Programme Harmonisé de Physique, 7e année. Page 1 Programme

Ecoles Européennes
Programme Harmonisé de Physique, 7e année.
PROGRAMME
CHAPITRE
Page 1
MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
MOYENS D’APPROCHE
Programme de 7e année.
Section F. Physique des
F 1.
champs.
Energie dans le
champ radial
Les relations qui sont encadrées peuvent être requises sans démonstration dans les questions du
Baccalauréat. On peut demander aux candidats de démontrer les autres relations. Les durées sont
indicatives.
Le travail à fournir pour modifier la distance séparant des objets de masses m1 et m2 de ra à rb est:
On pourra introduire le
potentiel gravitationnel
W = Gm1m2 (1/ra – 1/rb).
Révisions des sections M2.4, M2.5, M4.3. du programme de sixième année.
F1.1 Champ
gravitationnel radial.
Par convention, l’énergie potentielle de gravitation est prise égale à zéro à l’infini. Cela implique que l’énergie potentielle de
gravitation est négative, la force de gravitation étant attractive.
Energie Potentielle Gravitationelle
Ep = – Gm1m2 /r
dans un champ gravitationnel radial
La vitesse de libération d’un objet qui se trouve à la distance r du centre d’une planète de masse M est
vlibération = [2GM/r] ½
F1.2 Champ électrique.
L’énergie cinétique d’un solide en orbite est Ek = Gm1m2/2r, ce qui implique que l’énergie totale est – Gm1m2/2r.
Par analogie, l’énergie totale d’une particule légère en orbite autour d’une particule lourde, chargée et immobile est :
Energie Potentielle Electrique
Ep = – Q1Q2 /8 πε0 r
dans un champ électrique radial
Calculs de la masse du soleil et
des planètes; vitesse en orbite.
Les conditions d’un voyage sur
la lune.
Ecoles Européennes
Programme Harmonisé de Physique, 7e année.
PROGRAMME
CHAPITRE
F1.3 L’électron volt.
Page 2
MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
Pour les petites particules, de dimensions atomiques ou subatomiques, il peut être utile de mesurer leur énergie à l’aide d’une
unité plus petite que le joule. L’énergie d’une particule qui porte une charge élémentaire, accélérée depuis le repos par une
tension électrique de 1V, est de 1 électron volt (eV).
Electron Volt
Unité: eV
Définition:
Energie équivalente à celle d’un électron accéléré depuis le
repos sous une tension de 1V
F 2.
Energie dans un
champ uniforme.
F2.1 Le champ
gravitationnel
uniforme.
F2.2 Le champ électrique
uniforme.
F2.3 Le champ
magnétique.
Mouvement des
particules dans les
champs.
F3.1 Champ
gravitationnel
uniforme.
F3.2 Champ électrique
uniforme.
Révision des notions abordées en quatrième et cinquième années et de la section M3.1 du programme de sixième année.
Révision de la section F1.1 – F.1.3 du programme de sixième année.
La force qui s’exerce sur une charge en mouvement dans un champ magnétique étant perpendiculaire à sa vitesse, son travail est
nul et en conséquence l’énergie cinétique de la particule est constante.
F3.
Révision de la section M1.4 du programme de sixième année.
Comme dans le cas du champ gravitationnel, la trajectoire d’une particule chargée dans un champ uniforme est en général
parabolique.
MOYENS D’APPROCHE
Ecoles Européennes
Programme Harmonisé de Physique, 7e année.
PROGRAMME
CHAPITRE
Page 3
MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
F3.3 Champ magnétique Les équations du mouvement d’une particule chargée dans un champ magnétique, impliquent que la trajectoire est en général
hélicoïdale; l’hélice se ramène à un cercle si la vitesse et le champ sont perpendiculaires et à une droite s’ils sont parallèles.
uniforme.
Le rayon du cercle est donné par r = mv/Bq.
[Note : ici, comme ailleurs, un traitement vectoriel rigoureux n’est pas nécessaire, mais les élèves doivent être capable de
déduire le sens de la force d’une règle pratique simple].
F3.4 Applications.
Temps alloué: 32 périodes
(F)
Section W. Ondes.
W1. Notions de base.
W1.1 Définitions. Ondes
sinusoidales.
