1. Généralités sur les énergies
publicité
1—1 ENERGIES THERMIQUE, RAYONNANTE, NUCLEAIRE D31 - O6X5 29 pages SOMMAIRE 1. GENERALITES SUR LES ENERGIES ................................................................................................. 1—3 ETAPE 1 – GRANDEURS ET UNITES ................................................................................................................ 1—3 Notions fondamentales ...................................................................................................................... 1—3 Relations fondamentales entre force, travail et puissance ................................................................ 1—3 ETAPE 2 – LES FORMES D’ENERGIE ET LEURS TRANSFORMATIONS................................................................ 1—4 Sources et formes d’énergie .............................................................................................................. 1—4 Transformations mutuelles d’énergie ................................................................................................ 1—4 ETAPE 3 – RENDEMENT DES TRANSFORMATIONS D’ENERGIE, PRINCIPE DE CONSERVATION ......................... 1—5 Rendement d’une transformation ...................................................................................................... 1—5 Rendement de puissance ................................................................................................................... 1—5 Ordres de grandeur de rendements ................................................................................................... 1—5 Principe de conservation de l’énergie............................................................................................... 1—5 2. L’ENERGIE THERMIQUE .................................................................................................................... 2—6 ETAPE 1 – NOTIONS DE BASE ET UNITES ....................................................................................................... 2—6 Changements d’état........................................................................................................................... 2—6 Les échelles de température .............................................................................................................. 2—6 Chaleur et température ..................................................................................................................... 2—6 ETAPE 2 – ECHANGES DE CHALEUR .............................................................................................................. 2—7 Modes de transfert de chaleur ........................................................................................................... 2—7 Expression de la chaleur transférée lors d’une variation de température sans changement d’état . 2—7 Mesurer la chaleur transférée lors d’un changement d’état ............................................................. 2—7 ETAPE 3 – MESURES CALORIMETRIQUES ...................................................................................................... 2—8 Principes de calorimétrie : mesurer les échanges de chaleur........................................................... 2—8 Une enceinte pratiquement adiabatique : le calorimètre .................................................................. 2—8 Mesure de la capacité thermique massique du fer, connaissant celle de l’eau ................................. 2—9 Mesures d’une chaleur de réaction ................................................................................................... 2—9 Mesure de la chaleur latente de fusion de la glace ......................................................................... 2—10 3. LA LUMIERE : ONDE, CORPUSCULE, ENERGIE RAYONNANTE ............................................3—11 ETAPE 1 – PROPRIETES DE LA LUMIERE : OPTIQUE GEOMETRIQUE ...............................................................3—11 Sources de lumière et propagation .................................................................................................. 3—11 Lois de Descartes pour la réflexion et la réfraction ........................................................................ 3—12 ETAPE 2 – LES ONDES LUMINEUSES .............................................................................................................3—13 Etude des ondes mécaniques ........................................................................................................... 3—13 Autres propriétés de la lumière ....................................................................................................... 3—15 ETAPE 3 – CARATERE CORPUSCULAIRE DE LA LUMIERE ..............................................................................3—15 l’effet photoélectrique ..................................................................................................................... 3—15 La dualité onde-corpuscule ............................................................................................................. 3—16 Vue d’ensemble sur les rayonnements électromagnétiques ............................................................ 3—17 LES LENTILLES ............................................................................................................................................3—17 LA SPECTROSCOPIE .....................................................................................................................................3—17 Les différents types de spectres ....................................................................................................... 3—17 L’interprétation des spectres ........................................................................................................... 3—18 Niveaux d’énergie moléculaire ....................................................................................................... 3—19 L’absorption quantifiée d’énergie par les molécules ...................................................................... 3—19 1—2 4. L’ENERGIE NUCLEAIRE .....................................................................................................................4—22 ETAPE 1 – L’ORIGINE DE L’ENERGIE NUCLEAIRE ........................................................................................4—22 Position du problème ...................................................................................................................... 4—22 Relation d’Einstein .......................................................................................................................... 4—22 Énergie de cohésion ........................................................................................................................ 4—23 ETAPE 2 – REACTIONS NUCLEAIRES SPONTANEES........................................................................................4—24 Composition du rayonnement radioactif ......................................................................................... 4—24 Mécanismes des transformations radioactives ................................................................................ 4—24 Les familles radioactives, notion de période radioactive ................................................................ 4—25 Les principales applications de la radioactivité ............................................................................. 4—25 Les unités de mesure de la radioactivité ......................................................................................... 4—27 ETAPE 3 – LES REACTIONS NUCLEAIRES PROVOQUEES ................................................................................4—27 La fission ......................................................................................................................................... 4—28 La fusion.......................................................................................................................................... 4—29 5. RESUME ...................................................................................................................................................5—31 1—3 1. GENERALITES SUR LES ENERGIES ETAPE 1 – GRANDEURS ET UNITES Notions fondamentales Grandeurs et unités fondamentales liées à la notion d’énergie : force, énergie, travail, puissance Représentation Unité Symbole de l’unité Force Énergie F newton N W ou E joule J Travail Puissance W ou E P joule watt J W Recommandations Les noms des unités ne prennent jamais de majuscule Les symboles des unités sont en majuscule Ne pas confondre le W symbolisant l’énergie et le W symbolisant le watt. Les unités équivalentes pour l’énergie Calorie 1 cal = 4,18 J Tonne équivalent pétrole 1 tep = 1,4 x 1010 J. électronvolt 1 eV = 1,6 x 10-19 J. Autres unités pour la puissance Cheval vapeur 1 ch = 736 W Relations fondamentales entre force, travail et puissance Le travail d’une force Définition du travail mécanique Exemple : un tracteur tirant un tronc d’arbre : Le point d’application 0 de la force F se déplace, on dit que la force travaille. Le travail est donc l’application d’une force sur une distance. Si la force fait un angle avec la direction de déplacement et que le point d’application se déplace d’une distance l, l’expression du travail est donnée par la relation : W = F x l x cos Unités : [J] = [N] x [m] Le travail est : - maximal pour = 0° (cos ° = 1) - nul pour = 90° (cos 90° = 0) 1—4 Définition du travail électrique L’énergie électrique est donnée par : Wél = U I t exprimé en joules Où : - U est la tension en volts (V) - I est l’intensité du courant en ampères (Amp) - t est le temps en secondes. Travail moteur et travail résistant Travail moteur Le travail est moteur lorsque la force exercée aide au déplacement. W > 0 et 0° < < 90° Travail résistant Le travail est résistant lorsque la force exercée s’oppose au déplacement. W < 0 et 90° < < 180° Cas où la force exercée est un poids Dans ce cas, la force F est exprimée par le poids : F = mg. Donc W = mg h (h est la hauteur) Sur terre g = 9,8 m/s2 F = m x 9.8 Relation entre travail et puissance Définition de la puissance La puissance est égale au travail produit par unité de temps. Si le travail W (en joules) est fourni pendant un temps t (en secondes), alors la puissance P (en watts) s’exprime par : P = W / t et W = P x t Dans l’application d’une force linéaire : P = (F x l x cos / t ETAPE 2 – LES FORMES D’ENERGIE ET LEURS TRANSFORMATIONS Sources et formes d’énergie Sources d’énergie Soleil, pétrole, charbon, gaz, atome, vent, barrages, maré-motrices … 6 formes d’énergie Thermique, rayonnante, combustible (chimique), nucléaire (fissile), mécanique, électrique. Transformations mutuelles d’énergie Avec des moyens technologiques variés, l’homme cherche à obtenir certaines formes d’énergie à partir des sources disponibles. Différents transformateurs Forme d’énergie initiale Électrique Rayonnante Électrique Thermique Mécanique convertisseur Moteur électrique Photosynthèse Fer à souder Moteur thermique Frottement Forme d’énergie obtenue Mécanique Chimique Thermique Mécanique Thermique 1—5 Nucléaire Mécanique Mécanique Centrale atomique Arbre de transmission Turbine Électrique Cinétique Électrique ETAPE 3 – RENDEMENT DES TRANSFORMATIONS D’ENERGIE, PRINCIPE DE CONSERVATION Rendement d’une transformation La transformation d’une forme d’énergie vers une autre s’accompagne toujours de pertes, en général par échauffement. La chaleur apparaît donc comme une forme dégradée de l’énergie, qui apparaît selon l’équation : Énergie absorbée convertisseur énergie restituée + chaleur « perdue » On définit le rendement comme le rapport de l’énergie absorbée divisé par l’énergie restituée. Rd = EnergieRestituée / EnergieAbsorbée = WR / WA Rendement de puissance C’est le plus souvent la puissance qui caractérise une machine. On préfère alors exprimer le rendement à l’aide des puissances plutôt qu’à partir des énergies absorbées et restituées. Le rendement est : Rd = PuissanceRestituée / PuissanceAbsorbée = PR / PA Ordres de grandeur de rendements Exemples de rendements Moteur électrique 80 % moteur à explosion 25 % Piles et accus 50 % Lampe à incandescence 2 % Photosynthèse 2% Radiateur électrique 100 % Noter que le rendement de la photosynthèse est très faible… mais la ressource est « infinie ». Principe de conservation de l’énergie On a observé ce qui se passe dans le cas d’une transformation, par exemple un moteur électrique : E électrique = E mécanique + E thermique (E tot = E utile + E entropique) Cette formule décrit le principe de conservation de l’énergie. Pour vérifier expérimentalement cette conservation, il faut effectuer l’expérience à l’intérieur d’un système énergétiquement isolé : une enceinte adiabatique. L’énergie totale du système se conserve mais se dégrade en évoluant vers la forme thermique. 