POLY-PREPAS Centre de Préparation aux Concours - Poly

POLY-PREPAS
Centre de Préparation aux Concours Paramédicaux
- Section Orthoptiste / stage i-Prépa intensif -
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Suite énoncé des exos du Chapitre 14 :
Noyaux-masse-énergie
I.
Fission nucléaire induite (provoquée) :
a) Principe de la fusion nucléaire :
Réaction nucléaire provoquée par l’impact d’un neutron « lent » sur un noyau lourd dit :noyau-cible ;
celui-ci se divise alors en deux noyaux plus légers et plus stables (les produits de fission), et en
neutrons possédant une très grande vitesse.
L’énergie est donc libérée sous forme d’énergie cinétique des neutrons, et de rayonnement
Matières fissiles :
;
;
;
Exemple : fission induite de l’
+
⟶
Bilan énergétique pour un noyau :
Ø
=
é
+2
+
+
l’énergie libérée par la fission d’un noyau est :
−
(
> 0)
∶ l’énergie libérée par une réaction nucléaire correspond à la
diminution de la masse totale du système :
=
−
× ²
é
Pour un noyau d’
:
=(
( )+
( ) −
2
(
)−
(
)− 2
( ))× ²
Ø
Pour un noyau d’
é
=
:
(
)+
∶
(
=
)−
−
( )
é
Réactions en chaîne :
Les neutrons émis lors de la fission peuvent à leur tour provoquer la fission d'autres noyaux ; il peut se
produire une réaction en chaîne qui devient rapidement incontrôlable (principe de la bombe à fission,
ou bombe atomique).
Soit k le nombre moyen de neutrons libérés qui provoquent une fission.
·
·
·
Si k < 1, la réaction s’arrête. Le système est sous-critique.
Si k > 1, la réaction peut devenir explosive. Le système est sur-critique.
Si k = 1, la réaction s’auto-entretient. Le système est critique
b) Centrale nucléaire : EPR génération II (Réacteur à Eau Pressurisée)
Dans le réacteur nucléaire, les réactions nucléaires sont contrôlées par un modérateur et par des barres
mobiles (en bore) placé entre les barres de combustible
(
) qui absorbent ou piègent une partie des neutrons émis à très grande vitesse. Sans
contrôle, une réaction en chaîne se produirait, et deviendrait incontrôlable : c’est la bombe atomique.
La chaleur (énergie cinétique des neutrons émis) libérée par la fission du combustible nucléaire permet
de chauffer de l’eau et d’obtenir de la vapeur dont la pression fait tourner des turbines entraînant un
alternateur, producteur d’électricité.
Puissance d’un EPR : 900 MW à 1300 MW
1 kg d’Uranium ⇔ 20 000 tonnes de TNT
Remarque : les produits de fission sont des radio-isotopes à demi-vie assez longue : ce sont les déchets
radioactifs, qu’il faut traiter et enfouir (La Hague)
c) Rendement
:
=
=
∆
⟹
=
=
×∆ ,
×
3
∆
′
ù∶
=
×∆
II.
Principe de la fusion nucléaire :
Deux noyaux légers sont « assemblés » pour former un noyau plus stable et plus lourd (mais dont la
masse est inférieure à la somme des masses des noyaux légers mis en jeu)
Pour que la fusion soit possible, les deux noyaux doivent posséder une grande énergie cinétique de
façon à vaincre les forces de répulsion électrostatiques. Ainsi, rapprocher les noyaux légers et les faire
fusionner nécessite des températures très élevées, de l’ordre de 107 K.
Ainsi, dans une bombe à fusion (bombe H), le détonateur est assuré par une bombe A
L’énergie libérée par la fusion (sous forme d’énergie cinétique des particules émises) est cependant
très supérieure à l’énergie apportée pour faire fusionner les noyaux.
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Ex : fusion deutérium( 1 ) /tritium (
=
Bilan énergétique :
Pour un noyau d’
=(
:
Ø
Pour un noyau d’21 ∶
+
⟶
−
é
Ø
)
∶
(
=
é
)+
4
2
+
) −
(
é
=
(
2
1
∶
−
+
> 0)
−
(
)−
=
( 31 )
× ²
( ))× ²
−
é
L'énergie libérée au cours d'une fusion nucléaire est considérable. Ce sont des réactions de fusion qui
produisent l'énergie des étoiles.
d) Avantages et inconvénients de la fusion par rapport à la fission :
ü L’énergie libérée par la fusion nucléaire est considérable
ü La fusion libère par nucléon une énergie plus importante que la fission
ü Le deutérium
est présent dans l’eau de mer, c’est donc une réserve d’énergie quasiinépuisable
ü La fusion ne présente pas les dangers de retombées radioactives de la fission, en particulier il y
a très peu de déchets nucléaires
ü L’exploitation industrielle de la fusion représente un défit extrêmement difficile (projet ITER)
et n’a pas lieu à ce jour
ü
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Chapitre 15 : Ouverture au monde quantique
I.
Limites de la mécanique de Newton :
Au niveau macroscopique : un satellite peut graviter à une distance quelconque d’un astre.
D’après la mécanique de Newton, ce modèle dit : planétaire, affirme qu’il y a une infinité d’orbites
possibles et que l’on peut déterminer complètement le mouvement.
En revanche, au niveau submicroscopique, chaque atome a un volume bien défini donc le rayon
atomique d’un élément est précis ; on ne trouve pas les électrons d’un atome en orbite sur n’importe
quel rayon mais sur des couches bien définies , K, L, M, N…
⟹ le modèle planétaire ne peut s’appliquer à l’atome ; les Lois de Newton
ne sont plus valables dans le monde submicroscopique
II.
Quantification des niveaux d’énergie :
1887 : expérience de Hertz, effet photo-électrique
Si l’on éclaire une plaque de zinc avec une lampe à incandescence, on ne relève aucun phénomène ;
quelle que soit sa puissance, il ne se passe rien, aucun électron n’est éjecté.
Si l’on éclairez maintenant la même plaque de zinc avec un rayonnement UV, on constate que même à
très faible puissance, des électrons sont éjectés.
Comment expliquer ce phénomène, dit : effet photo-électrique ?
1900 : Max Planck émet l’hypothèse que les échanges d’énergie ne se font pas de façon continue mais
par paquets, ou quantas, c’est-à-dire que chaque radiation lumineuse de fréquence transporte une
certaine quantité d’énergie
1905 : Einstein : « les quantas sont portés par des corpuscules de pure énergie, de masse nulle, et se
déplaçant à la vitesse de la lumière » : les photons
L’énergie d’un photon correspondant à une radiation de fréquence
(et donc de longueur d’onde
= ) est donnée par la relation :
∶
=
=
1913 : Postulat de Bohr :
- Les variations d’énergie de l’atome sont quantifiées
Les niveaux d’énergie sont quantifiés, l’atome ne peut exister que dans certains états d’énergie bien
définis ; les orbites sur lesquelles gravitent les électrons sont quantifiées
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