Un champ magnétique peut servir à trier les particules en fonction de leur masse, comme dans le cas du spectromètre de masse.
On peut accélérer les particules chargées, par l’action d’un champ électrique, comme dans un canon à électrons. Les champs
électriques et magnétiques peuvent aussi être utilisés pour dévier les particules chargées comme dans un oscilloscope ou un
téléviseur. On peut utiliser l’action combinée d’un champ électrique et d’un champ magnétique pour trier des particules en
fonction de leur vitesse, ou pour les accélérer, comme dans le cas du cyclotron. On pourra aborder d’autres applications où des
champs magnétiques et électriques sont utilisés en combinaison.
MOYENS D’APPROCHE
Analogies avec la chute libre et
avec les mouvements
ballistiques. L’accélérateur
linéaire.
D’autres accélérateurs, p. ex. le
synchrotron.
Le microscope électronique, les
lentilles magnétiques.
Expérience de Millikan.
Un système d’oscillateurs couplés, c’est à dire où l’énergie peut passer d’un à l’autre de proche en proche, permet la propagation Expériences avec les pendules
couplés etc.
d’une onde progressive. L’énergie se propage sans déplacement d’ensemble de matière.
Les ondes peuvent être transversales ou longitudinales, selon que la perturbation est perpendiculaire ou parallèle à la direction de
propagation de l’onde.
Un oscillateur est dit harmonique, ou sinusoïdal, si la perturbation qu’il crée est donnée par une loi du type y = A sin ωt (voir
sixième année). Le terme ωt est appelé la phase du mouvement. La perturbation d’un oscillateur voisin a la même amplitude
mais une phase différente (en supposant qu’il n’y a pas de perte d’énergie). La perturbation sera alors y' = A sin(ωt – Df), où
Df est la différence de phase entre les deux perturbations. La phase varie de façon linéaire en fonction du déplacement dans la
direction de propagation de l’onde, pour une valeur donnée du temps.
W1.2 Equation d’une onde Dans une onde progressive,
progressive.
la phase d’un oscillateur donné change de 2π au bout du temps 2π/ω . T est la période de l’onde.
la phase d’un oscillateur varie de 2π pour deux oscillateurs séparés par la distance λ. C’est la longueur d’onde.
le déphasage de deux oscillateurs séparés par la distance ∆x et pour un intervalle de temps de ∆t est donné par:
Ecoles Européennes
Programme Harmonisé de Physique, 7e année.
PROGRAMME
CHAPITRE
Page 4
MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
MOYENS D’APPROCHE
∆φ = 2π∆t/T – 2π∆x/λ
L’équation d’onde d’une onde progressive est :
y = A sin(2πt/T – 2πx/λ)
Une onde progressive a une double périodicité (dans l’espace et dans le temps).
La vitesse de propagation d’une onde est ∆x/∆t = λ/T = fλ, et est définie par la vitesse de déplacement d’une crète (ou d’un
autre point de phase donnée)
W1.3 Principe de Huygens. La propagation d’une onde peut être considérée comme résultant de la formation d’ondes issues de sources secondaires sur sa
surface d’onde.
Note générale: Le concept d’onde permet de décrire des phénomènes qui sont apparemment très différents. On devra insister
sur cet aspect, en soulignant les similitudes de comportement du son et des ondes radio, plutôt que sur leur différences.
W1.4 Exemples.
Les ondes sonores, ou acoustiques, peuvent se propager dans les solides, les liquides et les gaz. Dans l’air, la vitesse de
propagation, qui dépend de la température, est de 340 ms-1 à la température ordinaire. Dans les gaz, les ondes sonores sont
longitudinales.
Des ondes transversales peuvent se propager sur des cordes avec une célérité qui dépend de la tension de la corde et de la masse
linéique.
W2. Notions de base.
W2.1 Général
Les ondes électromagnétiques ont un éventail de fréquences très grand et peuvent être utilisées pour véhiculer une information
(radio), pour éclairer, et pour des usages médicaux (rayons X) selon leur fréquence. Ce sont des ondes transversales, qui
peuvent se propager dans le vide à une vitesse c qui est indépendante de la fréquence et qui est une constante fondamentale de la
physique. Il n’est pas nécessaire de traiter en profondeur leur nature et la façon avec laquelle elles se propagent.
