CHAP VII : PHYSIQUE NUCLEAIRE

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1 1 CHAP VII : PHYSIQUE NUCLEAIRE I- INTRODUCTION ET RAPPEL 2 1) Le noyau 2 2) L'unité de masse atomique: uma 3 II- LE DÉFAUT DE MASSE 3 III- L ÉNERGIE DE LIAISON 3 1) L énergie de liaison par nucléon 4 2) Les réactions nucléaires 5 3) La fusion 5 4) La fission 6 IV- LA RADIOACTIVITÉ 8 1) La désintégration gamma (γ) 8 2) La désintégration bêta (β) 9 3) Les émissions alpha (α) 9 4) Danger des rayonnements 10

2 2 CHAP VII : PHYSIQUE NUCLEAIRE I- Introduction et rappel Les réactions chimiques trouvent leurs origines dans la façon qu a un atome de se lier avec un autre atome. Les acteurs principaux de la chimie sont donc les électrons périphériques car ce sont eux qui «jouent et mettent en scène» ces liaisons. La physique, quant à elle, s intéresse aux compagnes de ces électrons. Souvent discrètes, masquées par un nuage d électrons «vantards et fiers», les particules du noyau (ou nucléon) marquent de leur présence la matière. Le soleil et les étoiles se consument à cause d elles L influence qu elles ont dans l univers n a été reconnu que trop tardivement et actuellement la physique tente de cerner de plus près leurs propriétés. 1) Le noyau Un noyau est constitué de deux types de nucléons, les protons (chargés positivement) et les neutrons (électriquement neutres). Un atome peut être caractérisé par 2 valeurs : Z : représente le nombre atomique, c est- à- dire le nombre de protons. A représente le nombre de masse, c est le nombre de nucléons. A Z donne le nombre de neutrons présent dans le noyau. Exemples : 238 U 92 : 238 nucléons, 92 protons et 146 neutrons 12 6C : 12 nucléons, 6 protons et 6 neutron De manière analogue, on peut décrire ainsi chaque particule : 0 e 1 représente l électron m électron = 0,0005 uma (unité : voir plus loin) 1 0 n représente le neutron m neutron = 1,0087 uma 1 1 H représente le proton m proton = uma Les isotopes d un même élément sont des atomes contenant tous le même nombre de protons (Z) mais ayant un nombre de neutrons différent: U et U 92

3 3 2) L'unité de masse atomique: uma L unité de masse atomique (uma) a été définie de façon arbitraire comme étant 1/12 de la masse de l isotope 12 6 C de l élément carbone. Une mole (6, unités) de cet isotope possède une masse de 12,0000g. Remarque: 1 12, , uma =. = 1, kg 23 Le tableau périodique fournit les masses atomiques moyennes pour chaque élément et tient compte de la proportion des différents isotopes pour un élément particulier: Le carbone 12 6 C (98,89%)et le carbone 13 6 C (1,11%) La masse atomique moyenne du carbone : II- Le défaut de masse (98,89 12, 000) + (1,11.13, 0034) = 12,011 uma 100 La masse du noyau d un atome est toujours inférieure à la somme des masses de tous ses constituants : l hélium 4 2 He m He = 4,0026 uma m constituants = ( 2. 1,0073 ) + ( 2. 1,0087 ) + ( 2. 0,0005 ) = 4,0330 uma Le défaut de masse vaut : 4,0330 4,0026 = 0, 0304 uma (~1%). En négligeant la présence des électrons, on obtient toujours ce même défaut de masse, cette même différence entre la somme des masses des nucléons et celle du noyau. Pour comprendre pourquoi la conservation de la masse n est pas respectée, il faut tenir compte des travaux d Einstein stipulant l équivalence entre masse et énergie : Δ E =Δ mc.² ΔE : Δ m : c : variation d énergie variation de masse vitesse de la lumière III- L énergie de liaison On s aperçoit que le noyau, lors de sa «formation» perd de la masse sous forme d énergie dégagée vers le monde extérieur. Pour casser le noyau d un atome il faudrait dès lors fournir cette même énergie. On appelle énergie de liaison ( E l ) l énergie nécessaire qu il faut fournir pour casser le noyau d un atome. E ² 0, , ,54.10 J 28,3MeV Dans le cas de l hélium: ( ) 2 l =Δ mc = = = Pour une mole d hélium: E l == = , , , J!!!!