2—6 2. L’ENERGIE THERMIQUE ETAPE 1 – NOTIONS DE BASE ET UNITES Changements d’état La matière se présente sous différents états selon les conditions ambiantes de pression, de volume et de température. La température de changement d’état d’un corps pur est caractéristique pour une pression donnée. Les changements d’état de la matière solidification Liquide Solide fusion sublimation Solide Gazeux condensation vaporisation Liquide Gazeux liquéfaction/condens. Les échelles de température Celsius Celsius choisit comme points fixe : - la température de fusion de la glace ; il lui attribue T = 0°C. - la température d’ébullition de l’eau ; il lui attribue T = 100°C. Il divise l’échelle en 100 parties égales. C’est l’échelle Celsius, longtemps appelée échelle Centigrade. Kelvin Kelvin détermine la température pour laquelle la pression des gaz serait nulle : c’est le zéro absolu qui corresond à – 273°C. Cela représente la température la plus basse théoriquement atteignable. L’échelle porte le nom d’échelle de Kelvin. Les températures T de l’échelle Kelvin et de l’échelle Centigrade sont reliées par : T = + 273. Attention : on dit « degré celsius », mais « kelvin ». On ne dit pas « degré kelvin ». Chaleur et température Un apport de chaleur n’entraîne pas toujours une élévation de température Exemple : la fonte de la glace. La température de la glace et de l’eau mélangées reste à 0°C jusqu’à fusion totale de la glace. La chaleur apportée par l’eau sert au changement d’état. À l’inverse, on peut augmenter la température d’un système sans apport de chaleur. Exemple : augmentation ou réduction du volume, frottement. 2—7 Le frottement provoque des forces de contact entre particules, qui travaillent et provoquent un accroissement de l’énergie cinétique et mécanique des particules. L’agitation est désordonnée et produit de la chaleur, qui se traduit à notre échelle par l’élévation de la température. Définition de la chaleur et de la température On peut dire que la chaleur est une échange désordonné d’énergie, alors que la température traduit le degré d’agitation microscopique à l’intérieur du système. ETAPE 2 – ECHANGES DE CHALEUR Modes de transfert de chaleur La conduction : de proche en proche dans les milieux matériels Transport de la chaleur de proche en proche dans les milieux matériels. Les métaux sont de bons conducteurs thermiques. L’air, le verre, le polystyrène sont de mauvais conducteurs (= isolants thermiques). La convection : transport de matière Le transport de chaleur s’accompagne d’un transport de matière. C’est le cas des mouvements au sein d’un fluide dont la température n’est pas homogène (comme l’ébullition). Le rayonnement : énergie transportée par des ondes électromagnétiques Le transport d’énergie par les ondes électromagnétiques de même nature que la lumière. Exemple : la chaleur fournie par le rayonnement solaire. Expression de la chaleur transférée lors d’une variation de température sans changement d’état Lorsque la température d’un corps s’élève sans qu’il subisse de changement d’état, il reçoit une quantité de chaleur Q qui s’exprime par : Q = m c (f – i) = m c ∆ Dans lequel : Q : chaleur exprimée en joules. m : masse en kg c : capacité thermique massique du système (= chaleur massique), exprimé en J kg-1K-1. f : température finale en °C. i : température initiale en °C. La quantité d’énergie est donc proportionnelle à la capacité thermique du corps, à sa masse et à l’écart de température. Mesurer la chaleur transférée lors d’un changement d’état Lors du changement d’état d’un corps pur (fusion, liquéfaction, vaporisation, etc.), la température reste constante. La chaleur mise en jeu sert uniquement au changement d’état. La quantité de chaleur transférée, dans des conditions de pression et de température donnée s’exprime par : 2—8 Q=±mL Dans lequel : Q : qtité de chaleur transférée, en joules. m : masse de corps pur en kg L : chaleur latente de changement d’état, en J kg-1. Q = + m L s’il y a apport de chaleur de l’extérieur. Q=-mL s’il y a libération de chaleur dans le milieu. Exemple : L’application d’éther sur la peau provoque une sensation de froid. C’est l’énergie prélevée par l’éther sur la peau pour passer de l’état liquide à l’état gazeux. ETAPE 3 – MESURES CALORIMETRIQUES Principes de calorimétrie : mesurer les échanges de chaleur Un échange de chaleur s’effectue spontanément du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jusqu’à l’équilibre thermique, qui correspond à l’égalité des températures. Si les deux corps sont enfermés dans une enceinte adiabatique, la quantité de chaleur cédée par le corps chaud est égale en valeur absolue à la quantité de chaleur reçue par le corps froid : il y a conservation de l’énergie. Illustration : État initial : A : corps chaud B : corps froid A > B A est plus chaude que B. État intermédiaire ’A < A ’B > B A se refroidit et B se réchauffe. État final ’’A = ’’B = f Les températures sont égalisées. Si : QA : quantité de chaleur fournie par le corps chaud (QA < 0). QB : quantité de chaleur fournie par le corps froid (QB > 0), alors on a la relation : QA + QB = 0, ou QA = -QB Une enceinte pratiquement adiabatique : le calorimètre Dispositif constitué de deux cuves l’une dans l’autre, constituant un système thermiquement quasi étanche, dans lequel on peut insérer un agitateur et un thermomètre. On peut donc mesurer les échanges de chaleur à l’intérieur du calorimètre, en effectuant une correction correspondant à l’absorbtion de chaleur par l’appareil (capacité calorifique ). 2—9 Mesure de la capacité thermique massique du fer, connaissant celle de l’eau Dispositif expérimental Un solide en fer de masse m1 porté à la température 1 est introduit dans un calorimètre de capacité calorifique . Le calorimètre contient une masse d’eau m2 à la température 2. Après agitation, la T° du système (eau+fer+calorimètre) se fixe à la valeur . Il y a alors équilibre thermique. En refroidissant, le solide en fer (corps chaud) cède une quantité de chaleur QA et, en s’échauffant, le vase du calorimètre (corps froid) reçoit une quantité de chaleur QB. QA = m1 c1 ( - 1) QB = (m2 c2 + ( - 2) L’application du principe de la calorimétrie QB = - QA La quantité de chaleur cédée par le corps chaud est la même que celle reçue par le corps froid (QB = - QA), on a : (m2 c2 + ( - 2) = m1 c1 ( - 1) La capacité thermique massique du fer c1 c1 = (m2 c2 + ( - 2) / m1 ( - 1), en [J kg-1 C-1] Mesures d’une chaleur de réaction Définition de la chaleur de réaction La chaleur de réaction d’un système qui est le siège d’une réaction chimique est la chaleur transférée entre le système et le milieu extérieur. Cette chaleur de réaction dépend des conditions expérimentales (T° et pression). Sa valeur s’exprime en J mol-1, elle est donnée le plus souvent pour une T° de 25°C et une pression de 1 bar (1’000 hPa - hectoPascal). Le signe de la chaleur de réaction Le signe est lié au sens du transfert énergétique : Q < 0 : réaction exothermique. Dégagement de chaleur dans le milieu. Q > 0 : réaction endothermique. Absorption de chaleur. Q = 0 : réaction athermique. Pas d’échange de chaleur. Donc la comparaison des T finales avec les T initiales permet de dire dans quel sens va la chaleur de réaction : final > initial, la réaction est exothermique, etc. Calcul de la chaleur de réaction QB = - QA = (m2 c2 + ( - 2) = m1 c1 ( - 1) C’est itou. Le pouvoir calorifique des combustibles On a calculé la chaleur de réaction en J mol-1. Dans le domaine industriel on utilise plus souvent la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète de 1kg (solides ou liquides) ou 1m3 (gaz) de combustible : c’est le pouvoir calorifique. Exemples : - Charbon : 28 x 103 kJ kg-1. - Gaz naturel : 4 x 104 kJ m3. 2—10 Mesure de la chaleur latente de fusion de la glace Dans le calorimètre on place une masse m2 d’eau d’une capacité thermique massique c. La T° de l’ensemble est 2. Dans le calorimètre on ajoute un glaçon de masse m1 en cours de fusion. Le glaçon soigneusement essuié est donc à T° 1 = 0°C. On agite le mélange et on note la T° finale . La Quantité de chaleur QA fournie par l’eau et le calorimètre Le calorimètre et ses accessoires cède une quantité de chaleur en passant de la T° 2 à : QA = (m2 c + ( - 2) La quantité de chaleur QB absorbée par la fonte du glaçon - Pour fondre, le glaçon reçoit une quantité de Chaleur : fonte du glaçon : m1 L (L : chaleur latente de fusion de la glace à =°C) - En plus, l’eau obtenue par la fusion s’échauffe de 0°C à la T° finale . Elle reçoit donc une quantité de chaleur : réchauffement de l’eau du glaçon : m1 c ( - 1) - Ainsi la quantité de chaleur totale absorbée par la fonte et du glaçon et le réchauffement de l’eau est : QB = m1 L + m1 c ( - 1) = m1 [L + c ( - 1)] L’application du principe de la calorimétrie QA = -QB (m2 c + ( - 2) = - m1 [L + c ( - 1)] 3—11 3. LA LUMIERE : ONDE, CORPUSCULE, ENERGIE RAYONNANTE ETAPE 1 – PROPRIETES DE LA LUMIERE : OPTIQUE GEOMETRIQUE Sources de lumière et propagation Les sources Tout corps ou système qui émet de la lumière est une source lumineuse. À ce titre, les objets visibles sont des sources lumineuses. Sources directes Elles produisent la lumière par elles mêmes. Sources indirectes Elles renvoient ou diffusent la lumière qu’elles reçoivent. De l’émission à la réception Émetteurs Ce sont les sources (soleil, lampe, objet visible, flamme, planètes, étoiles, lune, etc). Récepteurs Pigments photosynthétique, mélanine, pellicule photo, capteur vidéonumérique, cellule photovoltaïque… La lumière peut-elle toujours se propager ? On distingue 3 types de milieux selon la façon dont ils interagissent avec la lumière : Milieux transparents Ils laissent passer la lumière. (vide, air, verre, eau claire…) Milieux translucides Ils laissent passer une partie de la lumière. (papier huilé, brouillard…) Milieux opaques Ils ne laissent pas passer la lumière. (Pierre, bois, fer…) Comment se propage la lumière dans un milieu transparent homogène La lumière se propage de façon rectiligne dans un milieu transparent homogène. (cf rayons de lumière passant par la fente d’un volet, cf ombre portée…). On appelle rayon lumineux chaque ligne suivie par la lumière. L’ensemble des rayons lumineux constitue un faisceau lumineux. Vitesse de propagation de la lumière On a longtemps pensé que cette vitesse était infinie. La vitesse de propagation de la lumière dans le vide, notée c est de : 299'792'458 m s-1. Dans l’air elle est un peu plus lente (de l’ordre de 0,5%) On l’arrondit donc à 300'000 km s-1, soit : c = 3 x 108 m s-1. Année-lumière On exprime donc les grandes distances en années-lumières (a.l.) : 1 a.l. = 3 x 3 x 108 m s-1 x 365 j x 24 h x 60 min x 60 sec, soit environ 950 milliards de km. La lumière du soleil met ainsi 8 min et 20 sec pour nous parvenir. Celle de la lune : 1,28 sec. 3—12 Lois de Descartes pour la réflexion et la réfraction La réflexion Pour étudier la réflexion, on fait arriver un seul rayon lumineux issu d’une source ponctuelle sur un miroir. Le rayon incident (SI) donne lieu à un rayon réfléchi (II’) après avoir rencontré le point d’incidence (I). La normale (IN) au plan du miroir (droite perpendiculaire au miroir et passant par I) détermine : - l’angle d’incidence i avec le rayon incident. - l’angle de réflexion i’ avec le rayon réfléchi. Le plan défini par IN et SI est le plan d’incidence. L’observation montre que le rayon réfléchi est dans le plan d’incidence. Lois de Snell-Descartes sur la réflexion Première loi : le rayon incident et le rayon réfléchi sont dans le même plan perpendiculaire à la surface du miroir. Deuxième loi : l’angle d’incidence i est égal à l’angle de réflexion i’. Soit : i = i’ La réfraction La direction de propagation de la lumière est modifiée lors de la traversée du plan séparation de milieux transparents comme l’eau et l’air. C’est le phénomène de la réfraction. Dans les milieux transparents, la vitesse de la lumière est moins grand que dans le vide. Dans l’eau elle est de 2,25 x 108 ms-1. L’indice de réfraction n d’un milieu transparent homogène est égal au quotient de la vitesse c de la lumière dans le vide et de sa vitesse dans le milieu considéré : Indice de réfraction : n = c / v exemples : air : n = 1 eau : n = 1,33 verre : n = 1,5 à 1,7 plexi : 1,5 diamant : 2,43 Pour étudier la réfraction, on fait arriver dans l’air (milieu 1) un rayon lumineux sur la surface d’un hémidisque en plexiglas (milieu 2). L’ensemble est posé sur un rapporteur. Le rayon incident SI donne naissance à un rayon réfracté IR. La normale au plan de séparation des deux milieux détermine un angle d’incidence i et un angle de réfraction r. L’observation montre : - Le rayon réfracté et le rayon incident sont sur le même plan : le plan d’incidence. - on observe la constante suivante : Sin i / sin r = cste (1,43 dans le cas eau-plexi). Cette constante est égale au support n2 / n1 des indices de réfraction. Soit : Sin i / sin r = n2 / n1 Que l’on peut écrire : n1 sin i = n2 sin r NB : si l’incidence est nulle (i = 0) alors sin i = 0 et le rayon n’est pas dévié. 