Avec tous les types d’onde, on peut observer les phénomènes de réfraction, réflexion, diffraction, interférence et d’effet
Doppler.
W2.2 Réfraction.
Vitesse de propagation d’une
onde sur une corde: c2 = F/µ
où µ = m/l (la masse linéïque
de la corde)
Vitesse de propagation des
ondes sonores:
c α ÚT où T est la température
absolue.
Les phénomènes seront montrés
dans les situations aussi
diverses que possible (lumière,
La longueur d’onde d’un train d’onde dont la vitesse de propagation change, habituellement à cause d’une modification du
son, cuve à ondes, microondes,
milieu de propagation, varie proportionnellement à la vitesse de propagation (contrairement à la fréquence). Sous une incidence ultrason.....)
oblique, cela entraîne un changement de la direction de propagation. Si les angles d’incidence et de réfraction (angles entre les
Ecoles Européennes
Programme Harmonisé de Physique, 7e année.
PROGRAMME
CHAPITRE
Page 5
MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
MOYENS D’APPROCHE
rayons et la normale au dioptre) sont respectivement α et β, et les vitesses de propagation dans les deux milieux, c1 et c2, on a
sinα/sin β = c1/c2.
Indice de réfraction d’un milieu
Symbole: n
Définition: n = c/c’ où
c = vitesse de propagation de l’onde dans le vide
c’ = vitesse de propagation de l’onde dans le milieu
W2.3 Réflexion.
Un train d’ondes se réfléchit sur une surface de sorte que l’angle de réflexion soit égal à l’angle d’incidence. Si la surface sur
laquelle a lieu la réflexion appartient à un milieu dans lequel la vitesse de propagation est plus faible, la réflexion s’accompagne
d’un déphasage de π.
W2.4 Diffraction.
Une onde plane qui passe par une ouverture “s’étale”, en fonction de la longueur d’onde et de la largeur de l’ouverture.Cet effet
dépend du rapport λ/d, où d est la largeur de l’ouverture. On observe aussi ce type de comportement lorsqu’une onde rencontre
un obstacle.
W2.5 Interférence.
2.5.1 Notions de base.
2.5.2 Cohérence.
La déformation résultant des actions simultanées de deux ondes en un même point de l’espace et au même instant est égale à la
Battements
somme algébrique des déformations. Ceci constitue le principe de superposition. Si l’on observe une augmentation de
l’amplitude, on dit que l’on a affaire à des interférences constructives. Si on observe une diminution de l’amplitude on dit que
l’on a affaire à des interférences destructives. Lorsqu’il y a superposition d’ondes identiques l’amplitude est comprises entre 0 et
2 fois l’amplitude d’une onde seule. Si les sources des ondes qui interfèrent sont situées en A et B, et sont en phase, il y a
interférence constructive en un point P quelconque si la différence de marche est un multiple entier de longueur d’onde. Il y a
interférence destructive si la différence de marche est un multiple impair de la demi longueur d’onde.
On ne peut observer un phénomène d’interférences stable qu’entre deux sources qui ont un déphasage constant. De telles ondes
sont dites ondes cohérentes. De sources d’ondes cohérentes sont dites sources cohérentes.
Ecoles Européennes
Programme Harmonisé de Physique, 7e année.
PROGRAMME
CHAPITRE
Page 6
MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
MOYENS D’APPROCHE
Différence de marche.
Symbole: δ
Unité: m
Définition: δ = |PA - PB | dans un point P
où A et B sont les positions de deux sources cohérentes.
2.5.3 Ondes stationnaires. Elles résultent des interférences de deux ondes se déplaçant en sens opposés. Il apparaît des noeuds et des ventres aux points où
les interférences sont soit destructives soit constructives. Ces points se trouvent à des positions déterminées de l’espace. Les
ondes doivent être issues de source cohérentes, mais peuvent en général avoir n’importe quelle fréquence.
Les points où les interférences sont destructives (appelés noeuds de déplacement) sont séparés par des distances multiples
entières de la longueur d’onde. Entre chaque noeud se trouve un ventre de déplacement où les interférences sont constructives.