4 4 Tableau reprenant les valeurs des énergies libérées au cours de différents processus de formation de liaisons: 1) L énergie de liaison par nucléon Plus le noyau contient de nucléons, plus son énergie de liaison augmente 4 2 He E = 28,3 MeV l He 16 O 8 E 127 l O = MeV 238 U 92 E 1800 l U MeV = : 1800 MeV Cependant, chaque nucléon ne «perd» pas la même masse lorsqu il se lie à d autres pour former un noyau. Selon les atomes, les protons et les neutrons perdent une quantité différente de leur masse lorsqu ils s associent. Pour évaluer la perte de chaque nucléon, on introduit la notion d énergie de liaison par nucléon : E l A Le noyau est d autant plus stable que l énergie de liaison par nucléon est grande. Chaque nucléon perd une partie suffisamment grande de sa masse pour assurer la cohésion du noyau.

5 5 2) Les réactions nucléaires Une réaction nucléaire est un réarrangement du noyau qui accroît sa stabilité. La liaison des nucléons est plus stable et la transformation de leur masse en énergie libérée est encore plus grande. Une réaction nucléaire libère donc de l énergie et l énergie de liaison par nucléon augmente. Cependant il est possible de libérer de l énergie nucléaire de deux façons différentes soit par la fusion ou soit par la fission. (voir graphe ci- dessous) Les atomes de masse «moyenne» ( A 50 uma ) ont la plus grande énergie de liaison par nucléon. Les réactions nucléaires qui forment ces atomes vont libérer et donc fournir de l énergie. 3) La fusion Les noyaux légers vont s assembler et fusionner en un noyau de masse moyenne. 2 1 H H 4 2 He n

6 6 2 1H : hydrogène «lourd» ou deutérium.l hydrogène des molécules d eau des océans contient 0,015% de deutérium (eau lourde). 3 1H : hydrogène «super lourd» ou tritium. Il est créé dans l atmosphère par réaction des neutrons cosmiques sur l azote (obtention de tritium + 3 hélium). Ses proportions dépendent de la latitude et de l activité solaire. (concentration dans l eau de pluie ). Il peut être fabriqué à partir d eau lourde dans les réacteurs nucléaires. Si 2g de deutérium et 3g de tritium fusionnent, ils dégagent 20 fois plus d énergie que la fission de 1g d uranium, soit l équivalent de 50t de charbon. Autres exemples : Les étoiles font des réactions de fusion car leur température atteint les dizaines de millions de degrés (agitation thermique!). Elles donnent naissance aux différents atomes qui sont disséminés ensuite dans l univers à la fin de leur vie. Il est beaucoup plus difficile de réaliser la fusion sur terre et de donner l énergie suffisante aux noyaux pour vaincre leur répulsion électrostatique. L expérience à été réalisée en laboratoire en bombardant des molécules contenant du tritium par des noyaux de deutérium accélérés. Cette solution n est pas rentable économiquement. La bombe H a pour origine la fusion, mais il faut une bombe A pour amorcer celle- ci. Certains ont cru déceler de la fusion dans leurs «éprouvettes» en ayant un milieu chauffé à quelques centaines de degrés (fusion «froide»). Cette expérience n a jamais pu être refaite (manipulations, malhonnêteté, erreurs???). Cela n a pas empêcher Hollywood d en faire un sujet de film («Le Saint» avec Val Kilmer). 4) La fission Les noyaux lourds vont se casser pour former des noyaux de masse moyenne U frappé par un neutron (lent). 1 n U Sr Xe n 0 D autres produits de fission peuvent aussi se former On se rend compte que la perte de masse avoisine 0,1% de celle de l uranium. Un gramme d uranium libère 81 milliard de Joule ( kwh), c est- à- dire l équivalent de 2,5t de charbon. Applications : Tous les réacteurs nucléaires fabriquant de l électricité utilisent la fission. Pour mieux comprendre leur fonctionnement, étudions deux aspects essentiels du processus :

7 7 Un «enrichissement» de l uranium naturel est nécessaire. On ne trouve que 0,7% d'uranium fissile pour 99,3% d'uranium U. Pour assurer un bon fonctionnement des réacteurs, il faut donc augmenter la proportion d uranium fissile jusqu à 3%. Il faut de plus posséder une quantité suffisante d uranium U (masse critique) pour qu au moins un des 3 neutrons émis par une première fission provoque à son tour une réaction de fission. Les neutrons nouvellement libérés pourront à leur tour provoquer d autres réactions. La réaction s entretient toute seule, mais souvent on assiste à un «emballement» de la réaction, on est en présence alors d une réaction en chaîne, réaction explosive (bombe A). Pour contrôler cette réaction, il existe des barres de contrôle que l on place dans le cœur du réacteur afin d absorber (en partie) les neutrons émis. Un modérateur est présent pour ralentir les neutrons émis afin d améliorer la réaction.

