Noyaux, masse, énergie

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Physique, Chapitre V Terminale S
NOYAUX, MASSE, ENERGIE
I - EQUIVALENCE MASSE - ENERGIE
1°) Des unités de masse et d’énergie adaptées
a) unité de masse : l’unité de masse atomique
b) Unité d’énergie : l’électron-volt
Le joule est une unité d’énergie inadaptée aux échanges d’énergie à l’échelle microscopique de la
physique nucléaire. Dans ce domaine , on s’intéresse à l’énergie d’une particule et non pas à l’énergie
d’une mole de particules.
L'électronvolt est défini comme l'énergie acquise par un électron accéléré par une tension de 1 V :
Ec = q . U Ec = 1,6.10-19 . 1 = 1,6.10-19 J 1 eV = 1,6.10-19 J
2°) Equivalence masse-énergie
a) Relation d’Einstein
b) Application : Energie associée à une unité de masse atomique

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II- DEFAUT DE MASSE ET ENERGIE DE LIAISON
1°) Défaut de masse d’un noyau
 Exemple : Cas d’un noyau d’hélium
He
4
2
Particule
Proton
Neutron
Noyau d’hélium
Masse (kg)
mp = 1,67265.10-27
mn =1,67496.10-27
mnoyau = 6,6447.10-27
2°) Energie de liaison
Lors de la dissociation d’un noyau en nucléons séparés, il y a un gain de
masse et donc, du fait de l’équivalence masse – énergie, un gain d’énergie
pour le système : cette énergie a été fournie au noyau pour le dissocier.
 Remarque : L’énergie de liaison est positive car c’est une énergie
qu’il faut fournir au système
(même convention que pour l’énergie de liaison d’une
molécule, cf cours de 1e S).
 Exemple : Energie de liaison d’un noyau d’hélium 4 :
3°) Energie de liaison par nucléon

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4°) La courbe d’Aston
Francis William Aston (1877-1945) est un physicien anglais, collaborateur de J.-J. Thomson. Il a recensé
les isotopes stables des principaux éléments et obtenu le prix Nobel de Chimie en 1922.
Il s’agit en fait de la représentation de la quantité - El / A en fonction de A afin que les noyaux les plus
stables (ceux qui ont la plus grande valeur de El / A) apparaissent dans la partie la plus basse de la courbe,
comme dans les diagrammes énergétiques.
Courbe d’Aston
 Les noyaux stables sont ceux qui ont une énergie de liaison par nucléon d’environ
8 MeV / nucléon. Leur nombre de masse A est tel que 50 < A < 110. Ils apparaissent autour du
minimum de la courbe.
 Les noyaux instables peuvent se transformer en d’autres noyaux plus stables avec libération d’énergie
selon deux processus différents :
- Les noyaux lourds (A > 95), comme par exemple
U
235
, peuvent se briser en deux noyaux légers
appartenant au domaine de stabilité. Ils subissent alors une réaction nucléaire de fission.
- Certains noyaux légers, comme par exemple
H
1
1
,
H
2
1
,
H
3
1
, peuvent « fusionner » pour former
un noyau placé plus bas dans le diagramme. Ce sont des réactions nucléaires de fusion.
Ces deux réactions ne sont pas spontanées mais provoquées.
Noyau
x
les plus
stables
Fission
Fusion
U
92
235
Xe
54
139
Sr
38
94
He
2
4
H
2
1
H
1
3