[Note: en Francais, le terme “ondes stationnaires”ne semble être utilisé que pour les ondes qui se propagent dans un milieu
limité dans le cas où une des ondes est l’onde réflechie de l/autre, voir ci-dessus. On veillera à cela pour éviter des problèmes
lors de la traduction des questions de Baccalauréat.]
2.5.4 Milieux limités;
fondamental et
harmoniques.
Le cas le plus important d’apparition d’ondes stationnaires est celui où le milieu de propagation est limité. Les seules ondes
stationnaires qui peuvent exister avec une amplitude significative sont celles qui vérifient les conditions aux limites. Ceci ne se
produit que pour certaines fréquences. La plus petite fréquence pour laquelle cela est possible s’appelle le fondamental; les
autres fréquences s’appellent les harmoniques dont les fréquences sont liées de façon simple à celle du fondamental. Dans les
relations qui suivent, n est le numéro de l’harmonique et λ0 la longueur d’onde du fondamental.
[Note: l’utilisation des termes “overtone” et “harmonic”et leurs équivalents varie suivant les langages. On veillera à prendre
soin, lors des traductions des questions de Baccalauréat, à éviter toute ambiguité. Le terme “premier harmonique” n’a pas le
même sens en français et en anglais.]
Pour un tuyau fermé à une extrémité: λn = λ0 /(n+1) = 2l/(n+1) (noeud ou ventre de déplacement aux deux bouts)
Pour un tuyau fermé à une extrémité: λn = λ0 /(2n+1) = 4l/(2n+1) (noeud à un bout et ventre à l’autre)
Tuyaux resonants; corde de
Melde, tube de Kundt....
Tuyaux d’Orgues, et autres
instruments à cordes et à vent.
Ecoles Européennes
Programme Harmonisé de Physique, 7e année.
PROGRAMME
CHAPITRE
2.5.5 Interférence des
ondes de deux
sources.
Page 7
MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
MOYENS D’APPROCHE
Si deux sources cohérentes en phase sont situées aux points A et B distants de d, il apparaît une onde stationnaire sur le segment
AB (voir ci-dessus); dans le reste de l’espace on observe un système d’ondes progressives, symétrique par rapport à la
médiatrice de AB.
Pour les observateurs situés à une grande distance de AB (par rapport à d), la différence de marche δ dans la direction faisant un En fonction du niveau de la
classe, on montrera la figure de
angle x avec la médiatrice de AB est δ = d sin x
diffraction d’une fente simple,
En conséquence l’amplitude de l’onde résultante sera maximale aux points où il y interférences constructives c’est à dire tels que et la modulation qu’elle
introduit dans la figure
d’interférence de deux sources.
sin θk = kλ /d.
(k est l’ordre du maximum)
et l’amplitude de l’onde résultante sera minimale aux points où il y interférences destructives c’est à dire tels que:
sin θ = (2k–1)λ/2d
Si de plus l’angle θ est petit, et si D est la distance séparant l’observateur de AB, on a
sin θk ≈ θk ≈ tan θk = xk /D = k.λ/d pour un maximum d’intensité,
où xk est la distance du ke maximum à partir de l’axe de symétrie, il s’en suit que les maxima d’intensité sont espacés
régulièrement de Dλ/d.
2.5.6 Réseau de
diffraction.
W2.6 Effet Doppler.
Temps alloué: 34 périodes
(W)
Réfractomètres,
l’interferomètre de Michelson.
Interferomètre, miroir de Lloyd,
miroirs de Frésnel..
Un réseau de diffraction, permet d’observer des maxima beaucoup plus intenses et beaucoup plus fins aux mêmes angles et
positions, ce qui les rend plus faciles à localiser. Il n’est pas nécessaire de donner une explication détaillée à partir du cas de la
double fente.
En fonction du niveau de la
Lorsqu’une source d’ondes S, de fréquence f0, et un observateur O sont en mouvement relatif et se déplacent parallèlement à
OS, la fréquence f' de l’onde reçue par l’observateur est f'= c'/λ, où c' et λ' sont la vitesse de propagation et la longueur d’onde classe on pourra traiter les cas
observées. La fréquence observée varie donc suivant que la source et l’observateur se rapprochent ou s’éloignent l’un de l’autre. séparés de l’observateur et de la
source en mouvement.
