SPH3U ÉDITION 2010 Physique
Guide pédagogique Le présent guide sert de complément à la série d émissions intitulée, produite par TFO, l Office de la télévision éducative de langue française de l Ontario. Pour connaître les dates de diffusion, veuillez consulter le site tfo.org/diffusion. Les écoles de langue française en Ontario ainsi que les écoles des conseils scolaires qui sont abonnés au service d accès en ligne de TFO peuvent visionner la série d émissions sur le site tfo.org/ressources. Édition 2010 Révision du guide Richard Martel Version originale Rédacteurs : George Laundry Traduction : Compagnie de traduction universelle, Montréal La série, version française Responsable de projet : Annette Lalonde Conseiller pédagogique : Paul Denis Pour obtenir des copies des émissions de la série : Vous pouvez enregistrer les émissions lors de leur diffusion sur les ondes de TFO; Consultez le site tfo.org/diffusion pour connaître la date de la prochaine diffusion ou téléphonez au 1.800.387.8435, poste 2388 pour une diffusion spéciale; Les écoles de langue française de l Ontario peuvent visionner les émissions de cette série directement sur le site web tfo.org/ressources. Les écoles des Conseils scolaires qui se sont abonnés au service d accès en ligne de TFO peuvent aussi y accéder par ce site. Pour obtenir des exemplaires supplémentaires de ce guide : Vous pouvez l imprimer à partir du site tfo.org/guides; Vous avez le droit d en faire des photocopies à volonté.; Vous pouvez l acheter auprès du Centre franco-ontarien de ressources pédagogiques à Ottawa en appelant au 1.877.742.3677, poste 228 (Ontario) ou au 1.877.747.8003, poste 228 (Canada). Renseignements : tfoliaison@tfo.org TFO tient à remercier le Secrétariat d État de sa participation financière à la réalisation de ce projet. L Office des télécommunications éducatives de langue française de l Ontario, janvier 2010
Table des matières 4 4 5 10 15 21 25 28 Introduction Dates importantes de l histoire de l énergie nucléaire Émission 1 : La découverte de la radioactivité (320901) Émission 2 : Les propriétés des rayons de Becquerel (320902) Émission 3 : Les transmutations naturelles (320903) Émission 4 : L énergie provenant du noyau (320904) Émission 5 : La fission nucléaire productrice d énergie électrique (320905) Émission 6 : Les sous-produits nucléaires (320906)
Introduction Le présent guide consacre un chapitre à chacune des six émissions de la série Physique nucléaire. Chaque chapitre comporte les sept sections suivantes : Description du contenu de l émission Lien au programme-cadre de Sciences de l Ontario (2007) Objectifs de l émission Questions et exercices préparatoires Sujets de discussion Mots-clés Autres activités La section Questions et exercices préparatoires regroupe des questions qui visent à orienter l attention de l élève et à susciter des réactions de sa part lorsque l émission est en cours. Par ailleurs, la durée des émissions permet éventuellement une deuxième présentation. La section Sujets de discussion vise à approfondir certains aspects importants de chaque émission. La section Autres activités comporte des renseignements ou des questions portant sur des idées importantes de l émission ou sur des sujets connexes. Les activités en question peuvent prendre la forme d un débat dirigé ou de travaux de recherche ou d analyses approfondies. Dates importantes de l histoire de l énergie nucléaire 1895 Röntgen découvre les rayons X. 1896 Becquerel découvre la radioactivité naturelle. 1897 J. J. Thomson découvre l électron. 1898 Pierre et Marie Curie isolent le polonium et le radium à partir de la pechblende. 1899 Rutherford démontre que la radioactivité comporte des rayons alpha et bêta. 1900 Villard découvre les rayons gamma. 1904 Rutherford et Soddy décrivent la désintégration radioactive comme étant la transmutation d un élément en un autre. 1909 Rutherford et Royds démontrent que la particule alpha est de l hélium ionisé. 1911 Wilson invente la chambre à condensation qui portera son nom. 1913 Soddy introduit la notion d isotope. 1919 Aston invente le spectroscope de masse. 1919 Rutherford démontre la faisabilité de la transmutation artificielle. 1919 Rutherford isole le proton. 1932 Chadwick découvre le neutron. 1942 Fermi réalise la première réaction en chaîne contrôlée. 1951 Première production d électricité par fission nucléaire.
