Masse et énergie - Réactions nucléaires

Masse et énergie
Réactions nucléaires
I- Equivalence masse - énergie
1- L’hypothèse d’Einstein
Définition : Un système au repos, de masse m, possède une énergie de masse E, donnée par la relation
d’Einstein : E = mc2
E : énergie en joules (J)
m : masse en kg
c = 3,00.108 m.s-1 : vitesse de la lumière dans le vide
Cette relation est appelée relation d’équivalence entre la masse et l’énergie
Remarque : Si Δm est négatif alors ΔE est négatif. L’énergie est donc libérée par le système au milieu
extérieur.
Si Δm est positif alors ΔE est positif. L’énergie est donc libérée au système par le milieu extérieur.
2- Une unité d’énergie : l’électron-volt
A l’échelle microscopique, on utilise comme unité d’énergie l’électron-volt (eV) et on dit que :
1 eV = 1,6.10-19 J
1 keV = 103 eV
1 MeV = 106 eV
1 GeV = 109 eV
II- Energie de liaison
1- Défaut de masse d’un noyau
On a constaté que la masse d’un noyau atomique au repos est toujours inférieure à la somme des
masses des nucléons qui le constituent pris séparément au repos.
A
Z
X
Z protons
A-Z neutrons
Masse du noyau au repos : mnoyau
Masse des nucléons : Zmp + (A-Z)mn
La quantité
Zmp + (A-Z)mn - mnoyau
est le défaut de masse du noyau. Il est toujours positif.
L’unité de masse atomique (symbole : u) est égale à 1/12 de la masse de l’atome de carbone 12 :
1u = 1,66054.10-27 kg
2- Energie de liaison
L’énergie de liaison Eℓ = |Δm| c2 est l’énergie que le milieu extérieur doit fournir pour briser un
noyau au repos en ses nucléons libres et au repos.
3- Energie de liaison par nucléon
L’énergie de liaison par nucléon dans un noyau est le quotient de l’énergie de liaison par le nombre de
Eℓ
nucléons du noyau : —
A
4- La courbe d’Aston
Eℓ en fonction de A. On a choisi cette
La courbe d’Aston est la représentation de la quantité - —
A
Eℓ )
fonction pour que les noyaux les plus stables (c’est-à-dire qui ont les plus grandes valeurs de —
A
apparaissent dans la partie la plus basse de la courbe.
Les noyaux stables sont ceux qui ont une énergie de liaison d’environ 8 MeV par nucléon.
Les noyaux instables peuvent évoluer de deux manières :
- les noyaux lourds peuvent se briser en deux noyaux légers appartenant au domaine de stabilité : ils
subissent alors une réaction nucléaire de fission
- certains noyaux légers peuvent fusionner pour former un noyau placé plus bas dans le diagramme : ils
subissent alors une réaction nucléaire de fusion
III- Fission et fusion nucléaire
1- Réaction nucléaire provoquée
a- Définition
Il y a réaction nucléaire provoquée lorsqu’un noyau projectile frappe un noyau cible et donne
naissance à de nouveaux noyaux.
b- Les lois de conservation
Les lois de Soddy de conservation de la masse A et de la charge Z s’appliquent à toutes les réactions
nucléaires qu’elles soient spontanées ou provoquées.
2- Fission nucléaire
a- Définition
La fission est une réaction nucléaire dans laquelle un noyau lourd donne naissance à deux noyaux plus
légers sous l’effet d’un choc avec un neutron.
b- Conditions de réalisation
La réaction en chaîne produit des neutrons qui peuvent provoquer de nouvelles fissions. Ils sont
ralentis par un modérateur.
La réaction en chaîne peut devenir explosive quand elle diverge, c’est-à-dire quand les neutrons
provoquent de plus en plus de fissions. C’est ce qui se passe dans les bombes atomiques de type A.
Dans les centrales nucléaires, cette réaction est contrôlée en utilisant des barres de contrôle en Bore ou
en Calnium qu’on introduit plus ou moins dans le réacteur.
3- Fusion nucléaire
a- Définition
Il y a fusion nucléaire lorsque deux noyaux légers s’unissent au cours d’un choc pour former un noyau
lourd.
b- Conditions de réalisation
Les deux noyaux chargés positivement doivent posséder une très grange énergie pour vaincre les
forces de répulsion électrique et se rapprocher suffisamment pour que la fusion se produise. Pour cela,
on peut porter le milieu à très haute température (108 K). On parle de réaction thermonucléaire.
IV- Bilan énergétique d’une réaction nucléaire
Toute réaction nucléaire s’effectuant avec perte de masse fournit de l’énergie au milieu extérieur :
ΔEc = -ΔE
Par nucléon, la fusion libère plus d’énergie que la fission.