Transformations nucléaires
ACTIVITES
A1. Energie libérée lors des transformations nucléaires.
La production d'énergie est un enjeu majeur de notre époque.
D'où l'énergie dégagée par le soleil et celle convertie dans les centrales nucléaires proviennent elles ?
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Doc 1 :L'énergie de liaison nucléaire. Le noyau des atomes est composé de neutrons et de protons, qui tiennent ensemble grâce à la force la plus intense de la nature : l'Interaction Forte, responsable de l'énergie de liaison nucléaire. Cette énergie peut être libérée soit en cassant les noyaux lourds, soit en fusionnant des noyaux légers. |
ACTIVITES
A1. Energie libérée lors des transformations nucléaires.
La production d'énergie est un enjeu majeur de notre époque.
D'où l'énergie dégagée par le soleil et celle convertie dans les centrales nucléaires proviennent elles ?
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Doc 1 :L'énergie de liaison nucléaire. Le noyau des atomes est composé de neutrons et de protons, qui tiennent ensemble grâce à la force la plus intense de la nature : l'Interaction Forte, responsable de l'énergie de liaison nucléaire. Cette énergie peut être libérée soit en cassant les noyaux lourds, soit en fusionnant des noyaux légers. |
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Doc 2 :L'énergie de liaison nucléaire. La "fission" consiste à projeter un neutron sur un noyau lourd instable (Uranium 235 ou Plutonium 239). Ces derniers éclatent alors en deux noyaux plus légers, le Xénon 140 et le Strontium 94. Cela produit de l'énergie et deux ou trois neutrons capables de provoquer alors d'autres fissions en allant percuter d'autres noyaux lourds. Cela produit de l'énergie et deux ou trois neutrons capables de provoquer alors d'autres fissions en allant percuter d'autres noyaux lourds. C'est le mécanisme de la réaction en chaîne. Aujourd'hui, c'est la fission qui est utilisée dans les centrales nucléaires pour produire de l'électricité.
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$\bullet$ Quel phénomène est responsable de l'énergie stockée dans les noyaux des atomes ?
$\bullet$ Expliquer le mécanisme de réaction en chaîne ayant lieu dans les centrales nucléaires.
$\bullet$ Ecrire la réaction de fission du noyau d'uranium évoquée dans le doc2.
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Doc 2 :L'énergie de liaison nucléaire. La "fission" consiste à projeter un neutron sur un noyau lourd instable (Uranium 235 ou Plutonium 239). Ces derniers éclatent alors en deux noyaux plus légers, le Xénon 140 et le Strontium 94. Cela produit de l'énergie et deux ou trois neutrons capables de provoquer alors d'autres fissions en allant percuter d'autres noyaux lourds. Cela produit de l'énergie et deux ou trois neutrons capables de provoquer alors d'autres fissions en allant percuter d'autres noyaux lourds. C'est le mécanisme de la réaction en chaîne. Aujourd'hui, c'est la fission qui est utilisée dans les centrales nucléaires pour produire de l'électricité.
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$\bullet$ Quel phénomène est responsable de l'énergie stockée dans les noyaux des atomes ?
$\bullet$ Expliquer le mécanisme de réaction en chaîne ayant lieu dans les centrales nucléaires.
$\bullet$ Ecrire la réaction de fission du noyau d'uranium évoquée dans le doc2.
A2. Vie et mort d’une étoile.
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Jusqu'au XIXème siècle les scientifiques supposaient que l'énergie libérée par une étoile provenait d'une réaction de combustion en son cœur. Une hypothèse aujourd'hui rejetée car elle n'offrait au soleil que quelques milliers d'années à briller D'où provient l'énergie libérée par le soleil ? |
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Doc 1 :La vie d’une étoile. Lorsqu'une nébuleuse (un amas) de gaz s'effondre sur elle-même, sa température augmente pour atteindre 10 millions de degrés. Commencent alors des réactions nucléaires, qui libèrent une telle énergie que l'étoile naissante cesse de se contracter et se met à briller. Dans les premiers stades de sa vie, l'étoile alors appelée naine jaune, consomme l'hydrogène qui la compose en le transformant en hélium 4, dont le noyau contient 2 protons et 2 neutrons. Lorsque la réserve d'hydrogène est épuisée, l'étoile grossit et devient une géante rouge, dans laquelle l'hélium est consommé pour former des noyaux plus lourds comme le carbone ou l'oxygène. Dans une étoile, la matière n'est ni solide, ni liquide, ni gazeuse, elle est comparable à une "soupe" où noyaux et électrons ne sont plus liés, ils circulent librement. Une fois l'hélium épuisé : $\bullet$ Si la masse de l'étoile est inférieure à $3 \times 10^{ \ 30} \ kg$ les réactions cessent. L’étoile devient de plus en plus petite, son atmosphère se disperse dans l'espace, et seul reste le noyau, alors appelé naine blanche. Ce dernier refroidit jusqu'à s'éteindre et mourir. On parle alors de naine noire. $\bullet$ Si la masse de l'étoile est supérieure à $3 \times 10^{ \ 30} \ kg$, alors elle explose on parle de supernova. |
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Doc 4 :Fusion nucléaire et projet ITER.