Émission 1 : La découverte de la radioactivité Description de l émission Cette émission présente par ordre chronologique les découvertes scientifiques et le cheminement des idées portant sur la radioactivité. L étude de la nature des rayons cathodiques par William Crookes et d autres scientifiques, entraînera la découverte presque fortuite des rayons X par Röntgen. À première vue, les rayons X semblaient différents des rayons cathodiques, bien que ces derniers paraissaient en être la cause. Les rayons cathodiques étant déviés par des champs électriques ou magnétiques, ils doivent forcément être porteurs d une charge électrique. Or, les rayons X ne subissent pas de déviation. Peu de temps après la découverte des rayons X, Henri Becquerel découvrit des rayons semblables, provenant de fragments de roche. Ces rayons semblaient émaner d une source quelconque à l intérieur des fragments et pénétrer la matière, mais aucun type de traitement (élévation de la température, martèlement, etc.) ne modifiait le taux de rayonnement. À la différence des rayons X, les rayons de Becquerel ne peuvent pas être libérés ou supprimés à volonté, mais comme les rayons X, ils déchargent des électroscopes. Lien au programme-cadre de Sciences de l Ontario Cette émission est préparatoire aux cinq autres émissions de cette série. Elle propose une revue des évènements qui ont mené à la découverte de la radioactivité. Elle n est pas en lien direct avec les attentes du programme-cadre. 5 Émission 1 : La découverte de la radioactivité
Objectifs Après avoir visionné l émission, l élève doit être en mesure de : 1. définir ou d expliquer définir le mot «radioactivité»; 2. démontrer que nous sommes constamment exposés à la radioactivité naturelle; 3. faire l historique de la découverte des rayons cathodiques et des rayons X (ou rayons Röntgen); 4. décrire la découverte par Becquerel d une «nouvelle» source de rayonnement; 5. différencier les caractéristiques des rayons nucléaires et des rayons X. Questions et exercices préparatoires Les particules alpha et bêta, par exemple, ne peuvent pas être observées directement, bien que les effets de leurs présences puissent être relevés au moyen de divers appareils. Les scientifiques doivent alors déduire la nature de ces particules à partir des indications ainsi obtenues. Ces mêmes déductions servent également d assise à l élaboration de théories. C est ainsi que nous pouvons affirmer, par exemple, qu une particule alpha est en réalité un noyau d hélium, et ce, en dépit du fait que ce noyau n a jamais été observé directement. Avant le visionnement de l émission Établir avec les élèves une distinction entre théorie et observation pour leur permettre de mieux comprendre la démarche des scientifiques et à apprécier davantage leur génie et leur engagement. À titre d exercice, faites lire des énoncés qui suivent. Les élèves devront déterminer si les énoncés en question relèvent de la déduction ou de l observation et, dans le cas d un énoncé déductif, indiquer l observation qui le sous-tend. a) Les rayons nucléaires provoquent l ionisation de l air qu ils traversent. b) Le combustible à base d uranium est plus radioactif avant qu après son utilisation. c) L atome d uranium donne lieu au phénomène de la fission nucléaire. d) Toute matière est composée d atomes. e) Les particules alpha subissent une déviation dans un champ magnétique. f) La majeure partie de la matière est en réalité du vide. 6 Émission 1 : La découverte de la radioactivité
Pendant le visionnement de l émission Demander aux élèves de lire les questions qui suivent avant de visionner l émission, afin d y réfléchir lorsque celle-ci est en cours et d y répondre une fois l émission terminée. Il peut être nécessaire de présenter l émission une deuxième fois. 1. Depuis quand la radioactivité existe-t-elle? 2 À qui doit-on la découverte des rayons cathodiques? 3. Et celle des rayons X? 4. Comment a-t-on déterminé que les rayons X n étaient pas des particules chargées? 5. Comment les rayons de Becquerel prennent-ils naissance? 6. Quel est l effet de la chaleur sur les rayons de Becquerel? 7. À qui doit-on la découverte de la radioactivité? 8. Nommez deux éléments radioactifs. Après le visionnement Les sujets de discussion suivants peuvent consolider la compréhension : 1. Quelles craintes éprouve-t-on au sujet de la radioactivité? Selon vous, pourquoi éprouve-t-on ces craintes? 2. Les êtres humains sont exposés à la radioactivité depuis toujours. Quelles sont les principales sources de cette radioactivité? 3. Décrivez brièvement la découverte de la radioactivité naturelle. 4. Comment peut-on savoir si un corps quelconque est radioactif alors que nous ne sommes pas en mesure de voir le phénomène de la radioactivité? Nommez deux ou trois moyens qui permettent de détecter la radioactivité. 5. Quel(s) essai(s) pourra-t-on effectuer pour savoir si des rayons possèdent une charge électrique? 7 Émission 1 : La découverte de la radioactivité
Mots-clés Rayonnement Émission uniforme d énergie dans toutes les directions. Une ampoule électrique allumée, par exemple, rayonne son énergie (chaleur et lumière) de façon uniforme dans tous les sens. Rayons cathodiques Particules possédant une charge négative et se déplaçant à haute vitesse (électrons). Les tubes de Crookes et les tubes-images des téléviseurs renferment ce genre de rayons. Rayons X Énergie électromagnétique sous forme de particules se déplaçant à la vitesse de la lumière. Souvent, des rayons X sont produits par l arrêt brusque de rayons cathodiques (électrons se déplaçant à haute vitesse). Rayons de Becquerel Forme d énergie provenant de certaines roches. L émission de ces rayons est spontanée et uniforme dans toutes les directions. À l instar des rayons X, les rayons de Becquerel peuvent décharger les électroscopes et impressionner les pellicules photographiques. Quelque temps après leur découverte, on démontra que les rayons de Becquerel existaient sous trois formes différentes qu on appela respectivement rayons alpha, rayons bêta et rayons gamma. Radioactivité Processus au cours duquel de l énergie sous forme de «rayons de Becquerel» est émise spontanément par certaines matières. La «radioactivité» doit être distinguée du «rayonnement», même s il existe des similitudes de sens entre ces deux termes. 8 Émission 1 : La découverte de la radioactivité