3—13 Loi de Snell-Descartes sur la réfraction Première loi : le rayon réfracté est dans le plan d’incidence. Deuxième loi : les angles d’incidence i et de réfraction r vérifient la loi : n1 sin i = n2 sin r Valeur limite de l’angle de réfraction : le phénomène de réflexion totale Valeur limite de r : n1 sin i lim = n2 La valeur limite de l’angle de réfraction r est 90°. Avec sin 90° = 1, on obtient la définition suivante pour rlimite : n1 sin i lim = n2 ou : sin i lim = n2 / n1 Réflexion totale : (n1 sin i) / n2 > 1 Si (n1 sin i) / n2 > 1, alors c’est le phénomène de réflexion totale. En effet, il est impossible que sin r > 1 : le rayon réfracté n’existe pas. Le rayon est réfléchi sur la surface de séparation entre les deux milieux et renvoyé à l’intérieur du milieu 1 sans en sortir. Prisme à réflexion totale On peut donc fabriquer un prisme à réflexion totale. C’est un prisme de verre homogène (n = 1,5) dont la base est un triangle isocèle : Le rayon lumineux arrive dans l’air (n = 1) sous incidence nulle sur une des faces de l’angle droit est n’est pas dévié (sin 0 = 0). Il arrive sous un angle de 45° sur la face opposée. On a : 1,5 sin 45 = 1 sin r. Donc sin r = 1,41 ce qui est impossible la réfléxion est totale, avec un angle de 45°. Le rayon arrive sur la deuxième face de l’angle droit avec un angle nul et ressort sans être dévié. Globalement, le rayon a subi une déviation à angle droit en passant à travers le prisme. C’est le principe des jumelles à prisme. ETAPE 2 – LES ONDES LUMINEUSES Etude des ondes mécaniques Étude expérimentale des ondes mécaniques progressives planes On lance une pierre dans l’eau, un signal se propage à la surface sous forme de rides circulaires centrées sur le point d’impact. Les déformations engendrées par ce signal sont dues à une onde. Grandeurs caractéristiques d’une onde progressive On appelle onde progressive l’ensemble des perturbations imposées à la surface de l’eau par la propagation de la vibration entretenue. On voit apparaître à la surface de l’eau des ridules circulaires (impact ponctuel) ou rectilignes (impact linéaire). La période : T = / f [s] Le phénomène vibratoire est périodique, il se répète de manière identique à intervalles de temps réguliers T, la période. La fréquence : f = / T Le nombre de périodes par seconde est la fréquence, f. T = / f [s] f = / T [Hz = battements x s-1] 3—14 La longueur d’onde : = c / f ou = c T (lambda) Grandeur spatiale correspondant à la distance parcourue par l’onde progressive pendant la période T. Si la vitesse de l’onde est donnée par c, on a la relation : = c / f ou = c T avec lambda en [m] et c en [m s-1] La réflexion d’une onde mécanique rectiligne se propageant à la surface d’une cuve à ondes Si on place dans la cuve un obstacle présentant une surface plane, le train d’ondes incident vient frapper celui-ci pour progresser ensuite dans une autre direction. L’onde qui s’éloigne du plan de réflexion constitue l’onde réfléchie. On constate que i = r : la longueur d’onde ne varie pas. On mesure que les angles ii et ir (angles entre chacune des ondes et la normale au plan de réflexion passant par le point d’impact) sont identiques. Le phénomène est identique à ce qui se passe avec la lumière. La réfraction d’une onde plane se propageant à la surface d’une cuve à ondes On crée 2 milieux différents dans la cuve en plaçant une lame de plexiglas de faible épaisseur sur la moitié du fond. La variation du niveau d’eau partage la cuve en deux milieux 1 et 2, de profondeurs différentes. La lame est placée obliquement par rapport au train d’ondes incident. On constate que l’onde est déviée : i1 et i2 sont différents. On constate que li est différent de lr. On constate que la fréquence est inchangée. On a donc : f = c1 / 1 = c2 / 2. ou c1 c2 = 1 / 2 Si on mesure les angles incident et réfléchi, on constate que : 1 / 2 = sin i1 / sin i2 Le phénomène est identique à ce qu’on a observé pour la réfraction de la lumière. Expérience de diffraction sur la cuve à ondes On émet un train d’onde rectiligne. On place sur le parcours un obstacle muni d’une ouverture de largeur sensiblement égale à une longueur d’onde. L’observation du phénomène montre que la partie de l’onde qui traverse l’ouverture ne continue pas à progresser sous la forme d’une onde rectiligne, mais sous la forme d’une onde circulaire centrée sur l’ouverture. C’est la diffraction. Expérience d’interférences à la surface d’une cuve à ondes On place sur la cuve un vibreur muni d’une fourchette à deux pointes qui vont frapper l’eau en deux points proches. Il y a donc 2 sources d’ondes circulaires qui vibrent en même temps et à la même fréquence : on dit qu’elles sont en phase. Les ondes circulaires issues de deux points source s’interpénètrent. Certains points sont continuellement au repos : ce sont les franges d’interférences. Les amplitudes y sont nulles. Cela traduit le fait que l’onde résultant de l’interférences des deux ondes à un point donnée est définie par la somme des deux ondes. Si les ondes sont en phase (leurs deux amplitudes maximales se produisent au même moment), l’interférence est constructive et la résultante est une onde amplifiée. Si les deux ondes sont en opposition de phase (décalées d’une demi-période), l’interférence est destructive et les deux ondes s’annulent. En certains points de l’interférence, cette somme est donc nulle (les deux ondes s’annulent). 3—15 Autres propriétés de la lumière La diffraction de la lumière Si on envoie un faisceau laser sur un écran percé d’un trou d’épingle, on observe (sur un écran à l’arrière du trou) un phénomène de diffraction : Un tache centrale plus large que le faisceau incident, entourée d’une alternance d’anneaux brillants et obscurs. Le faisceau s’élargit donc au passage d’une ouverture étroite : c’est le phénomène de diffraction de la lumière. La lumière se comporte donc comme l’eau dans les phénomènes décrits plus haut. Elle se comporte donc comme une onde. La dispersion de la lumière blanche La lumière blanche est la lumière produite par le soleil. On admet que la lumière produite par une lampe à incandescence est pratiquement blanche. Si on éclaire un prisme de verre avec une source de lumière blanche produisant un faisceau très fin, on observe à la sortie une bande composée d’une succession de couleurs : violet, indigo, bleu, vert, jaune, orangé, rouge. La plage de couleurs est continue. C’est le spectre de la lumière blanche. La lumière blanche est donc une source polychromatique. Les interférences lumineuses En utilisant la lumière du soleil, on fait l’expérience suivante : La lumière reçue sur un premier écran percé d’un petit trou S et diffractée sur les deux trous d’épingle d’un second écran placé derrière S1 et S2 (ils doivent être très rapprochés). Si on se place dans la partie commune aux 2 faisceaux issus de S1 et S2, on observe alternativement des raies brillantes et obscures. Il y a un phénomène d’interférence. En utilisant une source laser et des fentes à la place des trous, on peut faire la même expérience et la même observation (à la différence que cette fois les franges d’interférences sont monochromatiques). Cette expérience rappelle l’expérience des interférences avec l’eau dans les cuves, et montre encore une fois que la lumière se comporte comme une onde : la superposition de deux ondes de même fréquence (elles proviennent de la même source) en phase résulte en une onde nulle. L’onde résultante est la superposition vectorielle des deux ondes. Conclusion sur la nature de la lumière La comparaison entre les ondes mécaniques et les phénomènes optiques met en évidence que la lumière est de nature ondulatoire. Cette théorie permet d’expliquer la réflexion, la réfraction, la diffraction, les interférences. ETAPE 3 – CARATERE CORPUSCULAIRE DE LA LUMIERE l’effet photoélectrique Expérience Une plaque de zinc est reliée par l’intermédiaire d’une tige conductrice à deux fines feuilles d’aluminium contenues dans un récipient isolant : c’est un électroscope à feuille. On dépose des charges négatives sur la plaque de Zinc. Les feuilles d’alu s’écartent. Lorsqu’on éclaire le dispositif avec la lumière blanche, les feuilles d’alu retombent. 3—16 Lorsque le Zn a été chargé préalablement avec des charges positives, les plaques ne retombent pas. Interprétation : la lumière extrait des électrons La lumière a extrait des charges négatives, des électrons, de la plaque. L’effet photoélectrique : c’est l’action de la lumière, qui extrait des électrons à la surface du métal. Précisions Si on interpose une plaque de verre entre la source et la plaque de Zn, l’effet photoélectrique n’a pas lieu, car le verre a filtré les composantes de la lumière à longueur d’onde faible (UV). L’effet photoélectrique décroit de l’ultraviolet à l’infra-rouge. Le seuil photoélectrique L’effet se produit ou ne se produit pas : il est discontinu. L’expérience montre que la lumière doit posséder une fréquence minimale : c’est le seuil photoélectrique. Ces constatations sont en contradiction avec la description ondulatoire de la lumière. La théorie ondulatoire ne permet pas d’expliquer l’effet photoélectrique. La théorie des quanta En 1900, Planck propose la théorie des quanta. Dans un faisceau lumineux, l’énergie est transportée sous forme de grains (discontinu !) : les quanta. Chaque quantum d’énergie E est proportionnel à la fréquence v (nu) de la radiation lumineuse : E=hv Avec : E : énergie en Joules v : fréquence en Hz h : cte de Planck = 6,62 x 10-34 J s-1 En 1905, Einstein compléte la théorie : la lumière peut être décrite comme formée de corpuscules de masse nulle qui se déplacent dans le vide à la vitesse de la lumière c : les photons. Chaque photon transporte une énergie E = h v. NB : la fréquence est donnée par : - f dans le cas des ondes mécaniques - v dans le cas de la lumière On a donc la relation : = c / v (analogie avec = c / f) c = 3 x 108 m s-1 Dans les calculs de la matière, on utilise l’eV plutôt que le Joule : 1 eV = 1,6 x 10-19 J La dualité onde-corpuscule La lumière : onde ou particule ? - La théorie de l’onde explique la réflexion, la réfraction, la difraction, la dispersion. La lumière est considérée comme un phénomène vibratoire. - La théorie de la particule explique l’effet photoélectrique. La lumière est considérée comme un flot de particules. En fait les 2 théories sont complémentaires. Schématiquement, on peut considérer la lumière comme un flot de particules guidées par des ondes. À chaque particule est associée une onde. 3—17 Vue d’ensemble sur les rayonnements électromagnétiques La lumière blanche La lumière blanche ne constitue que la partie visible de l’immense domaine des ondes électromagnétiques. Maxwell avait prédit la possibilité d’émettre des ondes de même nature que la lumière, mais de longueur d’onde beaucoup plus élevée. Les autres types d’ondes électromagnétiques Hertz a produit ces ondes, que l’on nomme ondes hertziennes. Il existe aussi des rayonnements de longueur d’onde beaucoup plus courte (fréquence très élevée) : les rayons gamma. Toutes les ondes électromagnétiques vont à la même vitesse : c Toutes peuvent être réfractées, réfléchies ou diffractées. Les longueurs d’ondes du visible vont de 0,4 µm (violet) à 0,8 µm (rouge). Les Infra-rouges (IR) sont responsables de l’effet de serre. On les utilise pour les télécommandes, le fibres optiques, la vision de nuit. Les Ultra-violets (UV) sont responsables du bronzage, on les utilise également pour la stérilisation et la désinfection. Ils sont donc dangereux pour les cellules vivantes à cause de leur énergie élevée qui abîme les macromolécules. De la plus grande longueur d’onde vers la plus petite, on a donc les ondes suivantes, avec le domaine qui leur est associé : Les types d’ondes électromagnétiques et leur domaine associé Rayons cosmiques radioastronomie Rayons gamma radioactivité Rayons X radiographie UV assainissement Visible vision IR chauffage Ondes hertziennes. radar, télévision, modulation de fréquence, modul.d’amplitude LES LENTILLES Chapître à compléter. LA SPECTROSCOPIE Les différents types de spectres Comment observer un spectre : le spectroscope L’appareil qui permet d’observer le spectre d’une lumière est le spectroscope. Il est constitué d’un prisme ou d’un réseau (partie dispersive) sur lequel donnent trois tubes : 3—18 - Le collimateur devant lequel on place la source. - La lunette par laquelle on observe. - Un dispositif permettant de faire apparaître des graduations. Les spectres d’émission Le spectre émis par la lumière blanche est polychromatique et continu. À chaque couleur correspond une longueur d’onde déterminée. Si on remplace la lumière blanche par une source à vapeur de sodium, on observe un spectre sur fond noir, composé de deux raies jaunes voisines correspondant à 2 longueurs d’ondes : 589 nm et 589,6 nm. Ce spectre discontinu est un spectre de raies d’émission. Chaque corps physique présente un spectre qui lui est propre et permet donc de l’identité. Les spectres d’absorption Entre la source de lumière et la fente d’entrée de l’appareil, on brûle un morceau de sodium. L’observateur voit la lumière qui n’a pas été absorbée par le sodium. Le spectre présente 2 raies noires dans le spectre continu de la lumière blanche. L’interprétation des spectres Les niveaux d’énergie des atomes L’explication du caractère discontinu des spectres atomiques fait appel au modèle quantique de l’atome : l’énergie des électrons d’un atome ne peut prendre qu’un certain nombre de valeurs discontinues : on dit que l’atome ne peut occuper que certains niveaux d’énergie. Ces niveaux sont représentés par des segments horizontaux apparaissant sur une échelle verticale d’énergie. États fondamental et excité : la transition électronique Le niveau d’énergie le plus bas correspond à l’état stable de l’atome, son état fondamental. Les niveaux suivants correspondent à différents états excités de l’atome. Quand il est dans une de ces états, l’atome revient rapidement à son état stable. L’excitation de l’atome correspond au passage des électrons de la couche électronique externe à une couche supérieure (d’où la discontinuité) : c’est la transition électronique. Le retour à l’état fondamental correspond au retour de l’électron à sa couche d’origine. La transition électronique est associée à un photon Comme vu plus tôt, l’expression de l’énergie lumineuse est associée à un photon (théorie des quanta, Planck) d’énergie E = h v Transition électronique par émission de photons L’atome a été excité (chaleur, décharge électrique, choc…). Certains électrons passent sur un niveau d’énergie supérieur. L’atome retombe ensuite à son niveau fondamental. Au cours de cette transition électronique, l’électron retombe d’un niveau d’énergie supérieur En à un niveau inférieur Ep en émettant un photon. L’énergie du photon est : ∆E = h vnp ∆E = (En - Ep) = h vnp Cette émission s’accompagne de l’émission d’une radiation monochromatique de fréquence vnp ou de longueur d’onde np = c / vnp Si cette longueur d’onde est dans le visible, elle correspond alors à la raie du spectre d’émission. 