période radioactive de quelques éléments radioactifs

Thème 3 : L’énergie et ses transferts / CHAP2
http://www.kasuku.ch/pdf/monde_etrange_atomes/FR_monde_etrange_atomes.pdf
Atomes isotopes
238
92 U
235
92 U
protons
neutrons
92
146
92
143
→ Ces deux noyaux sont des isotopes ; donner la définition
du mot « isotope »
 Des noyaux isotopes ont le même nombre de
protons mais des nombres de neutrons différents
Réactions nucléaires spontanées
Les interactions répulsives entre les protons du noyau,
chargés positivement devraient conduire à l’éclatement du
noyau.
 Pour expliquer la cohésion du noyau, on a admis
précédemment l’existence d’une interaction forte, attractive,
qui unit l’ensemble des nucléons et qui prédomine devant
l’interaction électrique répulsive.
 Néanmoins dans certains cas, la cohésion est insuffisante,
les noyaux sont alors instables et se désintègrent
spontanément.
→ Comment appelle-t-on ces noyaux ?
Les noyaux sont dits radioactifs
La période radioactive
 La période radioactive ou demi-vie d’un élément
radioactif est la durée nécessaire à la désintégration de la
moitié des noyaux des noyaux initiaux
période radioactive de quelques éléments radioactifs
238U
235U
14C
5700 ans
131I
30S
8 jours 3 min
La période radioactive
 La période radioactive ou demi-vie d’un élément
radioactif est la durée nécessaire à la désintégration de la
moitié des noyaux des noyaux initiaux
période radioactive de quelques éléments radioactifs
238U
4,5.109 ans
235U
14C
5700 ans
131I
30S
8 jours 3 min
La période radioactive
 La période radioactive ou demi-vie d’un élément
radioactif est la durée nécessaire à la désintégration de la
moitié des noyaux des noyaux initiaux
période radioactive de quelques éléments radioactifs
238U
235U
14C
4,5.109 ans 7.108 ans 5700 ans
131I
30S
8 jours 3 min
→ On estime à 4,5 milliards d’année l’âge de la Terre ;
que peut-on dire de la quantité actuelle de noyaux 238U
Il reste actuellement sur Terre, la moitié des noyaux d’238U
présents initialement à la formation de la Terre
Dans 4,5 milliards d’années, il restera la moitié de la
quantité actuelle soit le quart de la quantité initiale
période radioactive de quelques éléments radioactifs
238U
235U
14C
4,5.109 ans 7.108 ans 5700 ans
131I
30S
8 jours 3 min
Activité d’un échantillon
 L’activité d’un échantillon radioactif donne le
nombre de noyaux radioactifs se désintégrant par
seconde
 Son unité est le becquerel
Un échantillon a une activité de 5 000 Bq ; cela signifie :
 Pendant 1 seconde, il y a 5 000 noyaux qui se désintègrent
Les particules émises
→ Lors de la désintégration des atomes radioactifs, différentes
particules peuvent apparaitre
 Particule a ou noyau d’hélium
4
2 He
 Particule b- ou électron
0
1
 Particule b+ ou positon
0
1
e
e
→ Que libère également la désintégration des noyaux
radioactifs ?
La désintégration libère un rayonnement électromagnétique g
4
2 He
a
0
1
e
0
1
b+
e
b
Les lois de conservation
Au cours d’une réaction nucléaire, il
y a conservation:
- du nombre total de protons
- du nombre total de nucléons
Désintégration a de 238U en 234Th
238
234
4
92
? U 90Th+ 2 He
+g
Désintégration b de 234Th en 234Pa
234
234
0
90Th 91? Pa+ 1e
+g
Désintégration b de 234Pa en 234U
234
234
0
91Pa 92
? U+ 1e
+g
Réactions nucléaires provoquées
La fission nucléaire
 Lors d’une réaction de fission, un noyau
lourd éclate sous l’impact d’un neutron
Symbole du neutron
1
0n
Cette réaction concerne des noyaux dits fissibles, comme
l’uranium
235
92 U
ou le
229
plutonium 94
Pu
→ Donner l’équation cette réaction de fission de l’uranium
235, cette réaction formant les noyaux
92
141
36 Kr ; 56 Ba
→ Utiliser la loi de conservation des nucléons afin de
déterminer le nombre de neutrons libérés par la réaction
235
1
92 U + 0
n
92
141
Kr
+
56 Ba +
36
1
3 0n
La réaction de fission est provoquée par un neutron ; la
réaction libère d’autres neutrons qui peuvent à leur tour
provoquer la fission d’autres noyaux d’uranium :
C’est la réaction en chaine
 Cette réaction est contrôlée dans les centrales et
incontrôlées dans les bombes nucléaires.
La fusion nucléaire
 Lors d’une réaction de fusion, deux noyaux
légers s’associent pour former un noyau plus lourd
deutérium
→ Ecrire l’équation de la réaction de fusion
2
3
4
1
1H+ 1 H2 He+ 0 n
2
1H
tritium
3
1H
hélium
4
2 He
La fusion de 2 noyaux
chargés positivement
nécessite des températures
très élevées et une pression
très grande
 Ces conditions sont
réunies dans le soleil et les
étoiles, les réactions de
fusion peuvent s’y produire
spontanément.
 Depuis une trentaine
d’années, de nombreux
laboratoires étudient la
fusion du deutérium et du
tritium (projet ITER, Laser
Mégajoule, etc...)
Bilan d’énergie
Relation d’Einstein
→ Rappeler la relation d’Einstein ; que signifie-t-elle ?
Lorsque la masse d’un système diminue, l’énergie qu’il libère
est donnée par la relation d’équivalence masse-énergie:
E  Dm  C
2
Dm : défaut de masse (kg)
C : célérité de la lumière dans le vide
C = 2,99792458.108 m.s-1
C = ....................
3,00.108 m.s-1
Energie libérée par la réaction de fission
235
1
92
141
92 U+ 0 n36 Kr + 56 Ba
1
0
n
235
92
U
92
36
Kr
1,675.10-27 3,903.10-25 1,526.10-25
141
56
1
+30 n
Ba
Masses en kg
2,340.10-25
→ Calculer la masse de tous les réactifs et la masse de tous
les produits de la réaction de fission
Minitiale = 3,920.10-25 kg
Mfinale = 3,916.10-25 kg
→ Que constate-t-on ?
Au cours de cette réaction, il y a eu une perte de masse
→ En quoi c’est transformé la masse manquante ?
La masse manquante s’est transformée en énergie
→ Calculer l’énergie libérée par la réaction de fission de
l’Uranium 235
25
25
8 2