Autres activités 1. Faites une recherche pour comparer les propriétés de rayons cathodiques et des rayons X. Comportement dans un champ magnétique Comportement dans un champ électrique Pouvoir de pénétration Rayons cathodiques Rayons X 2. a) Installez un compteur Geiger et mesurez pendant une minute le rayonnement naturel ambiant présent dans la classe. Faites plusieurs relevés durant un cours et notez chaque fois les valeurs obtenues. Répétez l exercice plusieurs jours de suite et établissez ensuite la valeur moyenne. Le rayonnement naturel ambiant est dû principalement aux rayons cosmiques. Cependant, une partie de ce type de rayonnement est attribuable à la radioactivité naturelle. Le but de cet exercice est de confirmer que nous sommes constamment exposés aux rayonnements provenant d un grand nombre de sources «ordinaires». b) Mesurez la radioactivité d échantillons de roches, d une vieille montre à cadran lumineux, de blocs de ciment et d autres matières. c) Placez un filtre en papier dans un aspirateur puissant et faites-le fonctionner pendant 15 à 30 minutes dans un endroit poussiéreux. Vérifiez ensuite si la poussière ainsi recueillie est radioactive. 3. Si vous disposez d une source fortement radioactive, approchez-la des feuilles ou de la boule d un électroscope chargé et observez la vitesse de décharge sur l appareil. Il faut souligner l importance de la manipulation sécuritaire des matières radioactives, et montrer comment cette manipulation doit se faire. 9 Émission 1 : La découverte de la radioactivité
Émission 2 : Les propriétés des rayons de Becquerel Description de l émission Cette émission porte sur les nombreux évènements qui marquèrent le monde scientifique après la découverte, en 1896, de l existence du rayonnement nucléaire. Pierre et Marie Curie mirent au point notamment un appareil permettant de mesurer l intensité de la radioactivité. Ernest Rutherford et Paul Villard montrèrent que les rayons de Becquerel existaient en fait sous trois formes différentes, qu on appela «alpha», «bêta» et «gamma». Deux nouvelles inventions, la chambre à condensation de Charles Wilson et le compteur de Hans Geiger, permirent de voir clairement que les rayons modifiaient les matières qu ils traversaient. Mais ces rayons avaient-ils aussi un effet sur la matière qui les émettait? Si oui, quel était cet effet? Les réponses à ce genre de questions furent à l origine de nouvelles hypothèses au sujet des phénomènes qui ont lieu à l intérieur du minuscule fragment de matière qu on appelle atome. Lien au programme-cadre de Sciences de l Ontario SPH3U Unité : Énergies thermique et nucléaire Attente À la fin du cours, l élève doit pouvoir : Expliquer les principes scientifiques sous-jacents aux transferts thermiques et à l énergie nucléaire. Contenu d apprentissage Compréhension et interprétations des concepts Distinguer les trois types de désintégration nucléaire (alpha, bêta, gamma) ainsi que les effets de leurs rayonnements et préciser les mesures de radioprotection nécessaires pour chaque type. 10 Émission 2 : Les propriétés des rayons de Becquerel
Objectifs Après avoir visionné l émission, l élève doit être en mesure de : 1. décrire l effet de la radioactivité sur les molécules d air; 2. décrire le fonctionnement d un appareil mis au point par Pierre et Marie Curie et servant à mesurer l intensité de la radioactivité; 3. expliquer comment un champ magnétique peut servir à déterminer la nature de la charge électrique d une particule en mouvement; 4. décrire l expérience qui convainquit Rutherford que le rayonnement nucléaire existait sous deux formes différentes (rayons alpha et bêta); 5. distinguer les rayons alpha et bêta quand à leur masse et à leur charge électrique; 6. énoncer les propriétés connues des rayons gamma; 7. expliquer la fonction d une chambre de Wilson. Questions et exercices préparatoires Lire les questions suivantes avant de visionner l émission afin de pouvoir y réfléchir lorsque celle-ci est en cours et d y répondre une fois l émission terminée. Cela peut être nécessaire de présenter l émission une deuxième fois. 1. Comment a-t-on démontré que les rayons de Becquerel ionisent l air? 2. Qui réalisa le premier appareil permettant de mesurer l intensité d une source radioactive? 3. Rutherford découvrit deux formes de rayonnement nucléaire. Lesquelles? 4. Lesquels de ces rayons possèdent le plus grand pouvoir de pénétration? 5. Villard démontra l existence d une troisième forme de rayonnement nucléaire. Comment a-t-il nommé cette forme? 6. Que s avéra être la particule bêta? 7. Et la particule alpha? 8. Une particule alpha possède une masse de combien de fois supérieure à celle d une particule bêta? 9. Sous quelle forme les rayons alpha apparaissent-ils dans une chambre de Wilson? 11 Émission 2 : Les propriétés des rayons de Becquerel
