Le nombre d’avogadro

7 milliards. C’est beaucoup :

Personne No. 5 227 080 064

Le site 7billionsworld affiche 7 milliards de personnes sous la forme d’une petite icône colorée selon le continent. En scrollant dans la page, on ressent que 7 milliards c’est énorme.

Pourtant c’est beaucoup moins que le nombre de bactéries dans un seul être humain : environ 100 000 milliards.

Sachant que nous avons environ 10 000 milliards de cellules, nous portons donc environ 10 bactéries par cellules de notre propre organisme. Autrement dit, nous sommes constitué à 90 % de cellules hôtes -Euh dans ce cas-là, qui est l’hôte ?

Le nombre total de bactéries portée par les humains est donc d’environ 700 000 milliards de milliards. Nombre gigantesque mais encore inférieur au nombre de molécules dans un litre d’eau : environ 30 millions de milliards de milliards. Juste dans un litre d’eau. C’est pour cela qu’en chimie et en physique on compte par paquet : la mole, un paquet constitué de 6,022.1023 entités. Ce nombre est appelé le nombre d’avogadro.

Pourquoi ce nombre et pas 1025 qui aurait facilité les calculs ? Tout simplement parce que lorsque les scientifiques l’ont défini, ils n’avaient aucune idée du nombre d’entité que cela représentait. Ils ont simplement postulé ce nombre d’entité NA et ont commencé à l’utiliser sans connaître sa valeur. Grosso modo, 1 mole de nucléon pèse 1 g (plus précisément, 1 mole d’atome de carbone pèse 12 g, or l’atome de carbone contient 12 nucléons).
Sachant que le gramme est défini, à la louche, de sorte à ce qu’un millilitre d’eau pèse 1 gramme, postuler qu’une mole c’est 1025 reviendrait à redéfinir l’unité de masse, et toutes les autres…

Il a fallu attendre la fin du XIXème (avec les travaux de Loschmidt sur le nombre de molécule dans un certain volume de gaz) puis ceux de Jean Perrin pour déterminer précisément sa valeur :

 

Remarquons que Jean Perrin s’appuyait sur les travaux d’Einstein comme le rappelle cette vidéo de minute physics :

Image de prévisualisation YouTube

J’aime beaucoup cette analogie : déterminer la taille des atomes en utilisant le mouvement des grains de pollen, c’est comme déterminer la taille des pingouins en regardant comment bougent les iceberg lorsqu’ils sautent…

Vous pensez peut-être que cette problématique de la détermination du nombre d’Avogadro est une problématique dépassée ? Cette vidéo de Veritasium vous détrompera :

Image de prévisualisation YouTube

En effet, actuellement le nombre d’Avogadro est défini à partir du kilogramme (voir ci-dessus : dans 12 g de carbone il y a 12 fois le nombre d’Avogadro d’atomes). Or le Kilogramme n’est pas aussi proprement défini que les autres unités comme l’explique cette vidéo. Les chercheurs essaient donc d’inverser les choses : définir le nombre d’Avogadro comme une certaine valeur connue avec un maximum de chiffres, indépendamment de la masse pour pouvoir ainsi définir « proprement » le kilogramme.

Rq : Dans cette vidéo Derek Muller affirme que le kilogramme sera mieux défini en 2014 mais aujourd’hui encore , la définition du kilogramme  et du nombre d’Avogadro est toujours en phase de discussion, la décision de redéfinir le kilogramme ayant été reportée à 2018.

Constante la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide ?

La vitesse de la lumière est de 299 792 458 m/s. Mais pourquoi cette valeur exactement ? C’est en cherchant à répondre à cette question que des chercheurs de l’université de  Paris-Sud ont été amené à proposer une explication basée sur les fluctuations quantiques du vide. Continue reading « Constante la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide ? »

Mise en ligne de « de la physique… »

http://www.dailymotion.com/video/xhx23d

Plus de 2 ans de travail, une équipe de plus de 70 personnes, 80 minutes d’animations pédagogiques de physique. Ok, c’est pas le dernier pixar, mais quand même…

Au final, un court-métrage de 7min30 basé sur 20 notions de physique. Saurez-vous toutes les trouver en cliquant au bon moment ? A vous de voir sur www.delaphysique.com

Centrale nucléaire = Bombe ?

