Chapitre 5 Noyau, masse et énergie DM4 1. Aspect énergétique des réactions nucléaires 2. Stabilité des noyaux 3. Fission 4.Fusion Découvrez E = mc² et apprenez à vous dépatouiller avec les énergies de masse, les énergies de réaction, les énergies de liaison et les énergies de liaison par nucléon... Découvrez les réaction nucléaires provoquées (contrairement aux désintégrations radioactives) et leurs applications. 1. Aspect énergétique des réactions nucléaires 1.1 Energie libérée par une désintégration radioactive Le Radium 226 est initialement au repos. Après désintégration, le noyau-fils de radon 222 et la particule α sont en mouvement et de l'énergie rayonnante γ est dégagée. Quelle est l'origine de cette origine libérée (cinétique et rayonnante)? Masse avant > Masse après 225,9770 u 225,9718 u 1 u = 1,66054.10-27 kg Constat:
1.2 Perte de masse Le résultat précédent est général: dans toute réaction nucléaire, la masse des noyaux après la réaction est inférieure à la masse des noyaux avant la réaction. Perte de masse : Différence entre la masse totale m av avant la réaction et la masse totale m ap après la réaction. Elle est toujours positive. 1.3 Relation d'einstein (1905) et énergie de réaction Toute particule de masse m possède, au repos, une énergie de masse E 0 donnée par la relatione 0 = mc² avec c la célérité de la lumière dans le vide. Ainsi, c'est la perte de masse qui est à l'origine de l'énergie libérée par une réaction nucléaire. Energie de réaction ΔE : Différence entre l'énergie de masse après la réaction et l'énergie de masse avant la réaction. E=E 0après E 0avant =E produits E réactifs Cette grandeur est algébrique (peut être positive, négative ou nulle): ΔE<0 (ce qui est le cas de toutes les réactions nucléaires), réaction exothermique (de l'énergie est dégagée par la réaction, sous forme cinétique et rayonnante). Les exercices demandent souvent de calculer l'énergie dégagée par la réaction. Notons la Q. A ce moment-là: Energie dégagée Q= E=E 0avant E 0après =E réactifs E produits ΔE>0 : réaction endothermique (nécéssite un apport d'énergie pour se produire). ΔE=0 : réaction athermique 1.4 Unités de masse et d'énergie 1 u = 1,66054.10-27 kg 1 ev = 1,60.10-19 J 1 MeV = 10 6 ev Ces valeurs sont toujours données dans les exercices. Calculez l'énergie au repos E 0 d'un électron de masse 0,000548576 u, d'un proton de masse 1,007270023 u et d'un neutron de masse 1,008665842 u. On donne c = 2,998.10 8 m/s
2. Stabilité des noyaux 2.1 Défaut de masse d'un noyau Prenons l'exemple du noyau d'hélium 4, composé de deux protons et de deux neutrons. Voici le résultat surprenant que l'on observerait si on pesait successivement le noyau d'hélium («pièces assemblées») et les nucléons séparés («pièces détachées»): Phénomène mis en évidence par Henri Becquerel en 1896 par hasard alors qu'il travaillait sur des expériences de fluorescence. Noyau radioactif : noyau énergétiquement instable. Un noyau radioactif (noyau-père) va spontanément se désintégrer pour donner un noyau plus stable (noyau-fils) et d'éventuelles particules ou rayonnements. Il existe 4 sortes de radioactivités, selon les particules ou rayonnements émis, que l'on peut déceler à l'aide d'un appareil de mesure appelé Compteur-Geiger: On remarque que la masse des constituants est plus élevée que la masse du noyau. Ce résultat est généralisable à tout noyau Z A X Défaut de masse Δm : différence entre la masse des nucléons séparés et la masse du noyau. Valeur toujours positive. m=[z.m p A Z. m n ] m Z A X 2.2 Energie de liaison d'un noyau Energie de liaison E l : énergie qu'il faut fournir à un noyau au repos pour le dissocier en nucléons isolés et immobiles dans le même référentiel. E l = m.c 2 Lien entre ΔE et E l (démonstration mathématique) Soit la réaction nucléaire 226 88 Ra 222 86 Rn 4 2 He Que vaut l'énergie de réaction ΔE? E=E 222 86 Rn E 4 2 He E 88 226 Ra E=86 m p 136 m n E l 222 86 Rn 2 m p 2 m n E l 4 2 He 88 m p 138m n E l 88 E=E l 226 88 Ra E l 222 86 Rn E l 4 2 He Ce résultat est généralisable à toutes les réactions nucléaires: 226 Ra
E=E produits E réactifs =E l réactifs E l produits ou Energie dégagée Q= E=E réactifs E produits =E l produits E l réactifs remarque importante: un nucléon isolé n'a pas d'énergie de liaison!!! 2.3 Courbe d'aston (Prix Nobel de chimie en 1922) Energie de liaison par nucléon E l /A: Rapport de l'énergie de liaison d'un noyau par le nombre de nucléons qu'il contient. Pratique pour comparer la stabilité de noyaux entre eux. Radioactivité β + et β - : lors de telles désintégrations, sont émises respectivement un position (positron) ou un électron, en plus du noyau fils. Les noyaux stables sont ceux qui possèdent l'énergie de liaison par nucléon maximale. On voit sur le schéma que les réactions non spontanées de fusion et de fission permettent d'obtenir des noyaux stables.
3. Fission nucléaire Fission nucléaire: réaction nucléaire non spontanée permettant, à partir d'un noyau-père lourd (grand nombre de nucléons), d'obtenir des noyaux-fils plus légers. Ce type de réaction libère beaucoup d'énergie. Exemple important: fission de l'uranium écrivez l'équation de cette réaction 4. Fusion nucléaire Fusion nucléaire: union de pluiseurs noyaux légers en un plus lourd avec éventuellement éjection de particules. Ce type de réaction libère beaucoup d'énergie. Exemple important: fusion du deutérium et du tritium écrivez l'équation de cette réaction