Ecoles Européennes
Programme Harmonisé de Physique, 7e année.
PROGRAMME
CHAPITRE
Page 8
MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
MOYENS D’APPROCHE
Changement de fréquence observé lorsque la source et l’observateur se
rapprochent l’un à l’autre.
∆f/f ≈ v/c (for v<<c)
où v est la vitesse d’approche, c est la vitesse de propagation de l’onde dans le mileu (s’il y en a un).
Section D. Dualité ondescorpuscules.
D.1 Introduction.
D.2
Théorie
corpusculaire de la
lumière.
D2.1 Effet
photoélectrique.
Il est habituel de considérer que les électrons et les autres particules se comportent comme de petits objets ayant une masse, et
les rayonnement„ tels que la lumière, comme des ondes. Cependant, dans certains de leur comportement on est amené à inverser
ces représentations.
L’émission d’électrons par la surface éclairée d’un métal pur, ne peut pas être expliquée par le modèle ondulatoire de la lumière. Décharge d’un électroscope
exposé à la lumière.
L’émission ne se manifeste qu’avec une lumière dont la fréquence est supérieure à une une certaine valeur, appelée seuil de
fréquence. Au-desssus de cette fréquence, l’émission des électrons est instantanée, l’énergie cinétique maximum de ceux-ci
varie de façon linéaire avec la “fréquence” de la lumière, et leur nombre dépend de la puissance lumineuse. La valeur du seuil
de fréquence dépend de la nature du métal.
Ces phénomènes sont interprétés, quantitativement et qualitativement, en supposant que la propagation de la lumière se fait par
des corpuscules, ou photon„ dont l’énergie est fonction de la fréquence de la lumière.
Pour un métal donné, il existe un seuil d’énergie au-dessous duquel aucune émission d’électrons ne peut avoir lieu. Cette
quantité est appelé travail d’extraction du métal.
D2.2 Mesure de la
L’intensité du flux d’électrons émis, ainsi que leur énergie cinétique maximale peuvent être mesurées à l’aide d’une cellule
constante de Planck. photoélectrique . Les élèves doivent être familiarisés avec cette expérience et doivent savoir mesurer la constante de Planck.
hf = W0 + KE = W0 + ½ mv2 = W0 + eVstop , et W0 = hf0.
D2.3 Quantité de
mouvement de la
lumière.
Un photon possède une quantité de mouvement fonction inverse de la longueur d’onde.
“Light sail”, vent solaire,
radiomètre de Crook.
L’effect Compton.
Ecoles Européennes
Programme Harmonisé de Physique, 7e année.
PROGRAMME
CHAPITRE
Page 9
MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
Travail d’extraction
Symbole: W0
Unite/: joule J
Définition: La quantité minimum d’énergie nécessaire pour arracher un électron de
la surface d’un métal donné.
Energie d’un photon
E = h.f
où h est la constante de Planck.
Quantité de mouvement d’un photon.
p = h/λ
Théorie ondulatoire
de la matière.
D3.1 Diffraction des
Un faisceau de particules de faible masse peut avoir un comportement ondulatoire, peut être diffracté et peut produire des
particules.
interférences comme un faisceau de lumière.
D.3
D3.2 Ondes De Broglie.
Le comportement de telles particules peut être décrit quantitativement, s’il on leur attibue une longueur d’onde de De Broglie,
inversement proportionnelle à leur quantité de mouvement, qui correspond à la relation établie pour le photon.
Longeur d’onde de De Broglie
λ = h/mv = h/p
D3.3 Applications.
Temps alloué: 14 périodes
(D)
La très faible longueur d’onde des électrons les rend utiles en microscopie, parce qu’ils sont moins perturbés par la diffraction
que la lumière. Les réseaux de diffraction ne sont pas assez fins pour être utilisés, mais le réseau d’un cristal provoquera des
interférences. Pour les faisceaux d’électrons réfléchis par les surfaces cristallines, les plans réticulaires successifs produisent des
faisceaux réfléchis qui peuvent interférer. Les maxima d’intensité sont observés lorsque sin φn = n λ/2d, où d est la distance
entre les plans réticulaires.
MOYENS D’APPROCHE
Ecoles Européennes
Programme Harmonisé de Physique, 7e année.
