Questionnaire TS-Physique-chap 5 :
Noyau, masse et énergie

Equivalence masse-énergie :

Relation d'Einstein :

• Donnez la définition de la relation d'Einstein qui donne l'expression de l'énergie de masse :
  


• Ceci à une conséquence très importante quant à la variation de la masse d'un système, laquelle est-ce ?
  

Défaut de masse et énergie de liaison :

• Donnez la définition littérale et mathématique du défaut de masse :
  


• Donnez la définition littérale et mathématique de l'énergie de liaison d'un noyau :
  


• Exemple : Calculez l'énergie de liaison d'un noyau d'hélium :
  On donne : m _P = 1.67262 * 10 ^-27 kg ; m _N = 1.67493 * 10 ^-27 kg ; m _He = 6.64449 * 10 ^-27 kg

Une nouvelle unité d'énergie : l'électron-volt (eV) :

Etant donné la valeur de l'énergie calculée précédemment, on préfère utiliser une nouvelle unité d'énergie, bien plus petite que le Joule.

• Donnez la correspondance entre une énergie en Joule et une énergie exprimée en électron-volt puis calculez l'énergie de liaison du noyau d'hélium en électron-volt :
  


• Nous avons utilisé ci-dessus un multiple de l'électron-volt. Donnez les multiples couramment utilisés pour donner des valeurs d'énergie :
  

Energie de liaison par nucléon et courbe d'Aston :

• Donnez la définition de l'énergie de liaison par nucléon :
  


• Une fonction mathématique se note généralement y = f(x).
  Dans la courbe d'Aston, qui est y et qui est x ?
  


• Donnez l'allure de la courbe d'Aston :
  




• A quoi sert-elle ?
  


• La courbe d'Aston se lit comme un diagramme énergétique, où se situe donc les noyaux les plus stables ?
  

Réaction de fission et de fusion nucléaire :

Généralités :

• Sur la courbe d'Aston, situez les noyaux qui vont être soumis à la fusion et ceux qui seront soumis à la fission.
  Sur quelle partie de la courbe se trouvent les produits de ces réactions nucléaires ?
  


• Les réactions nucléaires de fusion et de fission sont qualifiées de réactions provoquées. Qu'est-ce qu'une réaction provoquée ?
  


• A quelles lois doivent forcément répondre les réactions de fusion et de fission étant donné leur caracétère de réaction nucléaire ?
  

Réaction de fission nucléaire :

• Définition, complétez :

  Elle se produit lors de la rencontre d’un neutron ......... (énergie cinétique Ec = 0.1 MeV), dit neutron ............., avec un noyau ............. tel l’uranium ........ ; ce qui provoque la naissance de deux noyaux plus ..............
  La première fission de l’uranium 235 a été obtenue par ............. .... ............ ..............................

• Conditions d'obtention et applications, complétez :

  • Le fait que ce soit un neutron qui initie la réaction est intéressant car il n’y a pas de ................. lors de la rencontre entre le ............. (non chargé) et le ............. ......................
    
  • Une réaction de fission va donner naissance à des noyaux ....... mais aussi à des ............. , ceux-ci pouvant aller rencontrer d’autres noyaux d’............. : on obtient alors une réaction en ..............
    
  • Il existe deux applications intéressantes de cette réaction :
    
    * Soit on laisse la réaction nucléaire s'............. et on obtient une ........... ................ A.
    * Soit on contrôle la réaction pour ............. de l'............. dans les ............. nucléaires.
    
  
  
• Exemple de réaction de fission : donnez l'équation de la réaction de fission de l’uranium 235 qui donne naissance à un noyau de strontium 94 et à un noyau de Xénon 140 :
  

Réaction de fusion nucléaire :

• Définition, complétez :

  Pour avoir une fusion nucléaire, il faut que deux noyaux ............. s’............. pour donner naissance à un noyau plus ..............

• Conditions d'obtention et applications, complétez :

  • Ces noyaux légers sont composés de neutrons et de protons, ainsi, il leur faut une très grande ............. pour ............. les forces de .................... : on porte alors le milieu à très haute .......................... En conséquence, la réaction de fusion est appelée réaction .............................
    
  • Ces réactions de fusion se font naturellement dans les ................ : des noyaux d’................... vont fusionner en plusieurs étapes pour donner des noyaux d’................
    
  • On créé avec cette réaction des bombes ..................... (bombes H). C’est alors la ................ nuléaire qui permet d’engendrer la haute ................ et donc la fusion.
    
  • On cherche depuis des années à contrôler la fusion pour s’en servir dans les ................ .................... La difficulté réside dans le confinement du .................
    
  • Exemple de réaction de fusion : donnez l'équation de la fusion la plus courante où s'unissent un noyau de deutérium et un noyau de tritium :
    
  
  
  • Remarques :
    
    * A très haute température, la matière est à l’état de ................ : les électrons se sont .................... du noyau auquel ils appartenaient, on obtient un ........ d’électrons et de noyaux atomiques.
    
    * Le deutérium et le tritium sont deux isotopes de l’hydrogène, ils ont respectivement un neutron et deux neutrons, alors que le noyau d’hydrogène n’a qu’un proton.

Bilan de masse et d’énergie d’une réaction nucléaire :

Généralités :

• Soit une réaction nucléaire quelconque d’équation :
  
  
  Donner la formule permettant de calculer le bilan énergétique de cette réaction :
  
  

  Remarque : En physique nucléaire, on utilise généralement une autre unité de masse que le kilogramme, appelée unité de masse atomique. Elle est définie par : 1 u = 1.66054 * 10^-27 kg et correspond à 1/12^ème de la masse d'un atome de carbone 12.

Exemple pour la radioactivité α:

• Ecrivez l’équation de désintégration du radium (Z = 88, A = 226) :
  


• Calculer en MeV l’énergie libérée lors de la désintégration d’un noyau de radium 226 :
  On donne :
  
  
  
  
  
  
  

  Remarque : Les masses seront souvent données en unité de masse atomique, de ce fait on utilisera facilement la formule suivante pour calculer l'énergie libérée par une réaction nucléaire, en MeV :
  
  ΔE (en MeV) = Δm (en u) * 931.5

• Si on veut comparer l'énergie d'une réaction nucléaire à l'énergie d'une réaction chimique, il faut parler en mole de noyaux.
  
  Quelle est l'énergie libérée par mole de noyaux par la désintégration du radium 226 ?
  

Exemple pour la radioactivité β:

• Ecrivez l’équation de désintégration du cobalt (Z = 27, A = 60) :
  


• Calculer en MeV l’énergie libérée lors de la désintégration d’un noyau de cobalt 60 :
  On donne :
  
  
  
  


• Quelle est l'énergie libérée par mole de noyaux par la désintégration du cobalt 60 ?
  

Calcul de l'énergie libérée par la fission nucléaire :

• Soit l'équation de fission de l'uranium 235 :
  
  
  Calculez l'énergie libérée par cette fission :
  On donne :
  
  
  
  


• Quelle est l'énergie libérée par mole de noyaux par la fission de l'uranium 235 ?
  


• Calculez l'énergie libérée par nucléon pour cette fission :
  

Calcul de l'énergie libérée par la fusion nucléaire :

• On considère la réaction de fusion entre un noyau de deutérium et un noyau de tritium :
  
  
  Calculez l'énergie libérée par cette fission :
  On donne :
  
  
  
  



• Calculez l'énergie libérée par nucléon pour cette fusion :
  


• Comparez cette énergie à celle libérée par la fission de l'uranium 235 :