3—19 Transition électronique par absorption de photons L’absorption de photons correspond au phénomène inverse : lorsque l’atome est excité, la transition des électrons vers un niveau d’énergie supérieure se fait en absorbant un quantum d’Energie sous forme de photon : l’atome absorbe la lumière qui l’excite est cette énergie déclenche la transition électronique vers un niveau supérieur. La radiation correspondante à la longueur d’onde absorbée sera absente dans le spectre d’absorption et sera remplacé par une raie noire. Niveaux d’énergie moléculaire Pour un atome, toute transition électronique correspond à une raie d’émission ou d’absorbtion de fréquence vnp. L’ensemble des raies constitue donc le spectre caractéristique de l’atome observé. De la même manière, on rencontre des niveaux d’énergie pour une molécule. On distingue, de la plus énergétique à la moins énergétique (facteur 100 entre chaque type) : l’énergie électronique > l’énergie de vibration > l’énergie de rotation. L’énergie électronique : les orbitales électroniques La position des électrons, en mouvement autour du noyau, ne peut pas être connue exactement. On calcule donc des orbitales atomiques, volumes déterminés qui décrivent la probabilité de fréquence d’un électron autour du noyau. On peut alors décrire que lors d’une liaison de covalence les orbitales des électrons de valence se recouvrent pour former une orbitale commune : l’orbitale moléculaire, dont l’énergie est bien définie. Un excitation provoque la transition d’électrons d’une orbitale vers une autre. L’énergie de vibration Les atomes vibrent les uns par rapport aux autres comme si la liaison covalente qui les relie jouait le rôle d’un ressort. Si les atomes A et B de la molécule s’éloignent ou se rapprochent trop, l’effet « ressort » les maintient dans un équilibre stable autour duquel les atomes vibrent par suite de l’agitation thermique. L’énergie de vibration ne peut prendre qu’une suite discontinue de valeurs : elle est quantifiée. L’énergie de rotation Un molécule peut tourner dans un espace autour d’un axe de rotation passant par le « centre de la liaison ». La molécule acquiert une énergie cinétique de rotation. Cette énergie de rotation, elle aussi, ne peut prendre que certaines valeurs : elles est quantifiée. Quantifier l’absorption d’énergie par les molécules Principe Une molécule excitée par un rayonnement subit une transition énergétique : son état énergétique passe sur un niveau plus élevé. Si cette excitation est produite par un photon d’énergie hv (par de la lumière), la molécule subit une transition d’énergie ∆E = h v. 3—20 Le type de transition dépend de la nature du rayonnement auquel la molécule est soumise Rayonnement Longueur d’onde États de transition ∆E UV et visible IR proche IR lointain 100 à 800 nm 1 à 15 mm > 15 mm transition électronique vibrations et rotations Rotations ∆E ≈ 99 eV ∆E ≈ 0,1 eV ∆E ≈ 0,05 eV En fonction du rayonnement envoyé sur la molécule, on obtient des spectres d’absorption dans le visible, l’UV ou l’IR, qui permettent d’identifier les molécules. Grand intérêt en biochimie. Absorption moléculaire dans le visible On soumet un échantillon de la substance en solution à un rayon de lumière de longueur d’onde déterminée ou variable. Pour des longueurs d’ondes bien précises, le rayonnement provoque des transitions énergétiques sur les molécules de la substance. Le dispositif est le suivant : Faisceau incident absorption par l’échantillon faisceau transmis Si on compare le faisceau incident avec le faisceau transmis, on peut déduire la structure moléculaire de la substance. La transmittance T = I / I° (en %) I° : intensité de la lumière incidente = 100%. I : intensité de la lumière transmise, en % de I° T = I / I° (en %) Pour un milieu transparent T = 1 Pour un milieu opaque T = 0 En pratique, on travaille en logarithme décimal, avec l’absorbance. L’absorbance A (ou densité optique DO) : A = log 1 / T = log I° / I - L’absorbance est donnée par : A = log 1 / T = log I° / I - L’absorbance est également donnée par la loi de Lambert-Beer : A = C d = (log 1 / T) Avec : (epsilon) : le coefficient d’extinction molaire [L mol-1 cm-1] dépend de la longueur d’onde utilisée ! C : la concentration [mol L-1] d : l’épaisseur du trajet absorbant [cm] La loi de Lambert-Beer n’est vérifiée que pour : - des substances diluées - une lumière monochromatique. Dans ce cas on peut utiliser l’égalité : DO = log I°/I = C d Le spectrophotomètre Le spectrophotomètre fonctionne selon le schéma suivant : Source lumineuse – monochromateur – cuve – transfo/ampli – affichage Source : source de lumière à spectre continu. Monochromateur : permet d’obtenir une lumière monochromatique. Cuve : cuve contenant l’échantillon à étudier. Transfo/ampli : transforme le signal optique en signal électrique et amplifie le signal. Affichage : mesure et affiche le signal en fonction de la lumière transmise. Les applications du spectro découlent de la loi Lambert-Beer. 3—21 Le spectre d’absorption L’absorption A = C d, où (epsilon) variant avec la longueur d’onde utilisée, on peut tracer la courbe donnant les variations de l’absorbance en fonction de la longueur d’onde. Cette courbe est le spectre d’absorption de la substance. La position et l’intensité des creux (maxima d’absorption) fournit des renseignements sur la structure des composés. Le calcul de la concentration A = C d reliant l’absorption à la concentration, on peut mesurer la concentration d’une substance connue. Spectroscopie infrarouge Dans l’IR les transitions énergétiques sont de nature vibratoire. L’intensité de l’absorption traduit le spectre IR. L’interprétation du spectre IR permet : - d’identifier les groupes fonctionnels. - d’identifier une molécule - de vérifier la pureté d’un produit - de déceler la présence de certaines liaisons Par exemple, le groupe C=O présente des pics d’absorption caractéristiques autour de 1690 cm-1 et 1200-1300 cm-1. 4—22 4. L’ENERGIE NUCLEAIRE ETAPE 1 – L’ORIGINE DE L’ENERGIE NUCLEAIRE Position du problème La masse du noyau d’hélium 24He est inférieure à celle de ses composantes (2 protons et 2 neutrons). Ces masses peuvent être mesurées avec des spectromètres de masse. Masses en u.m.a : Proton p : 1,00727 Neutron n : 1,00867 Noyau d’He : 4,00260 Différence de masse ∆m :0,029 u.m.a Ainsi, selon le principe de conservation de Lavoisier, la formation d’un noyau d’hélium libère de l’énergie : 1 1 4 Au plan énergétique, rien n’a été créé ni perdu. +1 p + 0 n 2 He + énergie Relation d’Einstein La masse et l’énergie sont deux grandeurs équivalentes ∆E = ∆m c2. Einstein a montré qu’au défaut de masse constaté ∆m correspond une quantité d’énergie ∆E telle que : ∆E = ∆m c2 c = vitesse de la lumière dans le vide E exprimé en [J] m exprimé en [kg] c exprimé en [m s-1] L’énergie stockée dans un atome est considérable Un mole de Carbone (12 g), contient : ∆E = m c2 = 12 x 10-3 [kg] x (3 x 108)2 [m s-1] = 1,08 x 1012 kJ !! Cela correspond à l’énergie obtenue par la libération de 450'000 tonnes de charbon. Il n’est pas si simple de libérer l’énergie contenue dans le noyau des atomes, mais la relation d’Einstein traduit bien l’équivalence entre masse et énergie : E = m c2 Du joule à l’eV On peut donc exprimer les masses en unités d’énergie. La mieux adaptée est l’électronVolt (eV) et son multiple le mégaélectronVolt (MeV). Définition du joule en mécanique : Force de 1 Newton appliquée sur une distance de 1m. W=Fxl Unités : 1[J] = 1[N] x 1[m] Définition du joule en électricité : déplacement d’une charge de 1 Coulomb sous une tension de 1 Volt. W = I x U = e- (Va - Vb) Unités : 1[J] = 1[e] x 1[V] 4—23 Définition de l’eV : Si on prend la charge de l’électron pour e : e = 1,6 x 10-19 C Donc : 1 [eV] = 1,6 x 10-19 J L’énergie de 1 kg de masse : E = mc2 E = 1 x (9 x 1016) = 9 x 1016 J L’énergie d’un eV : 1 eV vaut donc : (1,6 x 10-19) / (9 x 1016) ≈ 1,78 x 10-36 kg 1 MeV = 1,78 x 10-30 kg Le MeV est une unité adaptée pour exprimer les masses des particules élémentaires. Exemple : 1 proton = 938 MeV. Énergie de cohésion L’énergie de cohésion du noyau La formation d’un noyau d’Helium s’accompagne d’une perte de masse correspondant à l’énergie libérée par la création des liaisons entre nucléons. Cette valeur représente l’énergie de cohésion du noyau. L’énergie de cohésion correspond à l’énergie libérée. Au plan général, les principes et le processus sont les mêmes que pour la création de liaisons entre atomes. Mais les forces sont de nature très différente et l’énergie de cohésion est bien plus importante que les énergies de liaison. L’énergie de cohésion change d’un atome à l’autre. Plus il y a de nucléons, plus elle est élevée. Pour comparer la stabilité des noyaux entre eux, on calcule l’énergie moyenne de cohésion par nucléon. L’énergie moyenne de cohésion Énergie moyenne de cohésion Em = énergie totale de formation du noyau, divisée par le nombre de nucléons du noyau. On reporte les Em de cohésion de chaque atome sur un graphe, en fonction du nombre de nucléons, c’est à dire du nombre de masse A. Observations sur la courbe obtenue : - l’He est le plus stable des noyaux légers. Il apparaît souvent dans les produits de réactions nucléaires. - Em est maximale pour les noyaux de masse de l’ordre 60 (Fe, Co, Ni, Cu) - Em est faible pour les noyaux légers (A < 20) et pour les noyaux lourds (A > 190) produire de l’énergie d’origine nucléaire : fission et fusion Ainsi, deux voies sont possibles pour produire de l’énergie nucléaire à partir de noyaux moins stables : - Casser des noyaux lourds, avec production de noyaux plus petits et plus stables, c’est la fission. - Réunir des noyaux légers, avec production de noyaux plus lourds et plus stables, c’est la fusion. 4—24 ETAPE 2 – REACTIONS NUCLEAIRES SPONTANEES Certains éléments sont radioactifs : ils émettent spontanément des rayonnements. Le phénomène a été découvert par Becquerel. Composition du rayonnement radioactif Mise en évidence Soumis à des champs électriques et magnétiques, l’ensemble des rayonnements émis par les substances radioactives se dissocient en 3 composantes : ,et Les différences de déviations des ces composantes mettent en évidence leurs charges relatives. Caractéristiques de ,et Le spectromètre de masse a permis de déterminer la masse et la charge des composantes ,et Charge Masse au repos [u.m.a] Vitesse relativement à c positive : 2 e+ 4 négative : 1 e5.5 x 10-4 0 0 de l’ordre de c/15 jusqu'à 9/10 de c c noyau d’He : 4He électron : 0e- onde électromagnétique : Nature m Pouvoir de pénétration de ,et Le pouvoir de pénétration des trois composantes radioactives est très différent : : très faible dans l’air (volumineux). Arrêté par une feuille de papier. : faible. Parcourt quelques mètres dans l’air. Arrêté par une feuille d’alu de quelques mm. : très grande. Plusieurs centaines de m dans l’air. Arrêté par une forte épaisseur de béton ou de plomb. Conclusion : dangerosité des radiations - En cas d’irradiation : le rayonnement est le plus dangereux (fortement énergétique). Les particules et sont vite arrêtées. - En cas d’ingestion ou de contamination : les particules sont très dangereuses, à cause de leur fort pouvoir ionisant (forte taille et charge). Mécanismes des transformations radioactives Radioactivité La radioactivité est caractérisée par l’émission d’un noyau d’hélium (24He). L’élément qui subit ce type de désintégration voit donc sa charge (A) diminuer de 2 (2 protons de moins) et son nombre de masse de 4 (2 protons et 2 neutrons). Exemple : 226 222Rn + 4He 88 Ra 86 2 Radioactivité Au cours du processus de désintégration -, un électron est émis. Exemple : 4—25 210 83 Bi 84210Bi + -10e Il s’agit donc de la transformation d’un neutron en proton, par l’émission d’une particule de masse nulle et de charge –1. Le nombre de masse (A) ne change pas et le nombre de protons ou nombre de charge (Z) augmente de 1. Radioactivité C’est une radioactivité artificielle. Caractérisée par l’émission d’un positon (électron positif) : +10e Exemple : le phosphore 1530P, élément artificiel. 