Sujets de discussion 1. a) Décrivez l expérience à laquelle eut recours Rutherford afin de démontrer qu il existait au moins deux types de rayons de Becquerel. b) Décrivez l expérience à laquelle eut recours Villard afin de démontrer qu il existait au moins trois types de rayons de Becquerel. 2. Complétez le tableau ci-dessous en comparant les caractéristiques des trois formes de rayonnement nucléaire. Pouvoir de pénétration Comportement dans un champ électrique Comportement dans un champ magnétique Masse Charge électrique Nom du scientifique qui a décelé ce rayonnement 3. Quel est le fonctionnement d une chambre de Wilson? 4. Que s avéra être la particule alpha? Et la particule bêta? Mots-clés Ionisation Quand un ou plusieurs électrons sont éjectés d un atome neutre, celui-ci devient un ion positif. À l inverse, si un atome neutre acquiert un ou plusieurs électrons, il deviendra un ion négatif. Chambre de Wilson Dispositif mis au point par Charles Wilson, qui permet de voir les «traces» laissées par le flux des rayons invisibles alpha et bêta ou par toute autre particule chargée. Un peu comme les avions qui volent à une trop grande altitude pour être vus à l œil nu mais dont des traînées de vapeur trahissent la présence, les particules chargées invisibles laissent sur leur passage des traces de vapeur. Lorsque les particules alpha et bêta traversent la chambre de Wilson, elles ionisent l air qui les entoure. Les ions ainsi produits jouent le rôle de «germes» de condensation qui transforment la vapeur d eau ou d alcool dans la chambre en des gouttelettes que l œil peut détecter. Rayons gamma Rayons d une très grande énergie, supérieure à celle des rayons X, et électriquement neutre. 12 Émission 2 : Les propriétés des rayons de Becquerel
Autres activités 1. Expliquer comment Rutherford réussit enfin à emprisonner et à identifier des particules alpha à partir du radon, gaz qui émet ce genre de corpuscules. Rutherford remplit de radon un tube de verre à paroi très mince (A) qu il inséra dans un deuxième tube de verre à paroi épaisse (B). Les particules alpha émises par le radon traversèrent la paroi du premier tube mais non celle plus épaisse du deuxième, dans lequel elles étaient ainsi emprisonnées. Après plusieurs jours, Rutherford envoya une décharge électrique dans le tube B et observa la lueur qui en résulta à l aide d un spectroscope. Il vit alors un spectre semblable à celui de l hélium et considéra cette observation comme une preuve concluante que la présence d atomes d hélium était due à l arrivée des particules alpha dans le tube B. Cet essai fut appelé «expérience de la souricière». Électrodes B A Tube à paroi mince Tube à vide Mercure Radium Figure 1 13 Émission 2 : Les propriétés des rayons de Becquerel
2. En étudiant la pénétration de la matière par le rayonnement nucléaire, Rutherford s aperçut que l activité des rayons diminuait à mesure qu on augmentait l épaisseur de la matière placée entre la source radioactive et un détecteur. Les données recueillies donnèrent un graphique semblable à celui représenté ci-dessous. Activité 1 2 3 4 5 6 7 8 Nombre de feuilles d aluminium Figure 2 D après l aspect de cette courbe, Rutherford conclut qu il existait au moins deux sortes de rayons de Becquerel, dont l une pouvait être arrêtée par quatre feuilles d aluminium superposées, alors que l autre parvenait à traverser des feuilles supplémentaires. Il appela «rayons alpha» le rayonnement peu pénétrant, et «rayons bêta» l autre rayonnement plus pénétrant. 3. Montrer le fonctionnement d une chambre de Wilson en utilisant des sources radioactives diverses. 4. Si vous disposez de sources de rayons alpha, bête et gamma, faites la démonstration du pouvoir de pénétration de chaque type de rayons à travers différentes matières. 14 Émission 2 : Les propriétés des rayons de Becquerel
Émission 3 : Les transmutations naturelles Description de l émission Cette émission traite de la façon dont la radioactivité modifie la matière. Rutherford et Soddy se doutaient que la matière a subi un changement et jugeaient que celui-ci avait lieu dans une partie de l atome qu on appelle aujourd hui «noyau», et que son résultat était un «atome» d un élément différent. Ils appelèrent ce changement transmutation. Même si la structure du noyau n était pas encore entièrement connue avant le début des années 1930, il serait devenu évident à cette époque qu il aurait fallu revoir en grande partie la façon dont on aurait conçu la structure de la matière. Par exemple, l idée selon laquelle tous les atomes d un élément étaient identiques dut être rejetée après la découverte des isotopes. En outre, certains isotopes qui avaient été identifiés semblaient être le résultat de phénomènes radioactifs comme la désintégration alpha et la désintégration bêta. En effet, lorsqu un atome était touché par ce genre de phénomène, il n occupait plus la même position dans la classification périodique des éléments. Le nombre de particules alpha et bêta émises par un échantillon radioactif quelconque semblait diminuer avec le temps; on créa donc la notion de demi-vie, c est-à-dire le temps qui doit s écouler avant que l activité d un corps radioactif ait diminué de moitié. Cette notion peut être représentée par la courbe d un graphique sur lequel chaque valeur indiquée après un même laps de temps est égale à la moitié de la valeur précédente. Cependant, aucune des nouvelles découvertes résultant de l étude des phénomènes radioactifs ne permit d éclaircir, même en partie, le mystère entourant l origine des grandes quantités d énergie que libère la radioactivité. Lien au programme-cadre de Sciences de l Ontario SPH3U Unité : Énergies thermique et nucléaire Attente À la fin du cours, l élève doit pouvoir : Expliquer les principes scientifiques sous-jacents aux transferts thermiques et à l énergie nucléaire. Contenus d apprentissage Compréhension et interprétations des concepts Décrire la structure de l atome et de son noyau et reconnaître différents isotopes. Explorer le concept de demi-vie et décrire des conséquences et des applications qui en découlent. 15 Émission 3 : Les transmutations naturelles