PROGRAMME
CHAPITRE
Page 10
MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
Section A. Physique
L’expérience de Rutherford suggère que les les atomes sont formés d’un noyau petit, massique, chargé positivement, entouré
atomique.
d’électrons.
A.1 Genéralités. L’atome
Les atomes excités par bombardement électrique dans un tube à décharge, peuvent émettre de la lumière. Des lumières de
nucléaire.
fréquences différentes sont émises, et font partie de séries. L’énergie de ces photons correspond à des pertes d’énergie dues à
des réarrangements électroniques.
Le fait que les fréquences sont toujours les mêmes et sont définies de façon précise implique que seulement certaines énergies
sont possibles.
A.2
Séries.
L’atome
d’hydrogène.
Temps alloué: 14 périodes
(A)
Section N. Physique
nucléaire.
N.1. Particules
élémentaires.
N1.1 Déscription.
Expériences avec les tubes à
décharge.
L’idée d’un modèle; limitations
d’un modèle.
La condition selon laquelle l’onde d’un électron en orbite doit être en phase avec elle-même en tous les points de l’orbite pour L’expérience Franck-Hertz
qu’il y ait interférences constructives, implique qu’un électron ne peut être en orbite que sur des trajectoires dont le rayon est tel suggeère qu’il existe des
niveaux d’énergie dans les
que nλ = nh/mv = 2πr. Cette condition est appelée historiquement, condition de Bohr.
atomes de Mercure.
En l’assossiant à la mécanique classique de l’électron sur l’orbite (voir section F1) , on peut calculer l’énergie totale de l’atome En fonction du niveau de la
classe on pourra introduire le
d’hydrogène En = – me4/8ε02h2n2 ainsi que les fréquences des photons émis fn = me4/8ε02h3[1/n2 - 1/m2] où m et n sont des
principe du laser.
entiers. Ceci rend bien compte des faits expérimentaux; les différentes valeurs de n correspondent aux différentes séries.
A.3
N1.2 Unités.
MOYENS D’APPROCHE
Les raies de la série de Balmer (correspondant à n = 2) correspondent à des raies visibles. L’énergie d’ionisation est
E = me4/8ε02h2
Révision des notions abordées en quatrième année, section N.
Le noyau est formé de nucléons (protons et neutrons). Les élèves doivent connaître les caractéristiques de base (masse, charge
et composition) des nucléons, de l’électrons ( particule β) et particule α.
L’unité de masse atomique est “u”; les masses du proton et du neutron sont approximativement 1u
Ecoles Européennes
Programme Harmonisé de Physique, 7e année.
PROGRAMME
CHAPITRE
Page 11
MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
MOYENS D’APPROCHE
L’unité de masse atomique
Symbole: u
Définition: 1u = 1/12 la masse d’un atome de Carbon-12.
N1.3 Le noyau.
Les noyaux sont composés d’un certain nombre de protons (Z) et d’un certain nombre de neutrons (N). La masse totale du noyau
exprimée en u est approximativement A = N + Z.
N1.4 Notation.
Un nucléide qui possède N neutrons et Z protons est représenté par Z X . Le nombre d’électrons d’un atome est égal au numéro
atomique, qui définit l’identité chimique de l’atome. Le nombre de neutrons peut varier, ce qui donne un ensemble d’isotopes
d’un même élement.
[Note: les ouvrages semblent utiliser le symbole ci-dessus soit pour l’atome soit le noyau. De plus, les termes de nucléides et
d’isotopes sont utilisés sans réelle rigueur. Il est donc important, lors de l’écriture des questions de Baccalauréat de bien
préciser le contexte de façon à éviter toute ambiguité.]
A
N.2 Réactions nucléaires.
N2.1 Noyaux stables et
Certains isotopes sont stables, mais beaucoup sont instables et se désintègrent spontanément. Ces isotopes sont appelés
instables.
radioisotopes et sont dits radioactives. Lorsqu’ils se désintègrent, la grande majorité émettent des particules α ou β.
N2.2 Rayons γ.
Tout comme l’atome, le noyau peut se trouver dans un état excité, et peut perdre l’énergie d’excitation spontanément. Cette
énergie peut être émise sous forme de photon de haute fréquence, ou rayon γ.