Au cœur d’une centrale nucléaire, c’est l’énergie de l’atome qui est libérée, comme dans une bombe. Cependant, il existe des différences d’ordre technologique telles qu’il est absolument impossible qu’une centrale explose comme une bombe. La preuve par l’image :

http://www.dailymotion.com/video/xhlsdw

Le problème avec une centrale nucléaire est la production de matériaux radioactifs ayant des conséquences dramatiques sur les organismes vivants (voir les effets biologiques de la radioactivité à court terme et à long terme). Dans une centrale, ces matériaux sont confinés dans « l’enceinte de confinement ». Les réactions nucléaires ont lieu dans l’eau, qui ralentit les neutrons et refroidit le cœur de la centrale.

Au Japon, le séisme et le tsunami qui a suivi ont endommagé les pompes qui permettent de refroidir le cœur. La production de chaleur est alors maximale et la température peut se mettre à grimper très haut de sorte à volatiliser les matériaux qui forment le cœur de la centrale. De grandes quantités de gaz sont alors relâchées dans l’enceinte de confinement et la pression se met à grimper. Parmi tous ces gaz, certains sont très réactifs avec l’oxygène de l’air, comme le dihydrogène. C’est la raison pour laquelle en cas d’incident, on peut observer des explosions, mais celles-ci sont d’ordre chimique, pas nucléaire. Lors de ces explosions, l’intégrité de l’enceinte de confinement peut être endommagée, ce qui induit la libération de matériaux radioactifs dans l’environnement de la centrale. Ce scénario catastrophe bien connu des spécialistes est celui qui a lieu en ce moment même dans la centrale Japonaise de Fukushima-Daiichi.

Remarque : la vidéo de cet article est extraite d’un site publié par LeWebPédagogique qui sera mis en ligne le 21 Mars (voir la bande annonce). L’animation pour comprendre le fonctionnement d’une centrale est diffusée par l’université du Colorado.

« Décroissance radioactive » : ce qu’il faut retenir

La radioactivité est bien loin en ces périodes de révisions et une petite fiche pour explorer les connaissances exigibles en radioactivité ne peut pas faire de mal.

Connaître la signification du symbole ZAX et donner la composition du noyau correspondant.

Voici une vieille connaissance qui date de la seconde :

ZAX : noyau de symbole X qui a pour nombre de masse A et numéro atomique Z. Un noyau ZAX est donc constitué de Z protons et A-Z neutrons.

Définir l’isotopie et reconnaître des isotopes.

2 noyaux isotopes ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. Ainsi, ils ont le même Z mais pas le même A.

Reconnaître les domaines de stabilité et d’instabilité des noyaux sur un diagramme (N,Z).

Il s’agit de reconnaitre sur un diagramme du type :

diagramme de stabilité N-Z

Qu’il y a une zone correspondant à des noyaux stable, donc non radioactifs. Sur le diagramme ci-dessus, c’est la zone la plus rouge. On voit que pour des petits Z, cette zone suit plus ou moins la courbe N=Z, puis s’en éloigne au fur et à mesure que les Z devient de plus en plus grand.

Et qu’autour de cette zone, les noyaux sont de plus en plus instables au fur et à mesure qu’on s’en éloigne. Le reste du diagramme (en blanc ici) correspond à des noyaux qui ont une durée de vie tellement infinitésimale qu’il n’a jamais été possible de les fabriquer.

Définir un noyau radioactif.

Un noyau radioactif est un noyau qui subit spontanément une désintégration nucléaire. Cela se traduit par l’émission d’un rayonnement et la transmutation du noyau père en un noyau fils.

Connaître et utiliser les lois de conservation.

Lors d’une désintégration nucléaire, le nombre total de nucléons et le nombre de charge se conservent. Ce sont les lois de Soddy. Ainsi, lors d’une désintégration α qui produit un noyau d’Hélium (A=4 et Z=2), on aura :

désintégration alpha

Par exemple, un noyau d’uranium 238 (A=92, Z=92) se désintègre en Thorium 234 (A=234 et Z=90).

Définir la radioactivité α, β+, β l’émission γ et écrire l’équation d’une réaction nucléaire pour une émission α, β+, β en appliquant les lois de conservation.

  • La radioactivité α se caractérise par l’émission d’un noyau d’hélium He : A=4, Z=2.
  • La radioactivité β+ se caractérise par l’émission d’un positron : un anti-électron qui porte à les mêmes caractéristiques qu’un électron si ce n’est sa charge qui est positive et A=0 (il ne s’agit pas d’un nucléon) et Z=1 (charge positive).
  • La radioactivité β se caractérise par l’émission d’un électron : A=0 (il ne s’agit pas d’un nucléon) et Z=-1 (charge négative).
  • L’émission γ correspond à la désexcitation du noyau fils. En effet, une désintégration radioactive produit beaucoup d’énergie et le noyau fils est bien souvent dans un état excité (voirs le cours de fin d’année sur la quantification des niveaux d’énergie). Le passage de l’état excité à l’état au repos passe par l’émission d’un rayonnement électromagnétique nommé rayonnement γ.

