énergie nuclé 1 sept 11

I La structure de l’atome
1. Le modèle de Rutherford 2
2. Les particules élémentaires 6
3. Principe de structuration des atomes 7
3.1 Les nucléides 7
3.2 Eléments chimiques 8
3.3 Isotopes 11
Exercices 12
II La radioactivité
1. Généralités 14
1.1 Historique 14
1.2 Définition 15
1.3 Origine de la radioactivité 15
1.4 Mise en évidence de la radioactivité 16
2 Les différentes formes de désintégration 17
2.1 Désintégration alpha(α) 17
2.2 Désintégration bêta moins (β
-
) 18
2.3 Emission gamma (γ) 19
Exercices 20
2.4 Le temps de demi-vie ou période 21
Exercice 22
POUR EN SAVOIR PLUS : 1. Désintégrations «capture d’électrons» et «bêta plus» 23
2. Les règles de stabilité des nucléides 24
III La fission nucléaire
La réaction de fission de l’uranium 235 26
La réaction en chaîne 28
La centrale nucléaire 30
POUR EN SAVOIR PLUS : L’enrichissement de l’uranium 31
POUR EN SAVOIR PLUS : La tour de refroidissement 32
POUR EN SAVOIR PLUS : Les déchets radioactifs 33
Recherche 35
Partie 2 : L’énergie nucléaire

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Comme les carburants fossiles, la technologie nucléaire joue un rôle important dans la
production d’énergie. Contrairement à l’exploitation des ressources fossiles, l’énergie
nucléaire a toujours constitué un des sujets de discussion les plus controversés, vu le
danger de la contamination radioactive.
Le chapitre ci-contre propose une étude détaillée qui vous permettra de comprendre
les notions en relation avec cette forme d’énergie.
En classe de cinquième, on vous a présenté le modèle particulaire de
l’atome. Ce modèle a permis d’expliquer différentes observations comme
par exemple celle des propriétés des états de la matière.
La découverte de la radioactivité par Becquerel en 1896 a préparé le
terrain pour des investigations plus poussées dans le domaine des
modèles atomiques. La plus célèbre de ces expériences a été effectuée
par le physicien anglais Ernest Rutherford.
1.1 L’expérience de Rutherford
Une source radioactive émettant des particules α est placée dans un bloc en plomb
doté d’un étroit canal de sortie. Les particules α émises par la source radioactive ne
peuvent pas traverser le plomb : elles sortent donc en mince faisceau par ce canal.
Une feuille en or très mince (0,004mm, ce qui correspond à environ 1000 couches
d’atomes) est placée dans le faisceau de particules α. Autour de la feuille en or est
disposé un film photographique. Ce dernier permet de déterminer la trajectoire des
particules α, car celles-ci noircissent le film photographique à l’endroit de leur impact.
Énergie nucléaire
Feuille en or
Bloc en plomb avec
source radioactive
Trajectoire des particules α
non-déviées
Film photographique
Vide
Trajectoire des particules α
déviées
Trajectoire des particules
α renvoyées
I. La structure de l’atome
1. Le modèle atomique de Rutherford

Énergie nucléaire
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I. La structure de l’atome
Le montage expérimental est hermétiquement fermé et mis sous vide (pour minimiser
les collisions des particules α avec les molécules de l’air).
Après quelques semaines, le film photographique est développé. Il se présente de la
façon suivante :
Nous observons :
• une tache foncée au milieu du film, directement vis-à-vis de l’ouverture du bloc en
plomb. Un très grand nombre de particules α ont heurté le film photographique à cet
endroit. Nous pouvons donc conclure que la plupart des particules α ont traversé la
feuille en or en ligne droite.
• des points noirs répartis sur l’ensemble du film photographique. Une petite partie des
particules α a donc été fortement déviée, voire reflétée en arrière au contact de la
feuille en or.
Au vu de ces résultats, Ernest Rutherford a constaté : « It is like shooting against a
ghost... »
1.2 Interprétation et modèle
Comment interpréter les observations faites ?
• La plupart des particules α traversent la feuille en or en ligne droite. Ainsi, nous
pouvons conclure que ces particules n’ont pas rencontré d’obstacle au passage à
travers l’atome. Ceci est en désaccord avec les modèles atomiques de Dalton et de
Thomson qui imaginaient l’atome comme une sphère de matière compacte. Or tel ne
peut pas être le cas, comme la plupart des particules α ont traversé les atomes en ligne
droite.
Ainsi, ces modèles atomiques ne sont plus valables et le développement d’un nouveau
modèle sur base des observations citées devient une nécessité.
Comme la plupart des particules α n’ont pas rencontré d’obstacle lors du passage à
travers les atomes, il faut conclure que l’atome
n’est pas compact, mais
essentiellement constitué de vide.

Énergie nucléaire
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I. La structure de l’atome
Quelques particules α (chargées positivement) ont été fortement déviées voire
renvoyées en arrière à la rencontre des atomes d’or. Il faut donc qu’ils aient rencontré
un obstacle se trouvant à l’intérieur de l’atome.
Quant à la nature de cet obstacle on peut tirer trois conclusions:
Premièrement, il est très petit car seule une petite partie des particules α l’ont heurté.
Deuxièmement, il doit être chargé positivement car il dévie voire renvoie les particules
α, qui sont eux aussi chargées positivement.
Finalement, il est très massif, comme il est capable de dévier les particules α sans pour
autant être délocalisé lui-même.
Rutherford en conclut que :
Ce modèle permet d’expliquer les résultats de l’expérience :
Feuille en or
L’atome est constitué essentiellement de vide, mais il
existe à l’intérieur de l’atome un obstacle massif, de très
petite taille qui est chargé positivement. Cet obstacle est
appelé le « noyau atomique ». La charge positive du
noyau est neutralisée par la charge négative des élec-
trons. Les électrons constituent le cortège électronique
autour du noyau.
Modèle de Dalton
Sphère compacte Modèle de Thomson
Sphère compacte chargée
positivement contenant
des électrons
Modèle de Rutherford
Noyau minuscule chargé
positivement entouré d’un
cortège électronique
Modèles atomiques:
Noyau
Cortège
électronique

Énergie nucléaire
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I. La structure de l’atome
La majeure partie des particules α traverse la feuille en or sans rencontrer de noyau
atomique : elles traversent la feuille en ligne droite.
• Certaines particules α passent à proximité d’un noyau atomique. Comme les
particules α et le noyau atomique sont chargés positivement, des forces de répulsion
s’exercent entre elles : les particules α sont déviées.
• Quelques particules α heurtent directement un noyau atomique : elles sont renvoyées
en arrière à cause des forces de répulsion.
En déterminant le rapport entre les particules α
déviées et les particules α qui passent en ligne
droite, on peut estimer la taille du noyau : le
diamètre du noyau atomique est environ 100000
fois inférieur au diamètre de l’atome. Pour bien
nous rendre compte de cette différence de taille,
imaginons que nous pouvons agrandir un atome à
la taille de la Tour Eiffel : le noyau atomique aurait
alors la taille d’un noyau de cerise, et il serait situé
au niveau du deuxième étage.
La taille d’un atome est de l’ordre de 10
-10
m.
F attraction F centrifuge
Pourquoi les électrons chargés
négativement ne tombent-ils pas sur le
noyau chargé positivement?
Pour expliquer ceci, on admet que les
électrons tournent à grande vitesse autour du
noyau. Ainsi, ils sont soumis à une force
centrifuge qui s’oppose à la force d’attraction
du noyau : les électrons sont en équilibre sur
leur orbite, ils restent en mouvement à une
certaine distance du noyau.