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$\bullet$ A l’aide des documents fournis et des données, identifier à quel stade de sa vie en est le Soleil.
$\bullet$ L’hydrogène-1 et le deutérium (hydrogène-2), d’une part, l’hélium-3 et lhélium-4 sont des noyaux dits "isotopes". Donner la composition de ces noyaux et proposer une définition du terme "isotope".
$\bullet$ Expliquer les notations "$^{ \ 1}_{ \ 1} p$ " et " $^{ \ 1}_{ \ 0} n$" utilisées pour le neutron et le proton.
$\bullet$ Justifier que les transformations qui ont lieu lors au cœur d'une étoile ne sont pas des réactions chimiques.
$\bullet$ Etablir les réactions nucléaires illustrées dans le doc3.
$\bullet$ Justifier le terme "fusion" utilisé pour caractériser ce type de réactions nucléaires.
$\bullet$ Expliquer pourquoi des scientifiques cherchent à maîtriser la fusion nucléaire.
EXERCICES P117 : 19 ; 20 ; 1 ; 22 ; 23 ; 24
COURS
C1. Noyaux et isotopes.
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Définition : Deux noyaux sont isotopes s'ils ont le même nombre de protons et n'ont pas le même nombre de neutrons. Ils appartiennent au même élément chimique mais n'ont pas la même masse. |
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$\bullet$ La découverte des isotopes revient en physicien britannique Sir Joseph John Thomson (1856-1940), qui en 1892 découvre, à la suite d'une expérience, que deux atomes d'un même élément peuvent avoir des masses différentes.
$\bullet$ En pratique, un isotope est désigné par le nom de l'élément chimique auquel il appartient et par le nombre de nucléons présents dans son noyau.
Exemple :
Le carbone 14 et le carbone 12 sont deux noyaux isotopes de l'élément carbone, de numéro atomique Z = 6. Chacun contient 6 protons. Chacun contient respectivement 14 – 6 = 8 et 12 – 6 = 6 neutrons.
Remarque :
Un noyau est dit "stable" lorsque sa désintégration n'est pas spontanée. Dans le cas contraire, il est dit "instable".
Cette instabilité est due à un nombre trop important de neutrons. Le noyau instable se désintègre spontanément pour former un noyau stable.
C1. Noyaux et isotopes.
C21. Modélisation.
$\bullet$ Un noyau atomique est noté : $^{ \ A}_{ \ Z}X$
X représente le symbole de l'élément considéré.
Z est le nombre de protons contenus dans le noyau.
A est le nombre de nucléons (protons et neutrons) contenus dans le noyau.
$\bullet$ Une transformation nucléaire est modélisée par une réaction nucléaire à laquelle on associe une équation du type :
$^{A_1}_{Z_1}X_1 \ + \ ^{A_2}_{Z_2}X_2 \ \longrightarrow \ ^{A_3}_{Z_3}Y_3 \ + \ ^{A_4}_{Z_4}Y_4$
$\bullet$ Lors d'une telle réaction, il y a conservation du nombre de protons et du nombre de neutrons :
$$ \left\{ \begin{array}{ll} A_{ \ 1} \ + \ A_{ \ 2} \ = \ A_{ \ 3} \ + \ A_{ \ 4} \\ Z_{ \ 1} \ + \ Z_{ \ 2} \ = \ Z_{ \ 3} \ + \ Z_{ \ 4} \end{array} \right. $$
C22. La fission.
$\bullet$ Lors de la fission nucléaire, un noyau (noyau père) se scinde en deux autres noyaux plus légers (noyaux fils). Cette fission est réalisée par la projection d'un neutron ($_0^1n$ ) sur le noyau père.
$\bullet$ Lors de cette réaction, d'autres neutrons sont alors éjectés du noyau père, pouvant alors percuter d'autres noyaux qui à leur tour se scindent. On parle de "réaction en chaîne".
$\bullet$ Cette réaction provoque une grande quantité d'énergie. C'est cette énergie qui est récupérée dans les centrales nucléaire pour produire de l'électricité.
C23. La fusion au sein Soleil.
$\bullet$ Au cœur du Soleil, ce sont deux noyaux légers qui fusionnent sous l'effet de la très haute température (15 millions de degré Celsius).
$\bullet$ Cette fusion libère elle aussi une grande quantité d'énergie.
$\bullet$ Cette énergie maintient une température élevée et est libérée sous forme de rayonnements.
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