30 30 0 15 P 14 Si + +1 e Il s’agit donc de la transformation d’un proton neutron, par émission d’une particule de masse nulle et de charge +1. Le nombre de masse A ne change pas et le nombre de protons (nombre de charge, Z) diminue de 1. Radioactivité Ni la masse ni la charge ne sont modifiés (A et Z). La radioactivité accompagne les radioactivités et et se traduit par l’émission d’un photon de haute énergie. Exemple : 226 222Rn + + 4He ( 222Rn excité émet un photon) 88 Ra 86 2 86 Les familles radioactives, notion de période radioactive Quand un noyau radioactif se transforme, il peut donner : - un noyau stable, ou - un noyau radioactif. Dans le cas où le noyau est radioactif, la transformation se poursuit et le processus continue jusqu’à obtention d’un noyau stable, terme de la série radioactive. L’ensemble des nucléides de la série constitue une famille radioactive. On dénombre 3 familles naturelles qui ont toutes pour terme un isotope stable du Pb. Dans la série naturelle, tous les nucléides cohabitent et leurs rayonnements se superposent. Le temps de dégradation est très variable d’un nucléide à l’autre. L’activité d’une substance radioactive diminue au cours du temps selon une loi de décroissance exponentielle. Si on part de N0 atomes radioactifs au temps t = 0, statistiquement il n’en restera que N0 /2 au bout d’un temps T, puis N0 /4 au bout d’un temps 2T, etc. T est donc le temps nécessaire pour que la moitié des atomes se désintègrent : T est la période radioactive ou demi-vie. Très variable d’un nucléide à l’autre. Les principales applications de la radioactivité Applications médicales Radiothérapie Le rayonnement émis, par exemple par une source de Cobalt 60, sert à détruire les cellules malignes des tumeurs cancéreuses. Stérilisation Elle s’effectue sur certains instruments de chirurgie qui ne supportent pas la chaleur. Stimulation cardiaque L’alimentation du stimulateur est assurée par une source de Plutonium 238. 4—26 Scintigraphies (osseuses, de la thyroïde, du cerveau) On utilise un radio-isotope qui se fixe préférentiellement sur l’organe à étudier, puis on réalise un cliché qui permet de détecter des anomalies. Recherche médicale Traceurs radioactifs pour l’étude des métabolismes, l’établissement de diagnostics… Applications industrielles Gammagraphies Radiographies par rayonnement gamma des pièces mécaniques dont on exige une fiabilité parfaite. Témoin d’usure L’incorporation d’un élément radioactif à un niveau donné d’une pièce soumise à des frottements permet de connaître le degré d’usure de cette pièce quand la radioactivité est libérée. Détecteur de fuite L’injection sous contrôle d’un radioélément dans le fluide d’un réseau permet de le suivre à la trace et de déceler ainsi une fuite éventuelle. Jauge d’épaisseur On joue sur le flux de particules émis par une source radioactive, et en partie absorbée par ce matériau, pour régler l’épaisseur de ce matériau au cours de sa fabrication (feuilles de plastique, tôles…). Bcp d’autres applications spécifiques sont développées, par exemple : cartographie, industries, textiles… Datations au carbone 14 Le Carbone 614C est un élément radioactif qui se forme dans la haute atmosphère et se désintègre par radioactivité - avec une période T = 5'770 ans. Entre formation et disparition du C14, un équilibre s’est établi. Le taux de C14 est ainsi très constant dans l’atmosphère et donc dans tout organisme vivant qui échange du CO2 avec l’extérieur. C’est le cas des plantes au cours de la photosynthèse. À la mort du végétal, l’échange cesse et le Taux de C14 commence à diminuer selon la loi de décroissance radioactive. La mesure de l’activité d’un échantillon permet ainsi d’en déduire l’âge. Applications en agronomie et agroalimentaire Elles sont nombreuses, bien que pas forcément très répandues. Création d’espèces nouvelles par irradiation et mutation Utilisation de traceurs Dans la recherche agronomique, pour l’étude de l’action des fertilisants par exemple. La lutte contre certains insectes Par stérilisation des mâles. La détermination de l’humidité des sols Par la sonde à neutrons. L’analyse de l’activation de certains oligo-éléments Par l’étude de la composition du rayonnement émis après irradiation de l’échantillon observé. Le traitement ionisant des aliments Méthode de conservation pouvant remplacer la pasteurisation, la débactérisation ou l’inhibition de germination. Cette technique présente de nombreux avantages, mais son prix de revient élevé et la réaction des consommateurs sont des facteurs limitants. 4—27 Les unités de mesure de la radioactivité Becquerel, rem, rad, gray, sievert, curie… On distingue deux types de mesure : - la radioactivité émise par la source (émission). - la rayonnement reçu par l’objet irradié (réception), qui cherche plutôt à quantifier les effets. La source radioactive Elle émet un rayonnement lié aux désintégrations. Son activité se mesure en nombre de désintégrations par unité de temps. Unité légale : le becquerel [Bq]. 1 Bq = 1 désintégration par seconde. C’est donc une unité très petite, puisque la radioactivité d’une source est le siège de milliards de désintégrations par seconde. Le Bq a remplacé le Curie [Ci], qui correspond au nombre de désintégrations par seconde dans 1 gramme de radium. 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq La réception Une source radioactive émet dans toutes les directions. Un objet face à une source ne reçoit donc qu’une partie du rayonnement émis. On doit définir une nouvelle unité. L’unité de dose absorbée L’unité légale est la gray [Gy]. C’est la quantité d’énergie (exprimée en J) libérée par le rayonnement par kg de matière irradiée. 1 Gy = 1 J kg-1 L’ancienne unité était le rad. 1 Gy = 100 rad = 1 J kg-1 Mais tous les rayonnements n’ont pas les mêmes propriétés, et tous les organes du corps humain n’ont pas la même sensibilité. On définit une autre unité qui intègre ces facteurs. L’unité d’équivalent de dose Elle correspond à la dose absorbée multipliée par un facteur de qualité qui tient compte de la nature du rayonnement et de celle des organes exposés. L’unité légale d’équivalent de dose est le sievert [Sv], qui a remplacé le rem (Rontgen equivalent man). 1 Sv = 100 rem. Résumé des unités de mesure de la radioactivité Définition Unité légale Nbre de désintégrations Becquerel (bq) = 1/sec par seconde Activité Dose absorbée Énergie / kg Équivalent dose Effet de la radioactivité sur l’organisme Unité ancienne Curie (Ci) (1 Ci = 3,7 x1010 bq) Rad Gray (Gy) = J/kg (1 rad = 0,01 Gy) Rem Sievert (Sv) = cte x J/kg (1 rem = 0,01 Sv) ETAPE 3 – LES REACTIONS NUCLEAIRES PROVOQUEES Mise à part la radioactivité artificielle (+) évoquée plus haut, deux voies sont possibles pour exploiter les réactions nucléaires. Les courbes d’énergie moyenne de cohésion par nucléon en fonction du nombre de nucléons montrent que l’on peut obtenir de l’énergie d’origine nucléaire : 4—28 - en cassant des noyaux lourds : c’est la fission. - en faisant fondre ensemble des noyaux légers : c’est la fusion. La fission Principe Lorsqu’un neutron animé d’une vitesse convenable heurte un noyau d’Uranium 235, il est capturé. Le noyau se retrouve dans un état excité qui conduit à une cassure. On obtient des fragments plus légers, 2 à 3 neutrons, et de l’énergie sous forme de chaleur et de rayonnement. Selon l’équation générale suivante : Neutron + noyau lourd produits de fission + neutrons libérés + énergie. Exemples : 235 1 94 139 Xe + 3 01n + énergie 92 U + 0 n 38 Sr + 54 235 1 91 142 Ba + 3 01n + énergie 92 U + 0 n 36 Kr + 56 conditions de réalisation de la fission Les difficultés techniques de la fission Pour réaliser la fission, il faut : - un nucléide fissible - enrichir le « combustible » (effusion gazeuse) - ralentir les neutrons (modérateur) - contrôler la réaction en chaîne (barre de cadmium) Les nucléides fissiles Seuls quelques nucléides tels que 235U peuvent donner lieu à la fission. Un tel matériau est qualifié de fissile. Il existe dans l’uranium naturel, associé à 238U, mais ne représente que 0,7% du mélange. Le bon fonctionnement d’un réacteur impose un combustible enrichi à 23% en 235U. L’enrichissement de l’uranium En France, l’opération d’enrichissement de l’industrie nucléaire s’effectue à Pierrelatte selon la technique de l’effusion gaseuse. On fait passer sur des filtres aux pores très fins l’uranium transformé en hexalfuorure gazeux (UF6). Comme 235UF6 est très légèrement plus petit que 238 UF6, au fil des passages, le mélange s’enrichit en isotope 235 (235UF6). Un neutron ralenti par un modérateur La fission nécessite un neutron lent, dit aussi thermique. Par ailleurs, elle produit 2-3 neutrons rapides (statistiquement 2,3). Pour rendre ces neutrons opérationnels, il faut diminuer leur vitesse et la faire passer de 2 x 104 kms-1 à 2 kms-1. On utilise pour cela un modérateur : du graphite, de l’eau ordinaire ou lourde, de l’oxygène, du Beryllium… au cours des chocs élastiques avec ce modérateur, les neutrons abandonnent une partie de leur énergie et leur vitesse diminue. Ils peuvent alors engendrer d’autres fissions. La réaction en chaîne Les neutrons ralentis peuvent engendrer d’autres fissions. Le phénomène peut rapidement faire boule de neige : c’est la réaction en chaîne, qui conduit à l’explosion. C’est ce qui se passe dans la bombe atomique. Le contrôle de la réaction en chaîne (avec Cadmium) Dans le réacteur, la réaction est contrôlée. Des barres de Cadmium absorbent les neutrons excédentaires de façon à obtenir un équilibre en régime permanent. Ces barres servent 4—29 également d’organes de sécurité. Quand elles sont complètement enfoncées dans le réacteur, elles absorbent tous les neutrons et la réaction s’arrête. Énergie libérée lors de la fission Chaque fission d’un noyau d’uranium s’accompagne de la libération d’une énergie d’environ 200 MeV. Par comparaison, les réactions de la chimie classique, telles que les combustions, ne libèrent que quelques eV par atome. Un kg d’uranium 235 a le même pouvoir énergétique que 2'000 tonnes de pétrole. Mais l’utilisation de ce « combustible » pose des problèmes de toute autre nature… Les applications de la fission La bombe A Elle nécessite l’utilisation d’Uranium ou de Plutonium très enrichi. La matière fissile doit être en quantité suffisant pour atteindre la masse critique (env. 50 kg pour l’uranium). La réaction en chaîne incontrôlée libère en quelques micro-secondes une énorme quantité d’énergie, sous forme mécanique (onde de choc), thermique et rayonnante. On évalue la puissance d’une telle bombe en tonnes de trinitrotoluène (TNT). Un bombe A classique a une puissance de l’ordre de 100 kilotonnes de TNT. Celle d’Hiroshima avait une puissance de 16 kilotonnes. Les réacteurs La réaction en chaîne contrôlée dans un réacteur permet de récupérer l’énergie libérée sous forme de chaleur et de la véhiculer par un fluide caloporteur. On distingue plusieurs types de réacteurs selon la nature du combustible, du modérateur, et celle du fluide caloporteur. Le plus répandu dans le monde est le type PWR (pressurised – water – reactor). Cf schéma d’un réacteur PWR (06X5, p.210). Le circuit primaire évacue la chaleur vers le générateur de vapeur. L’eau est à température de 280°C sous une pression de 56 bars. Dans le circuit secondaire, la vapeur actionne une turbine couplée à un alternateur. Le condensateur est alimenté par de grandes quantités d’eau froide provenant des rivières, lacs ou mers voisins. Le circuit de refroidissement comporte de hautes tours qui libèrent la vapeur produite dans l’atmosphère. Le circuit énergétique dans une centrale nucléaire - Fission nucléaire en chaîne contrôlée dans le réacteur. Libération d’énergie sous forme de chaleur. - Transmission de la chaleur au circuit primaire par un fluide caloporteur. - Transmission de la chaleur du circuit primaire au circuit secondaire à eau. L’eau chauffé produit de la vapeur qui gènère de la pression dans le circuit secondaire. Transformation de l’énergie thermique en énergie mécanique. - Activation de la turbine par la pression de vapeur. Conversion en énergie mécanique cinétique. - Activation du générateur électrique (alternateur) par la force mécanique de la turbine. Conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique. - Exportation de l’électricité vers le réseau. La fusion Principe La fusion consiste à fusionner deux noyaux léger pour former un noyau plus lourd, selon le schéma : atome 1 + atome 2 atome 3 + neutron. 4—30 Exemple : Fusion de deutérium et tritium en hélium : 2 3 4 1 1 H + 1 H 2 He + 0 n + énergie La réaction s’accompagne d’une perte de masse : un partie de la masse est convertie en énergie par la formation des liaisons nucléaires, et libérée. Relativement à la fission, les quantités d’énergie sont plus importantes, car les masse des réactifs en jeu sont bcp plus petites. Application de la fusion La bombe H Un mélange de 12H et de 13H et de 36Li est chauffé par une « alumette » constituée d’une bombe A, qui amorce la fusion des noyaux, d’où le nom de bombe thermonucléaire. La puissance d’un tel engin peut atteindre 100 mégatonne, soit 100 millions de tonnes de TNT ! La fusion contrôlée Elle ne semble pas devoir être maîtrisée à moyen terme. Pour y parvenir, il faut confiner dans un espace très réduit les particules à fusionner et les porter à une température de l’ordre de 100 millions de °C. Les européens se livrent à des recherches sur le confinement magnétique dans un appareil nommé Tokamak. Le soleil est un réacteur thermonucléaire ou à lieu la fusion, une sorte de bombe H qui n’en finit pas d’exploser. La réaction de fusion peut être simplifiée de la façon suivante : 4 protons 1 noyau d’hélium + 2 positon + énergie. 5—31 5. RESUME 1. GENERALITES SUR LES ENERGIES ................................................................................................. 1—1 ETAPE 1 – GRANDEURS ET UNITES ................................................................................................................ 1—3 Notions fondamentales ...................................................................................................................... 1—3 Grandeurs et unités fondamentales liées à la notion d’énergie : force, énergie, travail, puissance ....................... 1—3 Recommandations ................................................................................................................................................ 