8 8 IV- La radioactivité Afin d atteindre une stabilité maximale, certains isotopes (atomes) vont modifier la composition de leur noyau et se transformer, se transmuter ainsi en un autre isotope. Si le nombre de protons présent dans le noyau change, alors le nouvel atome appartient à un autre élément (il change de nom!). La radioactivité représente les diverses émissions produites lors de la transmutation des noyaux. Elle peut être : naturelle lorsque la transformation d un noyau en un autre, avec émissions éventuelles de particules, est spontanée artificielle lorsque la transmutation est provoquée par la collision d une particule incidente (neutron, proton, alpha ). Il est à noter que lors de ces désintégrations radioactives, plusieurs caractéristiques sont conservées : L énergie (y compris celle de masse) La quantité de mouvement et le moment cinétique ou angulaire La charge électrique Le nombre de nucléons 1) La désintégration gamma (γ) Les rayons γ sont des ondes électromagnétiques (voir chapitre des ondes) que l on pourrait apparenter à la lumière visible ou aux rayons X mais possédant une énergie beaucoup plus grande. Ils sont émis quand un noyau effectue une transition d un niveau d énergie plus élevé vers un niveau d énergie plus bas (d'un état excité vers un état non excité) Les demi- vie correspondant aux désintégrations γ sont très brèves ( s)

9 9 2) La désintégration bêta (β) Le noyau éjecte dans ce cas un électron (e - ) ou plus rarement un positron (e + ), son antiparticule. (Des paires particules- antiparticules peuvent s annihiler en émettant un rayonnement gamma au cours d une conversion totale de leur masse en énergie électromagnétique). Les demi- vies sont très longues par rapport à celle observées lors de la désintégration γ ( 1s à quelques années). Les électrons émis peuvent avoir des énergies cinétiques différentes d une fois à l autre. Fermi explique cela par l existence d une autre particule sans masse et sans charge, le neutrino (ν), qui prend une partie de l énergie cinétique chaque fois différente. Le neutrino interagit très faiblement avec la matière et c est pour ça qu il est très difficile à détecter. Il est possible d obtenir deux processus différents dans les noyaux lors de désintégrations β : n p + e - + ν (désintégration β - ) p n + e + + ν (désintégration β + : rare!) Exemple : 3 H 1 3 He 2 + e- + ν On s aperçoit qu un neutron du noyau s est transformé en proton et en électron. 3) Les émissions alpha (α) Lors d une désintégration α, les atomes émettent des noyaux d hélium ( 4 2 He ; 2 charges positives) qui possèdent toujours la même énergie cinétique. Tous les noyaux connus où Z > 83 sont considérés comme instables. On rencontre la désintégration α principalement dans les noyaux lourds instables et ceux qui ne subissent pas de désintégration β se transforment par désintégration α (avec des temps de demi- vie 10-3 s à ans).

10 Ra Rn He 4) Danger des rayonnements Le danger de ces rayonnements dépend essentiellement du pouvoir ionisant de chacun d eux et non pas de leur propre énergie. Les rayons α sont les plus ionisants ( paires d ions / cm dans l air) et cependant ils perdent assez vite leur énergie car ils provoquent énormément de collisions. 4cm d air ou une feuille de papier peut les arrêter. Les rayons β ont un pouvoir d ionisation plus faible ( paires d ions / cm dans l air) et sont donc plus pénétrant. Ils sont arrêtés par 2 mm d aluminium. Les rayons γ sont encore plus pénétrants. 90% des rayons γ sont arrêtés par 2,8 cm de plomb ou encore 1m de béton. Pour une énergie initiale équivalente (1MeV) le parcourt des différentes particules dans l eau est de : 0,1 mm pour les particules α 4 mm pour les particules β 10 cm pour le rayonnement γ

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