Ainsi, un noyau Cobalt 60 (symbole Co, A=60 et Z=27) radioactif β produira un électron (A=0, Z=-1) et son noyau fils sera carctérisé par (A=60 et Z=28) pour assurer les lois de conservation de Soddy. Si l’on regarde dans un tableau périodique des éléments, on trouvera que Z=28 correspond au Nickel (symbole Ni). L’équation de désintégration s’écrit donc :

6027Co → 6028Ni + 0-1e

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

Celle-ci est assez simple, il suffit de reconnaître l’élément éjecté : une noyau 42He c’est de la radioactivité α, un positron 01e c’est du β+ et un électron 0-1e c’est du β. Attention la présence d’un noyau d’hélium dans les produits ne signifie pas obligatoirement qu’on a affaire à une radioactivité α. Il est possible également que ce soit une réaction de fusion. Besoin de se rafraîchir la mémoire ? Jetez donc un oeil sur la fiche Réaction nucléaire.


Connaître l’expression de la loi de décroissance et exploiter la courbe de décroissance.

Une population de noyau décroit en suivant la loi de décroissance suivante : N(t)=N0e-λt. Cela se traduit par :

Courbe de décroissance radioactive

Sur le graphique, on trouvera comment lire la valeur de N0 et comment trouver λ.

Savoir que 1 Bq est égal à une désintégration par seconde.

Dit comme ça c’est un peu rapide. Déjà il faut savoir que le Becquerel, Bq, (du nom d’un physicien qui a compté… on fait comme ça en physique : on donne le nom des gens qui comptent à des unités comme ça on est sûr que les apprentis retiendront leur nom même s’ils ne savent pas de qui il s’agit) est l’unité de l’activité d’une source radioactive. Et donc, lorsque pour une source radioactive il y a une désintégration par seconde, alors son activité est de 1 Bq. Ainsi le Bq est égal à des s-1.

Pour info : 1 Bq c’est tout petit, une source radioactive qui émet une particule par seconde, c’est à peine détectable. Dans un exercice où l’on vous fait calculer l’activité d’une source radioactive, ne vous étonnez pas de trouver de très grand nombre. Avant le Bq, on utilisait le Ci (de Curie) qui vaut 3,7·1010 Bq. C’est une unité plus adaptée à la radioactivité mais elle n’est pas « standard ».

Expliquer la signification et l’importance de l’activité dans le cadre des effets biologiques.

Une source radioactive émet des radiations très énergétique. lorsque ces radiations arrivent sur un organisme vivant, c’est comme un éléphant dans un magasin de porcelaine : ça fait beaucoup de dégat (voir les effets biologiques de la radioactivité I & II). Ainsi, l’activité qui mesure le nombre de désintégration par seconde donne une bonne idée de la dangerosité d’une source. Plus elle est active, plus elle est susceptible d’avoir un impact biologique.

Connaître la définition de la constante de temps et du temps de demi-vie.

La constante de temps est l’inverse de la constante radioactive λ qui apparaît dans l’expression de la loi de décroissance radioactive : N(t)=N0e-λt. τ=1/λ.

Le temps de demi-vie est la durée pour qu’une population de noyau soit divisée par 2 : N(t1/2)=N0/2.

Utiliser les relations entre τ et λ et t1/2.

Noter bien qu’il est dit « utiliser » et pas « savoir les démontrer », donc à priori, il n’est pas nécessaire de savoir démontrer que N(t1/2)=N0/2 implique que t1/2=ln2/λ. Cependant, ce calcul est parfois demandé (voir par exemple Liban 2008 sur labolycee.org). Pour mémoire :

N(t1/2)=N0/2 ↔ N0e-λt1/2 = N0/2 ↔  e-λt1/2 = 1/2 ↔ eλt1/2 = 2 ↔ λ.t1/2=ln2

D’où t1/2=ln2/λ et en se rappelant que τ=1/λ on peut écrire : t1/2=τ.ln2.

Pour l’application de ces expressions, attention aux unités : si τ est en seconde, alors t1/2 l’est aussi. Cependant t1/2 est souvent donner en heure ou en seconde, donc il faut le convertir en seconde pour avoir τ en seconde et λ en s-1.