Objectifs Après avoir visionné l émission, l élève doit être en mesure de : 1. relever les différences qui existent entre les trois formes de rayonnement nucléaire quant à leur pouvoir de pénétration; 2. décrire les effets subis par le noyau après l émission d un rayon alpha et d un rayon bêta; 3. définir les termes «demi-vie», «isotope» et «transmutation»; 4. décrire l évolution dans le temps de l activité d un échantillon de matière radioactive. Révision facultative Selon le besoin, réviser la notation numérique relative aux noyaux d isotopes. À titre d exemple, on aura recours à la représentation symbolique suivante : où la lettre H représente l atome d hydrogène, l indice inférieur le numéro atomique, c est-à-dire le nombre de protons du noyau, et l indice supérieur le nombre de masse, qui correspond au total de protons et des neutrons contenus dans le noyau. Dans l exemple cité, le numéro atomique est 1, et l hydrogène occupe donc la première case dans la classification des éléments. Le nombre de masse est 2, mais étant donné qu il y a un proton dans le noyau, il doit y avoir également 1 neutron 2-1). 1. a) Il existe trois isotopes de l hydrogène, représentés de la façon suivante : Décrivez la composition de chaque isotope (nombre de protons et de neutrons). b) Il existe toute une série d isotopes de l uranium, dont trois sont représentés comme suit : Décrivez la composition de chaque noyau (nombre de protons et de neutrons). 2. La particule alpha est un noyau d hélium et peut être représentée sous la forme suivante : Combien de protons et de neutrons y a-t-il dans le noyau? 16 Émission 3 : Les transmutations naturelles
Le processus de désintégration alpha dans le cas de l uranium peut être représenté sous forme d équation : On remarque que l addition des numéros atomiques du deuxième membre de l équation donne le numéro atomique du premier membre. À partir de cet exemple, complétez les deux équations suivantes : 3. Dans le cas de la désintégration bêta, la notation de la particule est : ce qui veut dire que la particule bêta est un électron. Complétez les deux équations suivantes : 17 Émission 3 : Les transmutations naturelles
Questions et exercices préparatoires Demander aux élèves de lire les questions suivantes avant de visionner l émission afin de pouvoir y réfléchir lorsque celle-ci est en cours et d y répondre une fois l émission terminée. Cela peut être nécessaire de présenter l émission une deuxième fois. 1. Lequel des trois types de rayonnement est le plus pénétrant? 2. Que se passe-t-il dans le noyau lorsqu il y a désintégration radioactive? 3. Combien d isotopes de l hydrogène existe-t-il? 4. Est-ce que l activité d un corps radioactif demeure inchangée dans le temps? 5. Quelle est la demi-vie du radon? Sujets de discussion Après l émission, la discussion portera sur les questions suivantes : 1. Que se passe-t-il dans le noyau lorsqu il subit une désintégration alpha? 2. Et lorsqu il subit une désintégration bêta? 3. Nommez les isotopes de l hydrogène. En quoi ces isotopes diffèrent-ils de l isotope le plus courant? 4. a) Quelle est la demi-vie du radon? Expliquez cette notion en prenant comme exemple 80 000 atomes de radon. b) Combien d atomes resterait-il environ après une période de deux heures? 5. Le radon subit une désintégration alpha. En quel élément le radon se charge-t-il à la suite de cette désintégration? 18 Émission 3 : Les transmutations naturelles
Mots-clés Isotope Terme désignant un atome différent des autres atomes d un élément, dont l étymologie grecque est «isos» (égal) et «topos» (lieu). Chaque isotope d un élément donné occupe la même place que l élément correspondant dans la classification périodique. Les isotopes sont souvent représentés par un symbole ainsi qu un chiffre. Par exemple, la notation de deux isotopes de l uranium est U 235 et U 238. Cette notation remplace parfois celle plus complexe qui a été décrite dans la section intitulée «Révision facultative». Puisque les isotopes d un élément donné ont tous le même numéro atomique (92 dans le cas de l uranium), c est le nombre de masse (235 et 238) qui sert à les distinguer. Transmutation (d éléments) Processus au cours duquel un «atome» d un élément est transmuté en un «atome» d un autre élément. Lorsqu un atome d uranium émet une particule alpha, il subit une transmutation et devient un atome de thorium. (On sait maintenant que la transmutation touche le noyau et non l atome.) Demi-vie Le temps que mettent la moitié des atomes d un élément à se transmuter en atomes d un autre élément. Par exemple, si les atomes d un élément X se transmutent en atomes d un élément Y et que la demi-vie du premier élément est de 24 heures, au bout de chaque jour, le nombre total d atomes de cet élément ne sera plus que la moitié de ce qu il était la veille. Ce processus peut être représenté sous forme de tableau : Nombre de jours 1 2 3 4 5 6 7 8 Nombre d atomes X 400 200 100 50 25 13 6 3 Désintégration alpha Forme de radioactivité au cours de laquelle les atomes d un élément sont désintégrés par l émission de rayons alpha. Désintégration bêta Forme de radioactivité au cours de laquelle les atomes d un élément sont désintégrés par l émission de rayons bêta. Activité d un isotope Nombre de rayons émis par un corps radioactif au cours d un laps de temps donné et exprimé en becquerels (1 Bq = une désintégration par seconde). Par exemple, si un échantillon quelconque d une matière radioactive émet dix particules alpha chaque seconde, son activité sera de 10 Bq. Ou si un autre échantillon émettait vingt-cinq particules bêta par seconde, son activité serait de 25 Bq. 19 Émission 3 : Les transmutations naturelles