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III- REACTION NUCLEAIRE PROVOQUEE
La radioactivité est un phénomène au cours duquel une réaction nucléaire se produit spontanément. On
peut aussi provoquer des réactions nucléaires en réalisant des chocs entre noyaux.
1) Définition
2) Lois de conservation
 Exemple précédent : conservation des nombres de masse : 4 + 14 = 17 + 1
conservation des nombres de charge : 2 + 7 = 8 +1
Nous allons donc étudier deux réactions provoquées : la fission et la fusion.
3) La fission nucléaire
a) Définition
Les noyaux lourds (uranium 235, plutonium 239) ayant la propriété de subir une fission sous l’impact
d’un neutron lent (appelé neutron thermique, d’énergie cinétique inférieure à 0,1 MeV) sont appelés
noyaux « fissiles ».
Ce sont Irène et Frédéric Joliot Curie qui montrèrent que, sous l’impact d’un neutron, un noyau
d’uranium 235 peut se briser en deux noyaux plus légers. Plusieurs noyaux différents (plus de 80),
généralement radioactifs, peuvent se former. La réaction produit d’autres neutrons qui pourront donner
d’autres fissions :
Exemples :
n2 Xe Sr U n 1
0
140
54
94
38
235
92
1
0
n3 Ba Kr U n 1
0
142
56
91
36
235
92
1
0
b) Application : la production de l’électricité
 L'uranium naturel contient deux isotopes : l'uranium 238 (99,3 %) et l'uranium 235 (0,7 %), seul ce
dernier étant fissile. Tous les neutrons libérés par la fission des noyaux d'uranium 235 ne sont pas
productifs : certains neutrons sont absorbés dans l'uranium 238, ou s'évadent sans rencontrer de
noyaux. Pour que la réaction en chaîne s'amorce, il faut donc rassembler en un même volume une
masse suffisante de noyaux fissiles, appelée « masse critique », afin de compenser les pertes.

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 Dans les centrales nucléaires, le combustible généralement utilisé est l'uranium enrichi après
traitement à 3% en isotope 235 fissile. Les noyaux d'uranium 238, fertiles, contribuent faiblement à la
réaction : après capture de neutrons, ils se transforment par émission 13 en neptunium 239, puis en
plutonium 239 fissile. Les pastilles d'oxyde d'uranium enrichi sont empilées dans de longs tubes
d'acier étanches appelés « crayons », qui baignent dans la cuve du réacteur.
 Au cours de la réaction, les neutrons sont éjectés par les noyaux à des vitesses élevées (neutrons
« rapides »), et sont donc peu efficaces pour provoquer de nouvelles fissions. Afin d'augmenter la
probabilité de chocs avec des noyaux fissiles, les neutrons sont ralentis (neutrons « lents » ou
« thermiques ») : c'est le rôle du modérateur, en général de l'eau ou du graphite.
 La réaction de fission produit plus de neutrons qu'elle n'en consomme. Pour éviter la divergence de la
réaction en chaîne, les neutrons excédentaires sont absorbés : c'est le rôle des barres de contrôle en
bore ou cadmium, introduites plus ou moins profondément dans le cœur du réacteur.
 La réaction nucléaire est très exothermique. La circulation d'un fluide « caloporteur » dans le cœur
du réacteur permet alors de maintenir la température de celui-ci constante. L'énergie thermique,
transportée par le fluide à travers le circuit primaire, est ensuite convertie en énergie électrique par un
groupe turboalternateur.
4) La fusion nucléaire
a) Définition
 Exemple : Fusion d’un noyau de deutérium et d’un noyau de tritium :
n He H H1
0
4
2
3
1
2
1
b) La fusion en pratique
 La fusion nucléaire nécessite des conditions expérimentales de température extrême, de l’ordre de 100
millions de degrés. Une telle agitation thermique est nécessaire pour vaincre la répulsion électrique de
noyaux pour effectuer leur fusion.
 La fusion est naturellement présente dans les étoiles, où s’effectue la synthèse des différents éléments
chimiques de la classification périodique.
Dans le Soleil, la fusion des noyaux d’hydrogène, à une température voisine de 1,5.107 K, donne des
noyaux d’hélium après plusieurs réactions de fusion :
e H H H0
1
2
1
1
1
1
1
He H H3
2
2
1
1
1
H2 He He He 1
1
4
2
3
2
3
2
Bilan :
e2 He H 4 0
1
4
2
1
1
 Dans les bombes thermonucléaires, appelées bombes H, la fusion nucléaire est incontrôlée et
explosive. La très haute température est obtenue grâce à une bombe A, la réaction de fission sert à
amorcer la fusion.