Ceci est extrêmement important car l’activité (nombre de désintégration par seconde) est égale à la dérivée de N par rapport au temps : A=-dN/dt qui est égal à λN. Ainsi l’unité de λ donne l’unité de A. Comme A est en Bq (donc en s-1) alors, il faut toujours exprimer λ en s-1.

Un exemple ? Envisageons une source de carbone 14 contenant 1 mole de noyaux (6.1023 noyaux). La demi-vie du carbone 14 est de 5 730 ans. Ainsi, λ=ln2/t1/2=ln2/t1/2=ln2/(5730*365*24*3600)=3,84 10-12 s-1 et A=2,3  1012 Bq.

Déterminer l’unité de τ ou de λ par analyse dimensionnelle.

Celle-ci est assez facile : Sachant que ln2 est juste un nombre sans unité, t1/2=ln2/λ implique que t1/2 et λ ont une unité inverse l’une de l’autre. Si t1/2 est en heure alors λ est en h-1. Pour τ, t1/2=τ.ln2 implique que t1/2 et τ ont la même unité.

Expliquer le principe de la datation, le choix du radioélément et dater un événement.

Du fait de la décroissance exponentielle d’une population de noyaux radioactive, une source a une activité qui décroit de manière exponentielle : A(t)=A0e-λt. Ainsi, connaissant le temps de demi-vie de l’élément considéré et l’activité initiale, il est facile de trouver l’age de l’échantillon en mesurant son activité à l’instant présent.

Bien entendu, connaître l’activité initiale n’est pas facile. Il faut faire des raisonnements très rusé pour y arriver. Cependant, dans tous les sujets de bac traitant de datation on vous guide tout au long du raisonnement qui permet de déterminer l’activité initiale.

Un exemple classique de datation : la datation au carbone 14. Elle est basée sur le fait que le carbone 14 (isotope radioactif du carbone) est continuement régénéré dans la haute atmosphère. Ainsi le taux carbone 14 sur carbone 12 (C14/C12) est constant dans l’atmosphère, de l’ordre de 10-12. Comme les plantes « respirent » le carbone de l’air (par le dioxyde de carbone), le taux C14/C12 des plantes est le même que celui de l’atmosphère. A partir du moment où l’organisme vivant meurt, les échanges cessent et la quantité de Carbone 14 décroit de manière exponentielle. Ainsi, une mesure de l’activité radioactive due au carbone 14 permet de savoir depuis combien de temps l’organisme est mort. Le temps de demi-vie du carbone 14 étant de 5730 ans, on peut pas remonter plus loin que 50 000 ans. Au-delà de cette durée, il n’y a plus assez de Carbone 14 pour mesurer l’activité radioactive.

Qu’est-ce que la brisure de symétrie ?

Yoichiro Nambu qui se voit attribué la moitié du prix (1 million d'euros)Le prix Nobel de physique a été attribué cette année à 1 chercheur américain, M. Yoichiro Nambu et 2 chercheurs japonnais, M. Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa « pour la découverte du mécanisme de brisure spontanée de symétrie en physique subatomique » (Réf : le monde le site officiel des prix nobel).

Si le prix nobel de physique 2007 était un tant soit peu compréhensible par les non-initié à travers ses applications pratiques (voir Un prix Nobel Français dans notre ordinateur !) le prix Nobel 2008 semble beaucoup plus éloigné de nos préoccupations quotidiennes. De quoi s’agit-il ?

La symétrie et la physique

flocon de neigeLa symétrie des objets naturels (les flocons de neige, certaines fleurs) a quelque chose de fascinant car relativement rare. Lorsqu’on parle de symétrie en physique, il ne s’agit pas de celles des objets naturels. Il s’agit en fait de la symétrie des lois de la physique. Mais que vient faire la symétrie dans ces lois ?

La symétrie pour les physiciens est la capacité à rester insensible à certaines transformations. Ainsi, un objet symétrique comme un carré, une sphère ou un flocon de neige n’est pas discernable de son reflet dans un miroir. Si l’on compare l’objet original et son reflet, on verra le même objet : on parle dans ces conditions de symétrie par réflexion dans un miroir.

Dans leur recherche de loi pour comprendre et prévoir le monde, les physiciens ont tendance à rechercher de telles symétries pour simplifier ces lois. C’est à dire qu’ils élaborent des lois qui sont inchangées lorsqu’on appliquent certaines transformations.