Autres activités 1. La courbe de désintégration radioactive représentée ci-dessous revêt une grande importance, qui mérite d être soulignée. Reproduire la courbe pour vos élèves et leur poser les questions suivantes : a) Quelle est la demi-vie de l échantillon faisant l objet de ce graphique? b) Quelle serait son activité après deux jours? c) Notez les valeurs correspondant aux cinq premières demi-vies. d) Selon vous, l échantillon aura-t-il encore une grande activité au bout d un an? e) Si cet échantillon pèse 5 g, combien restera-t-il de sa matière originale après 12 jours? 2. a) Si vous disposez d une «minigénératrice», faites une expérience permettant de déterminer la demi-vie d un élément à vie courte. b) Si votre école possède du matériel didactique comportant un jeu de dés qui représente des «éléments mères», des «éléments filles» et des noyaux stables, faites l expérience décrite dans les instructions et enregistrez, à l aide d un graphique, les données relatives à la désintégration simulée. Déterminez également la demi-vie de l élément mère. c) Il existe plusieurs programmes de micro-ordinateur qui simulent la désintégration radioactive, et que vous pouvez vous procurer pour utiliser avec vos élèves. 800-700 - 600 - Activité (Bq) 500-400 - 300-200 - 100-4 8 12 16 20 Temps (en jours) 20 Émission 3 : Les transmutations naturelles
Émission 4 : L énergie provenant du noyau Description de l émission Albert Einstein avait prédit, en établissant l équation E = mc 2, que la masse pouvait être transformée en énergie et l énergie en masse. Mais, dans la vie courante, de telles permutations touchent de quantités de matière si infimes qu il est impossible de mesurer une variation quelconque de matière. Lors de réactions nucléaires, cependant, les quantités de matière transformées en énergie sont considérables. Dans l équation E = mc 2, le symbole m représente la quantité de matière (exprimée généralement en kilogrammes) et c, la vitesse de la lumière (3 X 108 m/s). en mettant c au carré, on obtient une équation en vertu de laquelle une quantité relativement faible de matière peut produire une quantité importante d énergie. C est justement une conversion de masse en énergie qui se produit lors de la désintégration radioactive d un noyau. La masse totale des produits de cette désintégration est en effet inférieure à la masse initiale du noyau, une partie de celle-ci s étant transformée en énergie. La quantité de masse qui disparaît lors du phénomène de fission nucléaire est encore plus importante. Dans ce cas, le noyau d un atome se désintègre en deux fragments lorsqu il est frappé par une particule comme un neutron. Des neutrons libérés par la fission d un certain nombre de noyaux d uranium peuvent à leur tour provoquer la fission d autres noyaux, créant ainsi une réaction en chaîne. Enrico Fermi fit la première démonstration de cette réaction en 1942. Il est également possible de provoquer l agglomération, ou fusion, de noyaux légers. On obtient alors un noyau plus lourd et une libération d énergie due à une perte de masse. La masse du produit de fusion est en effet inférieure au total des masses des noyaux de départ. Lien au programme-cadre de Sciences de l Ontario SPH3U Unité : Énergies thermique et nucléaire Attente À la fin du cours, l élève doit pouvoir : Expliquer les principes scientifiques sous-jacents aux transferts thermiques et à l énergie nucléaire. Contenu d apprentissage Compréhension et interprétations des concepts Distinguer la fission nucléaire de la fusion nucléaire et expliquer leur libération d énergie à l aide de l équivalence masse-énergie d Einstein. 21 Émission 4 : L énergie provenant du noyau
Objectifs Après avoir visionné l émission, l élève doit être en mesure de : 1.faire comprendre le caractère aléatoire du phénomène de désintégration radioactive; 2. discuter la signification de l équation E = mc 2 ; 3. indiquer la différence principale entre la fission et la fusion nucléaires; 4. définir le terme «réaction en chaîne»; 5. expliquer pourquoi l équation E = mc 2 s applique à des réactions nucléaires comme la radioactivité, la fission et la fusion. Questions et exercices préparatoires Demander aux élèves de lire les questions qui suivent avant de visionner l émission afin de pouvoir y réfléchir lorsque celle-ci est en cours et d y répondre une fois l émission terminée. Cela peut être nécessaire de présenter l émission une deuxième fois. 1. Quelle est la fonction d un compteur Geiger? 2. Quelle équation représente la conversion de masse en énergie? 3. Avec quelle sorte de projectiles Cockcroft et Walton bombardèrent-ils le lithium? 4. Quelle quantité de masse disparaît lors de cette réaction? 5. Comment appelle-t-on le phénomène au cours duquel un noyau lourd (comme celui d un atome d uranium, par exemple) se désintègre en plusieurs fragments? 6. Comment appelle-t-on le phénomène au cours duquel un neutron issu de la fission d un noyau provoque à son tour une fission qui libère d autres neutrons, et ainsi de suite? 7. Qui réalisa la première réaction en chaîne contrôlée? 8. L agglomération de deux noyaux légers est appelée. 22 Émission 4 : L énergie provenant du noyau
Sujets de discussion 1. À l aide de l exercice qui suit, demander aux élèves de faire le calcul présenté dans l émission. Transformer en énergie 1 kg de matière en utilisant l équation E = mc 2. m = 1 kg c = 3 x 108 m/s E = (1) (3 x 108 m/s)2 = 9 x 108 J Remarque Si on laisse tomber une masse de 1 kg d une hauteur de 1 m, l énergie transférée au sol sera d environ 10 J (J étant le symbole du joule). 2. L équation E = mc 2, va-t-elle à l encontre du principe de conservation de l énergie? Mots-clés Accélérateur Cockcroft-Walton Accélérateur de particules à haute tension et à courant continu servant à communiquer de très hautes vitesses aux protons. Compteur Geiger Instrument permettant de détecter un rayonnement. Chaque signal sonore émis par l instrument représente une particule du rayonnement. Théorie de la relativité Énoncée en 1905 par Albert Einstein, cette théorie prédit, entre autres, que E = mc 2. Conversion de masse (en énergie) Einstein avait affirmé dans sa théorie de la relativité que cette conversion était possible. On sait aujourd hui qu elle a lieu effectivement lors de phénomènes comme la radioactivité, la fission et la fusion nucléaires. La quantité d énergie résultant d une conversion de masse correspond à la quantité prédite dans l équation E = mc 2. Défaut de masse Différence entre la masse d un noyau subissant la fission et la masse totale des produits de cette fission. Comme nous l avons déjà vue précédemment, cette réaction s accompagne d une perte de masse qui se traduit par un dégagement d énergie. Fission Phénomène au cours duquel un noyau lourd se désintègre en deux ou en plusieurs fragments plus légers en libérant de l énergie. Fusion Agglomération de deux ou plusieurs noyaux légers en un noyau plus lourd. Ce phénomène se produit à des températures extrêmement élevées, comme celles qui existent dans les étoiles ou que produit l explosion d une bombe atomique. 23 Émission 4 : L énergie provenant du noyau