N2.3 Equivalence entre
masse et énergie.
La théorie de la relativité rassemble les lois de conservation de la masse et de l’énergie en une seule loi, en énonçant
l’équivalence de ces deux quantités. Le total masse/énergie d’un système se conserve
Masse-énergie
L’énergie équivalente à la masse m est E = mc2.
La chambre à brouillard; les
émulsions photographiques; le
tube Geiger-Muller.
Ecoles Européennes
Programme Harmonisé de Physique, 7e année.
PROGRAMME
CHAPITRE
N2.4 Défaut de masse et
énergie de liaison.
Page 12
MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
MOYENS D’APPROCHE
La masse d’un noyau au repos est inférieure à la somme des masses de ses constituants au repos. On appelle défaut de masse la
différence des deux masses précédentes ∆m. De l’énergie/masse est libérée lors de la formation du noyau; cette quantité est
appelée énergie de liaison, et doit être fournie pour séparer les constituants du noyau.
Energie de liaison
E = – ∆mc2
N2.5 Energie de liaison
par nucléon.
Si le défaut de masse est divisé par le nombre de nucléons dans le noyau, l’énergie de liaison donne une idée de la difficulté pour
arracher un nucléon, et donc de la stabilité du noyau.
N2.6 Radioactivité
artificielle.
Des éléments légers peuvent être rendus plus lourds par des moyens artificiels, en particulier par bombardement ou absorption
de neutrons. Parfois cela entraïne l’instabilité du noyau.
N2.7 Fission et fusion.
Deux noyaux peuvent fusionner pour former un noyau plus lourd, c’est le phénomène de fusion. Un noyau lourd peut fissionner.
L’énergie de liaison par nucléon, fonction de la masse atomique, est telle que les éléments légers libèrent de l’énergie par fusion
et les plus lourds par fission.
La fission peut provoquer des réactions en chaîne (par exemple Uranium 235 et Plutonium). Il y a conservation de la charge et
du nombre de masse au cours des réactions nucléaires.
Etoiles.
N2.8 Lois de conservation. Les élèves devraient être capables d’appliquer la conservation de la quantité de mouvement à des problèmes impliquant des
réactions et des interactions nucléaires (voir programme de sixième année M3.2) ainsi que la conservation de l’énergie/masse.
N2.9 Réacteurs.
N.3 Désintégration
radioactive.
N3.1 Définitions.
Aucune étude approfondie concernant la technologie des réacteurs nucléaires n’est requise. Les candidats devraient connaître
néanmoins les rôles du modérateur, les éléments de combustible et des barres de contrôle.
L’activité d’un échantillon est le nombre de désintégrations par seconde. Cette activité est proportionnelle au nombre de
nucléides présents. La constante de proportionnalité est appelée constante radioactive qui peut être interprétée comme la
probabilité qu’un atome se désintègre en une seconde.
Désintégration de Thorium.
Ecoles Européennes
Programme Harmonisé de Physique, 7e année.
PROGRAMME
CHAPITRE
Page 13
MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
Activité
Symbole: A
Unité: becquerel Bq
Définition: Le nombre de désintegrations par seconde
Relation:
A = – dN/dt
Constante radioactive
Symbole: λ
Définition:
N3.2 Désintégration
exponentielle;
demie-vie.
Unité: s-1
λ = A/N = – (dN/dt)/N
Les équations précédentes, conduisent à une relation de type exponentiel entre le nombre d’atomes, la masse, l’activité d’un
radioisotope et le temps.
N = N0e-λt
m = m0e-λt
A= A0e-λt .
L’intervalle de temps nécessaire pour qu’une fraction d’un radioisotope se désintègre, est caractéristique de l’isotope. Le temps
pour que l’activité soit divisée par deux est appelée période radioactive (ou demi-vie) et est donnée par T½ = ln 2/λ.
N3.3 Séries radioactives.
Temps alloué; 14 périodes
(N)
Les familles radioactives issues d’un élément se terminent par un élément stable.
MOYENS D’APPROCHE
On pourra introduire des unités
de dose reçue (Gray, Sievert)
pourraient être introduites, ainsi
que d’autres unités historiques
(Curie, rem, rad).