1—3 Les noms des unités ne prennent jamais de majuscule .................................................................................... 1—3 Les symboles des unités sont en majuscule ..................................................................................................... 1—3 Ne pas confondre le W symbolisant l’énergie et le W symbolisant le watt. .................................................... 1—3 Les unités équivalentes pour l’énergie .................................................................................................................. 1—3 Calorie ............................................................................................................................................................. 1—3 Tonne équivalent pétrole ................................................................................................................................. 1—3 électronvolt...................................................................................................................................................... 1—3 Autres unités pour la puissance ............................................................................................................................ 1—3 Cheval vapeur ................................................................................................................................................. 1—3 Relations fondamentales entre force, travail et puissance ................................................................ 1—3 Le travail d’une force ........................................................................................................................................... 1—3 Définition du travail mécanique ...................................................................................................................... 1—3 W = F x l x cos ............................................................................................................................................. 1—3 Définition du travail électrique........................................................................................................................ 1—4 Wél = U I t exprimé en joules ...................................................................................................................... 1—4 Travail moteur et travail résistant .................................................................................................................... 1—4 Cas où la force exercée est un poids ................................................................................................................ 1—4 Relation entre travail et puissance ........................................................................................................................ 1—4 Définition de la puissance ............................................................................................................................... 1—4 P = W / t et W = P / t ...................................................................................................................................... 1—4 ETAPE 2 – LES FORMES D’ENERGIE ET LEURS TRANSFORMATIONS................................................................ 1—4 Sources et formes d’énergie .............................................................................................................. 1—4 Sources d’énergie ................................................................................................................................................. 1—4 6 formes d’énergie ................................................................................................................................................ 1—4 Transformations mutuelles d’énergie ................................................................................................ 1—4 Différents transformateurs .................................................................................................................................... 1—4 ETAPE 3 – RENDEMENT DES TRANSFORMATIONS D’ENERGIE, PRINCIPE DE CONSERVATION ......................... 1—5 Rendement d’une transformation ...................................................................................................... 1—5 Rd = EnergieRestituée / EnergieAbsorbée = WR / WA .............................................................................................. 1—5 Rendement de puissance ................................................................................................................... 1—5 Rd = PuissanceRestituée / PuissanceAbsorbée = PR / PA........................................................................................... 1—5 Ordres de grandeur de rendements ................................................................................................... 1—5 Exemples de rendements ...................................................................................................................................... 1—5 Principe de conservation de l’énergie............................................................................................... 1—5 E électrique = E mécanique + E thermique ..................................................................................................... 1—5 2. L’ENERGIE THERMIQUE .................................................................................................................... 2—6 ETAPE 1 – NOTIONS DE BASE ET UNITES ....................................................................................................... 2—6 Changements d’état........................................................................................................................... 2—6 Les changements d’état de la matière ................................................................................................................... 2—6 Les échelles de température .............................................................................................................. 2—6 Celsius .................................................................................................................................................................. 2—6 Kelvin ................................................................................................................................................................... 2—6 T = + 273. .................................................................................................................................................... 2—6 Chaleur et température ..................................................................................................................... 2—6 Un apport de chaleur n’entraîne pas toujours une élévation de température ......................................................... 2—6 À l’inverse, on peut augmenter la température d’un système sans apport de chaleur. .......................................... 2—6 Définition de la chaleur et de la température ........................................................................................................ 2—7 ETAPE 2 – ECHANGES DE CHALEUR .............................................................................................................. 2—7 Modes de transfert de chaleur ........................................................................................................... 2—7 La conduction : de proche en proche dans les milieux matériels .......................................................................... 2—7 La convection : transport de matière..................................................................................................................... 2—7 Le rayonnement : énergie transportée par des ondes électromagnétiques............................................................. 2—7 Expression de la chaleur transférée lors d’une variation de température sans changement d’état . 2—7 Q = m c (f – i) = m c ∆ ............................................................................................................................. 2—7 Expression de la chaleur transférée lors d’un changement d’état .................................................... 2—7 5—32 Q = ± m L ........................................................................................................................................................ 2—8 Q = + m L s’il y a apport de chaleur de l’extérieur. .................................................................................... 2—8 Q=-mL s’il y a libération de chaleur dans le milieu. .............................................................................. 2—8 ETAPE 3 – MESURES CALORIMETRIQUES ...................................................................................................... 2—8 Principes de calorimétrie .................................................................................................................. 2—8 Illustration : .......................................................................................................................................................... 2—8 État initial : ...................................................................................................................................................... 2—8 État intermédiaire ............................................................................................................................................ 2—8 État final .......................................................................................................................................................... 2—8 QA + QB = 0, ou QA = -QB ............................................................................................................................... 2—8 Une enceinte pratiquement adiabatique : le calorimètre .................................................................. 2—8 Mesure de la capacité thermique massique du fer, connaissant celle de l’eau ................................. 2—9 Dispositif expérimental ........................................................................................................................................ 2—9 QA = m1 c1 ( - 1) .......................................................................................................................................... 2—9 QB = (m2 c2 + ( - 2) ................................................................................................................................. 2—9 L’application du principe de la calorimétrie QB = - QA ........................................................................................ 2—9 (m2 c2 + ( - 2) = m1 c1 ( - 1) ................................................................................................................ 2—9 La capacité thermique massique du fer c1............................................................................................................. 2—9 c1 = (m2 c2 + ( - 2) / m1 ( - 1), en [J kg-1 C-1] ....................................................................................... 2—9 Mesures d’une chaleur de réaction ................................................................................................... 2—9 Définition de la chaleur de réaction ...................................................................................................................... 2—9 Le signe de la chaleur de réaction......................................................................................................................... 2—9 Calcul de la chaleur de réaction ............................................................................................................................ 2—9 QB = - QA = (m2 c2 + ( - 2) = m1 c1 ( - 1) ............................................................................................ 2—9 Le pouvoir calorifique des combustibles .............................................................................................................. 2—9 Mesure de la chaleur latente de fusion de la glace ......................................................................... 2—10 La Quantité de chaleur QA fournie par l’eau et le calorimètre ............................................................................ 2—10 QA = (m2 c + ( - 2) ................................................................................................................................ 2—10 La quantité de chaleur QB absorbée par la fonte du glaçon ................................................................................ 2—10 fonte du glaçon : m1 L ................................................................................................................................... 2—10 réchauffement de l’eau du glaçon : m1 c ( - 1) .......................................................................................... 2—10 QB = m1 L + m1 c ( - 1) = m1 [L + c ( - 1)] ............................................................................................ 2—10 L’application du principe de la calorimétrie QA = -QB ....................................................................................... 2—10 (m2 c + ( - 2) = - m1 [L + c ( - 1)]...................................................................................................... 