Révision facultative Au cours de l émission, on présente un exemple de fission nucléaire dont voici la notation : 1 235 95 n + 92U n + 7-1e 0 1 0 42Mo + 139 0 57La + 2 Si les données pertinentes sont «comptabilisées», on obtiendra les résultats suivants : Masse avant la fission 1 0n = 1.0087 u 235 92U = 235.0439 u Masse après la fission 95 42Mo = 94.9058 u 57La = 138.9061 u 7-1e 0 = 0.0385 u 2.0174 u 139 2 1 0n = Total = 236.0526 u Total = 235.8678 u Perte de masse = 0.1848 u Demander aux élèves de calculer la perte de masse en kilogrammes, ainsi que la quantité d énergie (en joules) libérée lors de la fission d un atome d uranium. REMARQUE : u = unité de masse atomique 24 Émission 4 : L énergie provenant du noyau
Émission 5 : La fission nucléaire productrice d énergie électrique Description de l émission Dans cette émission, on montre comment l énergie libérée au cours de la fission nucléaire pourra servir à produire de l électricité si le phénomène de fission est contrôlé. La fission nucléaire exige un apport continu de neutrons lents. Cependant, les neutrons émis lors de la fission ont une trop grande vitesse et doivent être ralentis pour être utiles. Les matières servant à ralentir les neutrons sont appelées ralentisseurs. Le meilleur ralentisseur est un composé appelé eau lourde. Le dispositif de sûreté du réacteur comporte des barres de contrôle qui absorbent les neutrons et qui contrôle la vitesse de la réaction nucléaire. La chaleur produite à l intérieur du réacteur est acheminée par étapes vers une turbine actionnant une génératrice. Ce transfert d énergie requiert de grandes précautions, car les sous-produits nucléaires doivent demeurer dans le réacteur. Ces sous-produits s accumulent et doivent être évacués tôt ou tard. Le stockage de ces matières constitue d ailleurs un problème qu il faudra bien résoudre un jour. Les centrales nucléaires produisent des quantités importantes de chaleur que l on évacue dans l atmosphère ou dans une masse d eau (une mer ou une rivière par exemple). Lien au programme-cadre de Sciences de l Ontario SPH3U Unité : Énergies thermique et nucléaire Attente À la fin du cours, l élève doit pouvoir : Expliquer les principes scientifiques sous-jacents aux transferts thermiques et à l énergie nucléaire. Contenus d apprentissage Compréhension et interprétations des concepts Distinguer la fission nucléaire de la fusion nucléaire et expliquer leur libération d énergie à l aide de l équivalence masse-énergie d Einstein. Décrire les principes de fonctionnement du réacteur CANDU ainsi que le rôle de ses composantes principales. 25 Émission 5 : La fission nucléaire productrice d énergie électrique
Objectifs Après avoir visionné l émission, l élève doit être en mesure de : 1. nommer le combustible qui permet d obtenir une réaction nucléaire; 2. décrire la fonction d un «ralentisseur»; 3. décrire la fonction des barres de contrôle d un réacteur nucléaire; 4. décrire les étapes du processus au cours duquel l énergie issue du cœur d un réacteur nucléaire est transférée à la turbine de la génératrice d électricité; 5. décrire l évacuation de la chaleur résiduelle dans une centrale nucléaire. Questions et exercices préparatoires L élève aura avantage à lire les questions qui suivent avant de visionner l émission afin de pouvoir y réfléchir lorsque celle-ci est en cours et d y répondre une fois l émission terminée. Cela peut être nécessaire de présenter l émission une deuxième fois. 1. Comment peut-on ralentir les neutrons? 2. Quelle substance utilise-t-on comme ralentisseur? 3. Quelle est la fonction des barres de contrôle? 4. Quelle est la fonction secondaire de l eau lourde? 5. Quel est l effet de la haute pression sur l eau? 6. Où envoie-t-on l eau surchauffée? 7. Quelles sont les deux façons d évacuer la chaleur résiduelle? Sujets de discussion 1. Décrivez brièvement les caractéristiques de sûreté d un réacteur CANDU. 2. Exposez certaines des craintes qu éprouvent les gens au sujet de la production d énergie nucléaire. 3. Quels sont les avantages de l énergie nucléaire? 26 Émission 5 : La fission nucléaire productrice d énergie électrique
Mots-clés Ralentisseur Substance utilisée dans un réacteur nucléaire pour ralentir les neutrons. Un grand nombre de collisions entre le modérateur et les neutrons ont lieu avant que ceux-ci ne ralentissent suffisamment pour être capturés par un noyau d uranium. L eau lourde est un excellent ralentisseur. Eau lourde Substance utilisée comme ralentisseur et pour assurer le transfert d énergie dans les réacteurs canadiens CANDU. Dans l eau lourde (D 2 O), les deux atomes d hydrogène, ou un seul d entre eux, sont des atomes d un isotope lourd de l hydrogène, le deutérium. À la différence de l atome d hydrogène ordinaire, qui contient un proton et un électron, l atome de deutérium contient un proton, un neutron et un électron. Sa masse atomique est donc plus grande que celle d un atome d hydrogène ordinaire. Barres de contrôle Ces barres absorbent les neutrons et permettent donc d arrêter un réacteur nucléaire en capturant la plupart des neutrons qui s y trouvent. À l arrêt, toutes les barres de contrôle sont enfoncées dans le cœur du réacteur. Pour remettre le réacteur en marche, les barres de contrôle sont retirées une à une jusqu à ce qu ait lieu la réaction en chaîne voulue. Autres activités 1. Demander aux élèves d dentifier certaines différences fondamentales entre un réacteur de type CANDU et des réacteurs de conception différente en consultant Internet ou un manuel de physique publié au Canada. 2. Demander aux élèves de faire une recherche pour comparer le procédé de production d électricité propre à une centrale thermique classique opposé à celui qui caractérise une centrale nucléaire. 27 Émission 5 : La fission nucléaire productrice d énergie électrique