La symétrie par translation dans l’espace

Prenons un exemple simple de symétrie : la symétrie par translation dans l’espace. C’est une symétrie suivie par les lois de la physique. Celle-ci stipule que si l’on fait une certaine mesure ou qu’on applique une certaine loi quelque part dans l’espace les résultats que l’on obtiendrait ne dépendent pas de l’endroit où l’on fait la mesure. Cette loi parait bien étrange si l’on réfléchit un peu. En effet, si je mesure la valeur de la gravitation exercée par la Terre à Paris, je n’obtiendrais par la même valeur que si je faisais la mesure 400 km au-dessus du sol Parisien.

La symétrie par translation ne serait-elle pas vérifiée ? En réalité pour appliquer la symétrie par translation dans l’espace à la gravitation exercée par la terre, il faudrait également déplacer la terre de 400 km à la verticale de Paris. Dans ces conditions, la valeur de la gravitation sera la même.

Cela parait stupide d’inventer une loi qui dit que la valeur de la gravitation à Paris serait la même si on déplace la Terre dans l’espace. Quel est l’intérêt de chercher à vérifier une telle symétrie ? Cela permet de simplifier l’expression de la loi de gravitation : au lieu d’exprimer la loi de la gravitation à chaque position possible de la terre, on l’exprime d’une manière générale à une certaine distance de la terre. D’ailleurs, la preuve que la symétrie par translation d’espace est bien vérifiée est obtenue en se rappelant que la terre est toujours en mouvement autour du soleil et que s’il on fait la mesure de la gravitation Terrestre un certain jour à une certaine heure à Paris, on trouvera la même valeur un autre jour alors que nous sommes plusieurs millions de kilomètre plus loin.

La recherche de la symétrie dans les lois de la physique n’est donc pas une recherche esthétique de perfection mais plutôt une recherche de simplification de ces lois.

Quelles sont les symétries vérifiées par les lois de la physique ?

Il y a comme on vient de le voir la symétrie par translation dans l’espace. On admet généralement que la symétrie par translation de temps est également juste : les lois physiques vérifiée aujourd’hui était vrai hier et seront vrais demain (par exemple si l’on recréé les conditions du big bang dans le LHC ce qu’on trouvera était valable au moment du big bang). Bien entendu, cette loi est difficile à vérifier au-delà de la mémoire humaine mais elle est nécessaire pour décrire ce qu’a été le monde avant que la science ne commence à le décrire. Si cette symétrie était violée, alors on ne pourrait plus dire grand chose du passé puisque cela voudrait dire que les lois de la physique telles qu’elles s’expriment aujourd’hui n’étaient pas valable dans le passé.

Une symétrie fondamentale pour l’histoire de la physique est la symétrie de vitesse constante en ligne droite. Celle-ci affirme que toutes les lois physiques doivent être les même pour 2 observateurs en déplacement à vitesse constante l’un par rapport à l’autre. Autrement dit, si l’on se déplace à vitesse constante en ligne droite et que l’on ne peut pas observer l’environnement (imaginons par exemple un voyage interstellaire dans un vaisseau sans hublot), aucune expérience ne nous permet de déterminer si nous sommes en mouvement ou non. Cette symétrie est à l’origine de la relativité d’Einstein : c’est en réalisant qu’elle n’était pas vérifiée par les lois du mouvement de Newton appliquée à l’électromagnétisme qu’Einstein proposa de nouvelles lois du mouvement.

Un dernier exemple de symétrie qui fonctionne : les phénomènes ne sont pas modifiés lorsqu’on remplace un atome par un autre du même type.

Certaines symétries ne fonctionnent pas

Bien entendu, cela devient tout de suite plus intéressant (et du coup plus compliqué) lorsqu’on s’intéresse aux symétries qui ne sont pas vérifiées. On parle alors de brisure de symétrie.

La dépendance au changement d’échelle en est un exemple assez simple à se représenter. Imaginons un objet qui ait une taille de l’ordre de 1 m : une table en bois par exemple. Peut-on construire de la même façon une table avec une échelle différente ? Une table de 10 m ? Une table de 100 m ? Une table de 1 km ? Il est évident que non. Il arrivera un moment où le plateau de bois s’affaissera sous son propre poids. Les lois de la physique ne sont donc pas insensibles au changement d’échelle.

Une autre symétrie classique qui ne fonctionne pas est celle évoquée au début de cet article sur la réflexion par un miroir. C’est difficile à expliquer mais même si 99.9% des lois de la physique vérifient une symétrie droite-gauche, toutes ne le sont pas. En particulier, dans le monde des particules, la droite et la gauche est définie de manière absolue.

