auto- entretenu. Pour l'instant, aucune dérive n'est à craindre, cehe réac;on explosive est contenue par la force gravita;onnelle. Au cœur de la fournaise des étoiles, où la température aheint plusieurs millions de degrés des noyaux d'hydrogène ( 1 proton ) et d'hélium ( 2 protons, 2 neutrons ) fusionnent alors pour former des noyaux plus lourds. C'est ainsi qu'en transformant une frac;on de sa masse, le Soleil entre;en sa produc;on d'énergie, qui lui permehra de briller pendant plus de 10 milliards d'années. hhp://

41 Comparaison fusion et fission Calculez l'énergie libérée par nucléon pour cehe fission : Pour réaliser cehe fission donc libérer cehe énergie, 236 nucléons sont nécessaires, donc : ΔE /nucléon = - 184,7 / 236 = MeV / nucléon Calculez l'énergie libérée par nucléon pour cehe fusion : Pour réaliser cehe fusion donc libérer cehe énergie, 5 nucléons sont nécessaires, donc : ΔE /nucléon = / 5 = MeV / nucléon

42 Avantage fusion On voit que par nucléon, la fusion produit bien plus d énergie que la fission. L approvisionnement en hydrogène (donc en deutérium et tri;um) se fait aisément (eau), et la fusion n engendre pas de déchets radioac@fs. Les recherches s orientent donc vers ceae réac@on nucléaire, le but étant la produc;on d énergie.

43 Varia;on rela;ve de la masse Varia;on rela;ve de la masse : Δm / m Δm : perte de masse m : masse des réactants

44 Exercice varia;on rela;ve de la masse Fission: Δm / m = / = Fusion : Δm / m = / = Réac;on chimique: Δm / m = 5 x 10-9 g/ 36g = 1.39 x 10-10

45 Annihila;on de la ma;ère

46 Annihila;on de la ma;ère En effet, quand une par;cule de ma;ère rencontre son an;- par;cule, elles s annihilent et provoquent une réac@on très énergé@que qui transforme cehe ma;ère en énergie pure : des photons. Cehe réac;on d annihila;on est si puissante que si deux pièces de monnaie, l une de ma;ère et l autre d an;- ma;ère se touchaient, alors l énergie libérée serait suffisante pour couvrir les besoins énergique de toute la France durant une demi- journée.

47 Annihila;on de la ma;ère L an;- ma;ère est très difficile à obtenir : il suffit qu une par@cule d an@- ma@ère rencontre une par@cule de ma@ère pour que les deux disparaissent dans une explosion. Et par «ma;ère» on peut sous entendre n importe quoi. Si l on stockait l an;- ma;ère dans un bocal, cela créerait une explosion immédiatement puisque le bocal est cons;tué de ma;ère! Alors, pour stocker l an;- ma;ère, on u;lise des «capsules» de vide avec des électro- aimants pour les maintenir éloignés des parois.

48 Tomographie par émission de positron (TEP)

49 Tomographie par émission de positron (TEP) hhp://rayons- sante.com/rayonnements- sante/l- imagerie- medicale/ar;cle/la- tep- tomographie- par- emission- de

50 Tomographie par émission de positon (TEP) On u;lise comme marqueur radioac;f des radioéléments comme le fluor 18, émeheurs d'électrons posi;fs ou positons Après un court parcours, les positons disparaissent en émehant deux rayons gammas (photons) La détec;on simultanée des deux gamma permet de localiser la zone d'émission qui est proche de celle où l'atome s'est fixé. C est une réac;on qui transforme toute la masse présente ini;alement en énergie!