2—10 3. LA LUMIERE : ONDE, CORPUSCULE, ENERGIE RAYONNANTE ............................................3—11 ETAPE 1 – PROPRIETES DE LA LUMIERE : OPTIQUE GEOMETRIQUE ...............................................................3—11 Sources de lumière et propagation .................................................................................................. 3—11 Les sources ......................................................................................................................................................... 3—11 Sources directes............................................................................................................................................. 3—11 Sources indirectes.......................................................................................................................................... 3—11 De l’émission à la réception ............................................................................................................................... 3—11 Émetteurs ...................................................................................................................................................... 3—11 Récepteurs ..................................................................................................................................................... 3—11 La lumière peut-elle toujours se propager ? ........................................................................................................ 3—11 Milieux transparents ...................................................................................................................................... 3—11 Milieux translucides ...................................................................................................................................... 3—11 Milieux opaques ............................................................................................................................................ 3—11 Comment se propage la lumière dans un milieu transparent homogène ............................................................. 3—11 Vitesse de propagation de la lumière .................................................................................................................. 3—11 c = 3 x 108 m s-1. ........................................................................................................................................... 3—11 Année-lumière .................................................................................................................................................... 3—11 Lois de Descartes pour la réflexion et la réfraction ........................................................................ 3—12 La réflexion ........................................................................................................................................................ 3—12 Lois de Snell-Descartes sur la réflexion ............................................................................................................. 3—12 Première loi : le rayon incident et le rayon réfléchi sont dans le même plan perpendiculaire à la surface du miroir............................................................................................................................................................. 3—12 Deuxième loi : l’angle d’incidence i est égal à l’angle de réflexion i’........................................................... 3—12 La réfraction ....................................................................................................................................................... 3—12 Indice de réfraction : n = c / v ....................................................................................................................... 3—12 Sin i / sin r = cste (1,43 dans le cas eau-plexi). ............................................................................................. 3—12 Sin i / sin r = n2 / n1 ....................................................................................................................................... 3—12 n1 sin i = n2 sin r ............................................................................................................................................ 3—12 Loi de Snell-Descartes sur la réfraction .............................................................................................................. 3—13 Première loi : le rayon réfracté est dans le plan d’incidence. ........................................................................ 3—13 Deuxième loi : les angles d’incidence i et de réfraction r vérifient la loi : n1 sin i = n2 sin r ......................... 3—13 Valeur limite de l’angle de réfraction : le phénomène de réflexion totale .......................................................... 3—13 5—33 Valeur limite de r : n1 sin i lim = n2 ................................................................................................................ 3—13 Réflexion totale : (n1 sin i) / n2 > 1 ................................................................................................................ 3—13 Prisme à réflexion totale ................................................................................................................................ 3—13 ETAPE 2 – LES ONDES LUMINEUSES .............................................................................................................3—13 Etude des ondes mécaniques ........................................................................................................... 3—13 Étude expérimentale des ondes mécaniques progressives planes ....................................................................... 3—13 Grandeurs caractéristiques d’une onde progressive ............................................................................................ 3—13 La période : T = / f [s] ............................................................................................................................... 3—13 La fréquence : f = / T ................................................................................................................................. 3—13 La longueur d’onde : = c / f ou = c T ................................................................................................... 3—14 La réflexion d’une onde mécanique rectiligne se propageant à la surface d’une cuve à ondes........................... 3—14 La réfraction d’une onde plane se propageant à la surface d’une cuve à ondes .................................................. 3—14 f = c1 / 1 = c2 / 2. ou c1 c2 = 1 / 2 ........................................................................................................ 3—14 1 / 2 = sin i1 / sin i2 ..................................................................................................................................... 3—14 Expérience de diffraction sur la cuve à ondes..................................................................................................... 3—14 Expérience d’interférences à la surface d’une cuve à ondes ............................................................................... 3—14 Autres propriétés de la lumière ....................................................................................................... 3—15 La diffraction de la lumière ................................................................................................................................ 3—15 La dispersion de la lumière blanche ................................................................................................................... 3—15 Les interférences lumineuses .............................................................................................................................. 3—15 Conclusion sur la nature de la lumière................................................................................................................ 3—15 ETAPE 3 – CARATERE CORPUSCULAIRE DE LA LUMIERE ..............................................................................3—15 l’effet photoélectrique ..................................................................................................................... 3—15 Expérience .......................................................................................................................................................... 3—15 Interprétation : la lumière extrait des électrons................................................................................................... 3—16 Précisions ........................................................................................................................................................... 3—16 Le seuil photoélectrique ..................................................................................................................................... 3—16 La théorie des quanta .......................................................................................................................................... 3—16 E = h v ........................................................................................................................................................... 3—16 = c / v (analogie avec = c / f)................................................................................................................. 3—16 1 eV = 1,6 x 10-19 J ........................................................................................................................................ 3—16 La dualité onde-corpuscule ............................................................................................................. 3—16 La lumière : onde ou particule ? ......................................................................................................................... 3—16 Vue d’ensemble sur les rayonnements électromagnétiques ............................................................ 3—17 La lumière blanche ............................................................................................................................................. 3—17 Les autres types d’ondes électromagnétiques ..................................................................................................... 3—17 Les types d’ondes électromagnétiques et leur domaine associé.......................................................................... 3—17 Rayons cosmiques radioastronomie ............................................................................................... 3—17 Rayons gamma radioactivité ............................................................................................................ 3—17 Rayons X radiographie ...................................................................................................................... 3—17 UV assainissement ............................................................................................................................ 3—17 Visible vision ..................................................................................................................................... 3—17 IR chauffage .................................................................................................................................... 3—17 Ondes hertziennes. Radar, télévision, modulation de fréquence, modul.d’amplitude..................... 3—17 LES LENTILLES ............................................................................................................................................3—17 LA SPECTROSCOPIE .....................................................................................................................................3—17 Les différents types de spectres ....................................................................................................... 3—17 Comment observer un spectre : le spectroscope ................................................................................................. 3—17 Les spectres d’émission ...................................................................................................................................... 3—18 Les spectres d’absorption ................................................................................................................................... 3—18 L’interprétation des spectres ........................................................................................................... 3—18 Les niveaux d’énergie des atomes ...................................................................................................................... 3—18 États fondamental et excité : la transition électronique ...................................................................................... 3—18 La transition électronique est associée à un photon ............................................................................................ 3—18 Transition électronique par émission de photons................................................................................................ 3—18 ∆E = h vnp ...................................................................................................................................................... 3—18 Transition électronique par absorption de photons ............................................................................................. 3—19 Niveaux d’énergie moléculaire ....................................................................................................... 3—19 L’énergie électronique : les orbitales électroniques ............................................................................................ 