La brisure de symétrie Matière-antimatière

Une brisure de symétrie qui présente un intérêt tout particulier pour nous (et pour les lauréats du prix Nobel de physique 2008) est la brisure de symétrie Matière-Antimatière.

Toutes les particules qui constituent la matière ont une soeur jumelle « anti-particulaire ». Ainsi, il existe une particule nommée positon qui a toutes les caractéristiques d’un électron mais qui est chargé positivement. La rencontre entre une particule et son homologue anti-particule est détonante : les 2 entités disparaissent et libèrent toute leur énergie de masse (voir l’article “la masse de ce produit contient l’équivalent de 21 000 tonnes de TNT par gramme”). Conseil de physicien : si vous rencontrez un jour un extra-terrestre assurez-vous qu’il est fait de matière car une poignée de main entre un terrien-matière et un extraterrestre-antimatière ne donnerait qu’un flash intense d’énergie.

La symétrie matière-antimatière stipule qu’un monde fait d’antiparticule a exactement les mêmes caractéristiques qu’un monde fait de particules. C’est à dire que nos lois de la physique ne font pas la différence entre matière et anti-matière : pour notre extraterrestre-antimatière la tartine tombe toujours du côté beurré de sa planète-antimatière.

Au moment du big bang, il y a 14 Milliards d’année, la quantité de matière et d’antimatière était exactement la même. Comme nous habitons dans un univers fait de matière, il faut bien qu’il y ait une petite différence entre une particule et son homologue antiparticule. Cette différence accordant un petit avantage à la matière qui a pu perdurer au-delà des premières seconde du big bang. Les travaux des 3 Nobels de physique 2008 ont permis d’expliquer cette petite différence, cette brisure spontanée de symétrie matière-antimatière.

Comme l’ont dit les membres du comité Nobel « nous sommes tous des enfants de la brisure de symétrie » et cela valait bien un Nobel à ceux qui ont su l’expliquer.

Références bibliographiques : chapitre « la symétrie en physique » in la nature de la physique – R. Feynman

du femtomètre aux années-lumière

universcale

Nikon propose sur son site anglais une belle animation pour illustrer les différentes échelles de notre univers : universcale. Cela rappelle le film sur les puissances de 10.

L’animation est en anglais, mais la navigation est assez facile : en cliquant sur les textes, ceux-ci disparaissent. Pour « zoomer » ou « dézoomer », il suffit d’utiliser la molette centrale de sa souris.

Elle illustre parfaitement le caractère « lacunaire » de la matière : il y a parfois de grandes plages d’échelles sans aucun objet. Par exemple, la taille de notre galaxie est de 1021m et la taille d’une nébuleuse est de l’ordre de 1018 m. On ne connait pas d’objet dont la taille est intermédiaire. De la même façon, notre système solaire s’étend sur 1014 m et contient une étoile de 109 m et des planètes de l’ordre de 108 m mais il n’y a pas d’objet entre 109 m et 1014 m. Cette structure lacunaire se retrouve également au niveau microscopique. En effet, à partir de 10-10 m, il ne semble plus y avoir « d’objet » mais en continuant à zoomer, on finit par trouver le noyau de l’atome à 10-15 m (cela répond aux interrogations de Lélia dans les commentaires de « ce produit est en fait constitué à 99,9999999999 % d’espace vide« ). La diversité d’objet que nous connaissons de 105 m à 10-9 m n’existe donc pas à toutes les échelles.

Une centrale nucléaire peut-elle exploser comme une bombe nucléaire ?

Explications en vidéo


Une centrale nucléaire peut-elle exploser comme… par lewebpedagogique

Centrales nucléaires et bombes nucléaires ont en commun de tirer parti de l’extraordinaire énergie contenue dans le noyau des atomes à travers des réactions nucléaires de fission (voir les articles « Ce produit est constitué de 99,999999 % de vide » et « Ce produit contient l’équivalent de 21 000 tonnes de TNT« ). On distingue 2 types de réactions nucléaires : la fusion et la fission. Dans la fusion, 2 petits noyaux se réunnissent pour former un gros noyau alors que dans la fission, c’est un gros noyau qui se désintègre en plusieurs petits noyaux : généralement 2 noyaux + 2 ou 3 neutrons comme on peut le voir sur la figure ci-contre où un noyau d’Uranium 236 (contenant 236 particules) se désintègre pour former un noyau de Krypton , de Baryum 141 et 3 neutrons. L’Uranium 236 est un isotope de l’Uranium : il contient 92 protons (comme tous les noyaux d’uranium) et 236-92 = 144 neutrons. On ne le trouve pas naturellement dans la nature puisque les minerais d’uranium sont constitués à 99,3 % d’Uranium 238 (92 protons et 146 neutrons) et 0,7 % d’Uranium 235 (92 protons et 143 neutrons). Pour former un noyau d’Uranium 236, il faut qu’un noyau d’Uranium 235 capte un neutron comme cela est indiqué sur la figure ci-dessous :