Émission 6 : Les sous-produits nucléaires Description de l émission Cette émission traite du problème posé par la production de l énergie nucléaire : que faire des sous-produits? Les sous-produits nucléaires sont très radioactifs et doivent être stockés durant un grand nombre d années. Le plutonium, par exemple, a une demi-vie de 24 000 ans. Même si ces produits finissent par se transformer en des matières stables à la suite de processus de désintégration alpha ou bêta, ils pourront demeurer radioactifs pendant des siècles et devront donc être stockés de manière à éviter toute contamination de l environnement. À l heure actuelle, les sous-produits nucléaires sont placés dans des récipients et stockés temporairement dans des cuves spéciales appelées «piscines». Le stockage définitif dans des cavités aménagées dans le roc à de grandes profondeurs a été proposé, mais cette solution comporte également des risques. Lien au programme-cadre de Sciences de l Ontario SPH3U Unité : Énergies thermique et nucléaire Attente À la fin du cours, l élève doit pouvoir : Évaluer des répercussions sociales, et technologiques et environnementales des applications de l énergie thermique et de l énergie nucléaire. Contenu d apprentissage Compréhension et interprétations des concepts Débattre des avantages et des inconvénients des applications de l énergie nucléaire. 28 Émission 6 : Les sous-produits nucléaires
Objectifs Après avoir visionné l émission, l élève doit être en mesure de : 1. décrire la différence de radioactivité entre le combustible neuf et le combustible épuisé; 2. tracer la série radioactive de l uranium; 3. expliquer pourquoi le combustible épuisé doit être stocké pendant très longtemps. Questions et exercices préparatoires Demander aux élèves de lire les questions suivantes avant de visionner l émission afin de pouvoir y réfléchir lorsque celle-ci est en cours et d y répondre une fois l émission terminée. Cela peut être nécessaire de présenter l émission une deuxième fois. 1. Combien de charbon faut-il brûler pour produire une quantité d énergie égale à celle que peut fournir une seule pastille d uranium? 2. Quelles est la différence principale entre le combustible neuf et le combustible épuisé? 3. Nommez des «produits de fission». 4. Par quel isotope stable la série radioactive de l uranium se termine-t-elle? 5. Quelle est la demi-vie du plutonium? 6. Pourquoi est-il nécessaire de stocker sous terre le combustible épuisé? 7. Quels sont les risques que comporte le stockage souterrain? Sujets de discussion 1. Étudier les principales méthodes de stockage temporaires et définitives présentées au cours de l émission. Exposer leurs plus graves inconvénients. 2. Comment se fait-il que le combustible d un réacteur nucléaire soit plus radioactif après son utilisation qu avant celle-ci? 3. À partir de la série radioactive de l uranium, expliquer pourquoi il n y a aucun isotope dont le nombre de masse est impair? 4. Pourquoi y a-t-il encore de nos jours des éléments ayant une demi-vie courte, alors que la Terre existe depuis fort longtemps? 5. Expliquer pourquoi une seule pastille d uranium peut produire autant d énergie qu une tonne de charbon. 6. Quels sont les arguments que l on oppose au stockage des déchets radioactifs dans des cavités souterraines profondes? 29 Émission 6 : Les sous-produits nucléaires
Mot-clé Isotope stable i Isotope ne présentant pas de radioactivité. C est le cas, par exemple, de l isotope Pb206. Autres activités 1. Examinez le tableau et le diagramme ci-après. a) À l aide d un tableau périodique des éléments, analysez avec les élèves la série radioactive de l uranium. b) Identifiez les isotopes ayant respectivement la demi-vie la plus longue et la plus courte. c) Identifiez l isotope en deuxième place du point de vue de la longueur de la demi-vie et comparez sa demi-vie à celle de l isotope en première place. 2. Supposons que vous disposez de trois échantillons radioactifs possédant respectivement 1 million d atomes d U 238 dont la demi-vie est de 4,5 milliards d années (4,5 x 109 a), 1 million d atomes de Rn 222 dont la demi-vie est d environ 4 jours (3,82 d) et un million d atomes de Po 210 dont la demi-vie est d environ 138 jours. a) Déterminez, dans le cas de chaque échantillon, le nombre approximatif de noyaux qui auront subi une transmutation après 4 jours, 1 an et 100 ans. b) Pourquoi s intéresse-t-on autant aux sous-produits nucléaires ayant les demi-vies les plus courtes? 3. À l aide de recherches, identifiez d autres solutions qui ont été proposées pour remplacer le stockage des déchets nucléaires dans le roc à de grandes profondeurs. 4. Commentez la phrase suivante : «Toute production d énergie comporte des risques et entraîne à long terme des changements dans l environnement.» 5. Décrivez, à l aide de recherches, la source d énergie future que représente la fusion nucléaire contrôlée. Quels problèmes techniques doit-on résoudre pour parvenir à contrôler les réactions de fusion? Quels dangers prévoit-on à long terme? 30 Émission 6 : Les sous-produits nucléaires
31 Émission 6 : Les sous-produits nucléaires
Diagramme de désintégration de l U 238 140 130 Nombre de neutrons 80 84 88 92 Numéro atomique 32 Émission 6 : Les sous-produits nucléaires