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Réactions nucléaires - Masse et énergie - Fiche Révision

Fiche synthétique sur les réactions nucléaires. Réaction nucléaire et énergie, stabilité d'un noyaux, réaction nucléaire provoquée...

Introduction

Les réactions nucléaires, masse et énergie. Lors de toute réaction nucléaire, il y a conservation du nombre de masse À, et du nombre de charge Z. Nous aborderons la réaction nucléaire et énergie, la stabilité des noyaux, réaction nucléaire provoquée.

I. Réaction nucléaire et énergie

1. Energie libérée lors d'une désintégration radioactive :

Cette réaction libère de l'énergie sous deux formes : cinétique et rayonnante.
Exemple : 22688Ra -> 22286Rn + 42He + δ

2. Perte de masse :

Unité de masse atomique
C'est une unité mieux adaptée à l'échelle atomique. Elle est égale au 12ème de la masse d'un atome de carbone 12.

On a : 1u = 1/12 x 12.10-3/NA = 1,66054.10-27 kg

Perte de masse

Par la réaction étudiée, on s'aperçoit que :
M226Ra = 225,9770 u
M222Rn = 221,9703 u
M4He = 4,0026 u
Avant la réaction, M226Ra = 225,9770 u
Et après la réaction, M222Rn + M4He = 221,9703 + 4,0026 = 225, 9729 u
On a donc une perte de masse |Δm| = 0,0041 u

3. Formule d'Einstein

Toute particule de masse m possède au repos une énergie de masse E = mc², où E est l'énergie en Jouls (J), m la masse en kilogrammes (Kg) et c la célérité de la lumière dans le vide (m.s-1).

4. Une autre unité d'énergie : l'électron-volt (eV)

On a : |qe| = 1,6.10-13 C -> 1 eV = 1,6.10-19 J
Pour convertir une énergie en coulomb en électron-volt, il suffit de faire E = C / 1 eV.

II. Stabilité des noyaux

1. Défaut de masse d'un noyau

La formation d'un noyau à partir de ses nucléons pris séparément s'accompagne toujours d'une perte de masse.

Exemple: noyau d'Hélium M4He = 4,0026 u

Mp = 1,0073 u ->
-> 2Mp + 2Mn = 4,0320 u -> M4He < 2Mp + 2Mn
Mn = 1,0087 u ->
Généralisation : pour un noyaux AZX, il y a un défaut de masse |Δm| = ZMp + (A-Z)Mn - MAZX

2. Energie de liaison d'un noyau

C'est l'énergie libérée lors de la formation du noyau à partir de ses nucléons séparés.
On a la formule : E = [ZMp + (A-Z)Mn - MAZX ].c²

3. Energie de liaison par nucléons

Par définition, c'est le quotient de l'énergie de liaison par le nombre de nucléons du noyau.
On a la formule : El / A

4. Courbe d'Aston - Voir TP

C'est la courbe qui représente -El / A en fonction de A -> -El / A = f(A). Un noyau est d'autant plus stable, que son énergie de liaison par nucléon est grande.

III. Réaction nucléaire provoquée

1. Réaction de fission

Définition
La fission est une réaction nucléaire provoquée dans laquelle un noyaux lourd donne naissance à deux noyaux plus léger, sous l'impact d'un neutron.

Exemple: 23592U + 10n -> 9438Sr + 13954Xe + 310n

Remarque: l'écriture de l'équation bilan doit respecter les lois de conservation de A et Z (loi de Soddy). Les neutrons produits par la réaction peuvent à leur tour provoquer d'autres fissions. On a donc une réaction en chaîne.

Bilan d'énergie

En supposant que l'énergie cinétique des noyaux, ainsi que celle du neutron incident soit négligeables, calculer en Joules, puis en MeV, l'énergie libérée par la fission d'un noyau d'uranium.

On calcule la perte de masse :
|Δm| = (mu + mn) - (mSr + mXe + 3mn)
|Δm| = 0,1902 u

Puis l'énergie libérée associée à un noyau :
E = |Δm|.c² = 2,9.10-11 Jouls
E = 2,9.10-11 / 1,6.10-13 = 178,7 MeV

Puis l'énergie libérée associée à une mole : on utilise le nombre d'Avogadro.
E = 2,9.10-11 x 6,02.1023
E = 1,7.103 Jouls

Sachant qu'une tonne équivalent pétrole égal à 4,2.1012 Jouls, calculons la masse de pétrole nécessaire pour produire la même énergie :

E = 1,7.103 / 4,2.1012 = 400 T.E.P

Application

La fission nucléaire est réalisée de façon contrôlée dans les réacteurs des centrales nucléaires, et de façon non-contrôlées, dans les bombes atomiques.

2. Réaction de fusion

La fusion nucléaire est une réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux légers fusionnent pour donner un noyau plus lourd et plus stable.

Exemple: 21H+ 31H -> 42He + 10n

Cette réaction de fusion libérée de l'énergie.

La fusion nucléaire libère beaucoup d'énergie, mais pour la réaliser, il faut des températures de l'ordre de 108 Kelvin, d'où le nom de réaction thermonucléaire. Ce type de réaction se fait naturellement dans les étoiles. Dans la bombe H, ou bombe thermonucléaire, la fusion est incontrôlée. On essai de contrôler cette réaction autrement avec le programme ITEK, entre autre.

Conclusion

Les réactions nucléaires, les masses et énergies, sont des notions très complexes. Pour que vous puissiez les assimilées plus simplement nous vous conseillions de lire des ouvrages sur le nucléaire et de vous intéresser aux intérêts des énergies nucléaires.

En voyant les tenants et aboutissants de l'énergie nucléaire vous aurez plus de facilité dans la compréhension de cette leçon.

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