Réaction en chaîne

Ainsi, la réaction nucléaire au coeur d’une centrale nucléaire comme d’une bombe nucléaire est du type :

1 noyau d’Uranium 235 + 1 neutron → 2 noyaux plus petits + 2 à 3 neutrons

Supposons que 2 neutrons émis par la désintégration d’un noyau d’Uranium 235 rencontrent 2 noyaux d’uranium 235. Ceux-ci vont à nouveau se désintégrer donnant naissance à 2×2=4 nouveaux neutrons eux-mêmes susceptibles de rencontrer 4 autres noyaux d’uranium 235 qui eux-même vont produire 4×2=8 nouveaux neutrons susceptible de continuer le processus (voir le schéma ci-contre) : c’est une réaction en chaîne. Sachant qu’à chaque fois que ce processus à lieu, il libère une très grande énergie, on comprend qu’une réaction nucléaire libère une quantité colossale d’énergie en un temps extrêmement court : 10 kg d’Uranium 235 sont complètement désintégrés en seulement 84 étapes comme celle qui vient d’être décrite !

Masse critique

L’emballement ou non de la réaction dépend de la rencontre ou non entre les noyaux produits par la désintégration  et d’autres noyaux d’Uranium 235. S’il n’y a pas assez de noyaux d’Uranium 235, les neutrons produits vont pouvoir s’échapper de l’échantillon d’uranium 235 et la réaction en chaîne ne se fera pas. Il y a donc une masse critique d’uranium 235 pour laquelle la réaction en chaîne se réalise. En théorie cette masse est de 200 kg d’Uranium 235. Durant la seconde guerre mondiale, il n’était pas possible de réunir une telle masse d’uranium 235 et les scientifiques Nazis ont renoncé à développer une bombe nucléaire pour cette raison. Cependant, le groupe de chercheur réuni par le gouvernement Américain à Los Alamos pour élaborer la bombe nucléaire réussirent à réduire cette masse critique en entourant l’uranium 235 de réflecteur à neutrons, renvoyant les neutrons émis vers le centre du « combustible ». Cela leur permit de réduire la valeur de la masse critique à 15 kg d’Uranium 235.

Enrichissement de l’uranium

Comme nous l’avons vu, à l’état naturel, les minerais d’Uranium sont constitué à seulement 0,7 % d’Uranium 235. Cette concentration est bien trop faible pour initier la réaction en chaîne. Il est nécessaire d’enrichir l’Uranium pour augmenter la concentration en Uranium 235. Pour un usage militaire (dans les bombes nucléaires), il faut 80 % d’Uranium 235. L’enrichissement de l’uranium est très complexe, très long et très coûteux, il est nécessaire de séparer les noyaux d’Uranium 235 des noyaux d’Uranium 238. C’est la raison pour laquelle, bien que la technologie des bombes nucléaires soit relativement simple à comprendre sur le papier, tous les pays ne sont pas capables de construire une bombe nucléaire. La photo ci-contre montre un des instrument retrouvé en Irak qui permet d’enrichir l’uranium.

Dans les centrales nucléaires, pour que la réaction nucléaire ne s’emballent pas, on fait en sorte que les neutrons produis par la désintégration d’un noyau ne rencontre pas plus d’un noyau d’Uranium 235. Pour cela, on utilise un minerai à 3 % seulement et on ralentit les neutrons à l’aide d’un modérateur (de l’eau ou de l’eau lourde et des barres de carbones graphites) comme on peut le voir sur la photo ci-contre, où les barres de combustibles (à droite) sont au fond d’une piscine. Les neutrons produit par la réaction nucléaire sont ralentis par l’eau et empêche l’emballement de la réaction. En effet, en cas d’erreur de manipulation et d’emballement de la réaction, la lenteur des neutrons limite la taille de l’explosion. A une température de quelques milliers de degrés, les atomes bougent plus vite que les neutrons et ceux-ci ne leur rentrent plus dedans : la réaction en chaine est stoppée. L’énergie produite peut effectivement faire exploser le réacteur mais à des niveaux d’énergie comparable à celle des explosions conventionnelles, c’est à dire des millions de fois plus petite qu’une explosion nucléaire. Contrôler une centrale nucléaire n’est pas du tout identique à contrôler une bombe nucléaire (par construction incontrôlable une fois la réaction en chaine activée).