3—19 L’énergie de vibration ........................................................................................................................................ 3—19 L’énergie de rotation .......................................................................................................................................... 3—19 L’absorption quantifiée d’énergie par les molécules ...................................................................... 3—19 Principe .............................................................................................................................................................. 3—19 Le type de transition dépend de la nature du rayonnement auquel la molécule est soumise ............................... 3—20 Absorption moléculaire dans le visible ............................................................................................................... 3—20 La transmittance T = I / I° (en %) ................................................................................................................. 3—20 L’absorbance A (ou densité optique DO) : A = log 1 / T = log I° / I............................................................. 3—20 5—34 A = C d = (log 1 / T) ................................................................................................................................... 3—20 Le spectrophotomètre ......................................................................................................................................... 3—20 Le spectre d’absorption ................................................................................................................................. 3—21 Le calcul de la concentration ......................................................................................................................... 3—21 Spectroscopie infrarouge .................................................................................................................................... 3—21 4. L’ENERGIE NUCLEAIRE .....................................................................................................................4—22 ETAPE 1 – L’ORIGINE DE L’ENERGIE NUCLEAIRE ........................................................................................4—22 Position du problème ...................................................................................................................... 4—22 Relation d’Einstein .......................................................................................................................... 4—22 La masse et l’énergie sont deux grandeurs équivalentes ∆E = ∆m c2. ................................................................ 4—22 L’énergie stockée dans un atome est considérable ............................................................................................. 4—22 Du joule à l’eV ................................................................................................................................................... 4—22 Définition du Joule en mécanique : ............................................................................................................... 4—22 Définition du joule en électricité : ................................................................................................................. 4—22 Définition de l’eV : ....................................................................................................................................... 4—23 L’énergie de 1 kg de masse : ......................................................................................................................... 4—23 L’énergie d’un eV : ....................................................................................................................................... 4—23 Énergie de cohésion ........................................................................................................................ 4—23 L’énergie de cohésion du noyau ......................................................................................................................... 4—23 L’énergie moyenne de cohésion ......................................................................................................................... 4—23 produire de l’énergie d’origine nucléaire : fission et fusion ............................................................................... 4—23 ETAPE 2 – REACTIONS NUCLEAIRES SPONTANEES........................................................................................4—24 Composition du rayonnement radioactif ......................................................................................... 4—24 Mise en évidence ................................................................................................................................................ 4—24 Caractéristiques de ,et ............................................................................................................................... 4—24 Pouvoir de pénétration de ,et ..................................................................................................................... 4—24 Conclusion : dangerosité des radiations ........................................................................................................ 4—24 Mécanismes des transformations radioactives ................................................................................ 4—24 Radioactivité ................................................................................................................................................... 4—24 Radioactivité .................................................................................................................................................. 4—24 Radioactivité .................................................................................................................................................. 4—25 Radioactivité .................................................................................................................................................... 4—25 Les familles radioactives, notion de période radioactive ................................................................ 4—25 Les principales applications de la radioactivité ............................................................................. 4—25 Applications médicales ....................................................................................................................................... 4—25 Radiothérapie ................................................................................................................................................ 4—25 Stérilisation ................................................................................................................................................... 4—25 Stimulation cardiaque.................................................................................................................................... 4—25 Scintigraphies (osseuses, de la thyroïde, du cerveau) .................................................................................... 4—26 Recherche médicale ..................................................................................................................................... 4—26 Applications industrielles ................................................................................................................................... 4—26 Gammagraphies ............................................................................................................................................ 4—26 Témoin d’usure ............................................................................................................................................. 4—26 Détecteur de fuite .......................................................................................................................................... 4—26 Jauge d’épaisseur .......................................................................................................................................... 4—26 Datations au carbone 14 ..................................................................................................................................... 4—26 Applications en agronomie et agroalimentaire ................................................................................................... 4—26 Création d’espèces nouvelles par irradiation et mutation .............................................................................. 4—26 Utilisation de traceurs.................................................................................................................................... 4—26 La lutte contre certains insectes ..................................................................................................................... 4—26 La détermination de l’humidité des sols ........................................................................................................ 4—26 L’analyse de l’activation de certains oligo-éléments ..................................................................................... 4—26 Le traitement ionisant des aliments ............................................................................................................... 4—26 Les unités de mesure de la radioactivité ......................................................................................... 4—27 La source radioactive .......................................................................................................................................... 4—27 La réception ........................................................................................................................................................ 4—27 L’unité de dose absorbée ............................................................................................................................... 4—27 L’unité d’équivalent de dose ......................................................................................................................... 4—27 Résumé des unités de mesure de la radioactivité ........................................................................................... 4—27 ETAPE 3 – LES REACTIONS NUCLEAIRES PROVOQUEES ................................................................................4—27 La fission ......................................................................................................................................... 4—28 Principe .............................................................................................................................................................. 4—28 conditions de réalisation de la fission ................................................................................................................. 4—28 Les nucléides fissiles ..................................................................................................................................... 4—28 L’enrichissement de l’uranium ...................................................................................................................... 4—28 5—35 Un neutron ralenti par un modérateur ........................................................................................................... 4—28 La réaction en chaîne..................................................................................................................................... 4—28 Le contrôle de la réaction en chaîne (avec Cadmium) ................................................................................... 4—28 Énergie libérée lors de la fission ......................................................................................................................... 4—29 Les applications de la fission .............................................................................................................................. 4—29 La bombe A................................................................................................................................................... 4—29 Les réacteurs ................................................................................................................................................. 4—29 Le circuit énergétique dans une centrale nucléaire ........................................................................................ 4—29 La fusion.......................................................................................................................................... 4—29 Principe .............................................................................................................................................................. 4—29 Application de la fusion...................................................................................................................................... 4—30 La bombe H ................................................................................................................................................... 4—30 La fusion contrôlée ........................................................................................................................................ 4—30 5. RESUME ...................................................................................................................................................5—31
