Réactions nucléaires : ce qu’il faut retenir

Dans l’article Objectif Bac 2008, j’insistais sur les compétences et savoir-faire exigible du programme de physique-chimie de terminale, base essentielle sur laquelle doit se baser tout le travail de l’année. Pour la partie « physique nucléaire », voici ce qu’il faut retenir :

Définir et calculer un défaut de masse et une énergie de liaison.

Défaut de masse et énergie de liaison sont définis pour un noyau. Le défaut de masse est la différence entre la masse du noyau et la masse des particules qui le constitue. En effet, aussi surprenant que cela puisse paraître, un noyau est plus léger que la somme des masse des particules qui le constitue :

?m=Z.mp+(A-Z).mn-m(noyau)

Ainsi défini, ce défaut de masse est positif. Il s’interprète physiquement, en utilisant la célèbre formule d’Einstein qui relie la masse à une énergie, comme l’énergie de liaison :

El= ?m.c2

qui est l’énergie à fournir au noyau pour le « briser » en ses différents constituants (les nucléons).

Définir et calculer l’énergie de liaison par nucléon.

Cette énergie de liaison croît avec le nombre de nucléon impliqué dans le noyau. Ainsi les gros noyaux ont une énergie de liaison supérieure aux plus petits noyaux alors qu’ils sont plus facile à « briser ». Ainsi, la grandeur pertinente pour décrire la stabilité d’un noyau n’est pas l’énergie de liaison mais l’énergie de liaison rapportée au nombre de nucléon, c’est à dire la quantité d’énergie à fournir à chaque nucléon pour « briser » le noyau :

énergie de liaison par nucléon=El/A

Savoir convertir des J en eV et réciproquement.

Dans les calculs d’énergie en physique nucléaire, on se rend compte que le joule est une unité trop « grande » par rapport à ce qu’on calcule : l’énergie de liaison d’un noyau d’Hélium est de 4,54.10-12 J. On exprime donc ces grandeurs dans une unité plus adaptée : l’électron-volt qui est l’énergie d’un électron soumis à un potentiel de 1V. Pour la conversion, il faut retenir que 1 eV = 1,60.10-19 J. Cette valeur est généralement donnée dans les énoncés. Ainsi, l’énergie de laison du noyau d’Hélium est de 28,4 MeV où M se lit Mega et 1 MeV=106 eV. On peut retenir qu’en gros les énergies dégagées par les réactions chimiques sont de l’ordre de l’eV, tandis que les énergies des réactions nucléaires sont de l’ordre du MeV.

Connaître la relation d’équivalence masse-énergie et calculer une énergie de masse.

Il s’agit de la fameuse relation d’Einstein qui relie la masse à l’énergie. Lors d’une réaction nucléaire, l’énergie dégagée par la réaction est :

?E = ?m.c2

Où ?m est la perte de masse due à la réaction nucléaire.

Commenter la courbe d’Aston pour dégager l’intérêt énergétique des fissions et des fusions.

La courbe d’Aston représente -El/A :

Les réactions nucléaires de fusion combinent des petits noyaux tandis que dans la fission, ce sont de gros noyaux qui sont « brisés » en plus petits. Dans les deux cas, l’énergie de liaison par nucléons des nouveaux noyaux est supérieure (attention au moins) de sorte qu’ils sont plus stables (il faut leur fournir plus d’énergie pour les briser).

Définir la fission et la fusion et écrire les équations des réactions nucléaires en appliquant les lois de conservation.

Les lois de conservations sont les lois de Soddy, comme dans le cas de la radioactivité : le nombre de charge (Z) et le nombre de nucléons (A) se conservent dans les réactions nucléaires.

A partir de l’équation d’une réaction nucléaire, reconnaître le type de réaction.

Dans une réaction de fusion, 2 petits noyaux (au moins) fusionnent pour donner de plus gros noyaux.
Ex : 3H+2H ? 4He + 1n
ici, un noyau de tritium fusionne avec un noyau de deutérium pour former un noyau d’Hélium et un neutron.

Dans une réaction de fission, c’est un gros noyau qui « perturbé » par un neutron va se briser en plusieurs petits noyaux :
Ex : 235U+1n ? 94Sr + 140Xe + 2 1n + ?
Ici, un noyau d’uranium va, sous l’influence d’un neutron, se fissionner en un noyau de strontium, un noyau de Xenon et 2 neutrons. Le signe ? signifie que cette fission s’accompagne de l’émission d’un rayonnement électromagnétique de haute énergie.

Faire le bilan énergétique d’une réaction nucléaire en comparant les énergies de masse.

Il y a 2 possibilités pour le calcul de l’énergie dégagée par une réaction nucléaire. On peut soit utiliser les énergies de liaisons, soit utiliser la perte de masse liée à la réaction nucléaire.

Dans le premier cas, l’énergie dégagée est égale à la différence entre les énergies de liaison finales moins les énergies de liaisons initiales :

?E = ? Elf – ?Eli

Dans le second cas, l’énergie est égale à la perte de masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré :

?E = ?m.c2 où ?m = mi – mf

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