Il y a bien de réels dangers dans l’utilisation des réacteurs nucléaires (dont celui de la fonte du réacteur en cas de fuite sur le système de refroidissement, avec le risque de dispersion de matériaux radioactifs dans l’environnement) mais une explosion du type bombe nucléaire n’en fait pas parti.

Et le plutonium ?

La fusion de noyaux de Plutonium est également utilisée dans les bombes nucléaires. Celle-ci est plus efficace que celle de l’uranium car elle produit plus de neutrons. La masse critique de Plutonium est donc plus faible que celle d’Uranium : 5 kg de Plutonium suffit là il en fallait 15 avec l’Uranium (en 1945, la bombe qui a explosé sur Hiroshima était une bombe à Uranium tandis que celle qui a explosé à Nagasaki était une bombe à Plutonium). Parmi les déchets de combustible des réacteurs nucléaires, on trouve beaucoup de Plutonium. En effet, lorsque l’uranium 238 (qui constitue la majorité des barres de combustible) est frappé par un neutron, il se transforme en noyau d’Uranium 239, élément radioactif (temps de demi-vie de 23 min) qui se désintègre en Neptunium 239, lui-même radioactif (demi-vie 2,3 jours) pour donner les fameux noyaux de plutonium 239.

Ainsi, l’enjeu du nucléaire civil dépasse bien souvent le simple accès aux ressources énergétique car lorsqu’un pays se dote d’une centrale nucléaire, il se munit par la même occasion d’une source de Plutonium, susceptible d’être recyclé à des fins militaires : la frontière entre nucléaire civil et nucléaire militaire est ténue comme l’illustre cet extrait d’un article publié dans le monde du 16 Novembre 2007 :

Le rapport remis, vendredi 16 novembre, par le directeur de l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA), Mohamed El Baradei, ne permet pas de savoir si le programme nucléaire iranien est civil ou militaire. Guetté comme une étape cruciale dans la crise diplomatique autour du nucléaire iranien, le rapport que le directeur de l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA), Mohamed El Baradei, a remis, vendredi 16 novembre, est un document lourd d’ambiguïtés, susceptible de donner lieu à des interprétations divergentes, et donc d’attiser les tiraillements à l’ONU à propos de nouvelles sanctions contre Téhéran.

La radioactivité 2-protons : un quatrième type de radioactivité

Dans le cours de Terminale S, on apprend qu’il y a 3 sortes de radioactivité : α, β+ et β. Dans cet article du site techno-science.net, on apprend qu’un autre type de radioactivité est possible bien que très rarement observé : la radioactivité 2-protons. Celle-ci a été réalisé dernièrement dans les locaux du GANIL (Grand Accélérateurs National d’Ions lourds dont je vous recommande la visite virtuelle). Dans ce type de radioactivité, ce sont 2 protons qui sont émis. Elle est rarement observée car elle est issue de noyaux présentant un excès de protons. Ceux-ci sont très instables et difficile à synthétiser au laboratoire. En effet, le noyau est le siège de 2 interactions aux effets contraires :

  • l’interaction forte qui assure la cohésion du noyau auxquels sont soumis les protons et neutrons,
  • et l’interaction coulombienne (ou électrique) qui tend à repousser les protons entre eux.

Généralement les noyaux ont un excès de neutrons par rapport aux protons car cela permet d’éloigner les protons les uns des autres et donc de diminuer la répulsion électrique à laquelle ils sont soumis.

L’existence de la radioactivité 2-protons a été formulée théoriquement dans les années 60. Son observation expérimentale fournit de nouvelles données sur la façon dont les protons s’associent dans le noyau ce qui permet de mieux comprendre les processus à l’oeuvre dans la nucléosynthèse stellaire (les explosions nucléaires qui ont lieu au cœur des étoiles et des supernova). Rappelons que ce processus est à l’origine de tous les éléments chimiques de notre environnement : des atomes d’hélium jusqu’aux atomes d’uranium en passant par les atomes de carbone et d’oxygène qui nous constituent.