Thème II
Chap. VII
I. Les interactions fondamentales qui régissent les édifices de l Univers Connaissez-vous les 4 interactions fondamentales présentes dans l Univers?
I. Les interactions fondamentales qui régissent les édifices de l Univers Edifice Ordre de grandeur de la taille Interaction fondamentale
Edifice Notre Galaxie Système Solaire Terre Ordre de grandeur de la taille 10 21 m 10 13 m 10 7 m Interaction fondamentale Interaction Gravitationnelle Homme Molécule Atome 10 0 m 10-9 m 10-10 m Interaction Electromagnétique Noyau Nucléon 10-15 m 10-16 m Interactions nucléaires Forte et faible
II. Les constituants de la matière 1. Activité documentaire
II. Les constituants de la matière 2. L atome Un atome de symbole chimique X dont le noyau comporte Z protons et A nucléons est noté A ZX. Des atomes ou des ions isotopes ont le même nombre de protons et donc le même numéro atomique Z, mais des nombres de nucléons différents (A) Ex : Isotopes de l Uranium : 235 92 U et 92 Isotopes du Carbone : 13 6 C et 6 12 C, 6 238 U 14 C
II. Les constituants de la matière 3. Les particules élémentaires Les nucléons et les électrons sont appelés particules élémentaires. La charge du proton est appelée la charge élémentaire. Elle vaut e = 1,6 x 10-19 C. Électron Proton Neutron Masse (en kg) m e- = 9,109 x 10-31 m p = 1,673 x 10-27 m n = 1,675 x 10-27 Ordre de grandeur de la masse (en kg) 10-30 10-27 10-27 Charge (en C) q e- = - e q p = + e q n = 0 Localisation Autour du noyau Dans le noyau Dans le noyau Toute charge électrique q s'exprime en fonction de la charge élémentaire e : q = n.e, n étant un nombre entier.
II. Les constituants de la matière 3. Les particules élémentaires Toute charge électrique q s'exprime en fonction de la charge élémentaire e : q = n.e, n étant un nombre entier. Rappel de 2 nde : Pour un atome : Q = Z x e
III. Les réactions nucléaires 1. A la découverte de la radioactivité
III. Les réactions nucléaires 2. Réactions nucléaires spontanées La cohésion du noyau d un atome est due à l équilibre entre les interactions électromagnétiques, forte et faible qui s appliquent aux nucléons. Tous les noyaux isotopes d un élément ne sont pas stables. Un noyau radioactif est instable. Ainsi, lors d une désintégration radioactive, ce noyau dit «père» se désintègre spontanément et émet un rayonnement électromagnétique γ, une particule et un noyau «fils» (nouvel élément).
III. Les réactions nucléaires 2. Réactions nucléaires spontanées L activité d un échantillon est une des caractéristiques de cet échantillon. Elle renseigne sur le rythme des désintégrations radioactives. L activité d un échantillon radioactif est le nombre de désintégrations par seconde et s exprime en Becquerel (Bq). Un objet du quotidien naturellement radioactif a une activité de l ordre de 10 0 à 10 5 Bq par kg de matière. Un réactif provenant du réacteur d une centrale nucléaire a une activité de l ordre de 10 14 Bq pour 1 kg de matière.
III. Les réactions nucléaires 2. Réactions nucléaires spontanées Ex : a. Un échantillon à une activité de 480 Bq. Quel est le nombre de noyaux désintégrés en une minute? b. En une minute, on a compté 9 désintégrations de noyaux d atomes de carbone 14 dans un échantillon provenant d un objet trouvé sur un site de fouilles archéologiques. Quelle est l activité «A» de cet échantillon?
III. Les réactions nucléaires 3. Fission et fusion
III. Les réactions nucléaires 3. Fission et fusion Lors d une réaction de fission, un noyau lourd se scinde en deux noyaux plus légers sous l impact d un neutron
III. Les réactions nucléaires 3. Fission et fusion Lors d une fission, des particules et un rayonnement électromagnétique γ sont émis; de l énergie est libérée (et délivrée!). Cette réaction nucléaire concerne des noyaux dits fissiles, comme l uranium 235 ( 235 92 U) ou le plutonium 239 ( 239 94 P). La fission est utilisée dans les centrales nucléaires pour produire de l énergie électrique.
III. Les réactions nucléaires 3. Fission et fusion Lors d une réaction de fusion, deux noyaux légers possédant assez d énergie s associent pour former un noyau plus lourd.
III. Les réactions nucléaires 3. Fission et fusion Lors d une fusion, des particules et un rayonnement électromagnétique γ sont émis; de l énergie est libérée. Les noyaux qui fusionnent doivent avoir assez d énergie pour vaincre les forces qui les repoussent les uns des autres.
III. Les réactions nucléaires 4. Equation de réaction nucléaire Lors d une réaction nucléaire, le nombre de nucléons (nombre de masse) et la charge électrique se conservent entre les réactifs et les produits. Ce sont les lois de conservation de Soddy. Rq : Dans les équations de réactions nucléaires, on écrit uniquement les particules possédant une charge et/ou une masse. Ainsi les électrons et les positrons
Type de réaction Exemple Alpha (α) 238 92U 4 2 He + Th Bêta moins (β - ) Bêta plus (β + ) 14 6C e + 14 7 N ( ) 123 53I e + 123 52 Te ( ) Fission Fusion 0 1 n + 235 92 U 38 Sr + 139 Xe + 3 1 0 n 1 2 H + 3 1 H He + n
III. Les réactions nucléaires 5. Energie libérée Lors d une réaction nucléaire, la masse des produits obtenus est inférieure à la masse des réactifs de départ. Cette perte de masse en kg (ou «défaut de masse») s exprime : Δ m = m produits m réactifs La perte de masse, selon l équation d Einstein, correspond à l énergie libérée en Joules au cours de la réaction telle que : E libérée = Δ m x c² = m produits m réactifs x c² avec «c» la vitesse de la lumière en m.s -1
Chapitre VII Interactions fondamentales et réactions nucléaires Connaissances à acquérir : Connaître les ordres de grandeur des dimensions des différentes structures des édifices organisés Connaître les ordres de grandeur des valeurs des masses d un nucléons et de l électron Savoir que toute charge électrique peut s exprimer en fonction de la charge élémentaire e Savoir définir l isotopie Connaître la définition et des ordres de grandeur de l activité exprimée en becquerel Capacités à maîtriser : Associer, a chaque édifice organisé, la ou les interactions fondamentales prédominantes Utiliser la représentation symbolique Z A X Reconnaître des isotopes Utiliser les lois de conservation pour écrire l équation d une réaction nucléaire Utiliser la relation E libérée = Δ m x c² Etudes documentaires : Recueillir et exploiter des informations sur la découverte de la radioactivité naturelle et de la radioactivité artificielle Recueillir et exploiter des informations sur les réactions nucléaires