(
3
,
920
.
10

3
,
916
.
10
)

(
3
.
10
) 
E  Dm  C
2
3,600.10-11 J
La fission est utilisée dans les réacteurs des centrales
nucléaires pour produire de l’électricité.
→ Calculer le nombre de noyaux d’uranium 235 dans
1,0 g d’uranium 235
10 3

 25
1 noyau
3,903.10-25 kg
3,903 .10
??? noyaux
1,0 g = 10-3 kg
2,6.1021 noyaux
→ Calculer l’énergie libérée lors de la fission dans une
centrale de 1,0 g d’uranium
1 noyau
2,6.1021 noyaux
3,600.10-11
J
?????
2,6.10  3,6.10
21
9,4.1010 J
11

La tonne d'équivalent pétrole (tep) est une unité d'énergie
qui sert à comparer les énergies obtenues à partir de sources
différentes.
1 tep représente 4,2.1010J, c'est-à-dire l'énergie libérée en
moyenne par la combustion d'une tonne de pétrole.
→ Exprimer l’énergie libérée par la fission de l’uranium en
tep et conclure
1 tep
?? tep
4,2.1010
J
9,4.1010 J
9,4.1010

10
4,2.10
2,2 tep
La fission de 1 g d’uranium libère autant
d’énergie que la combustion de 2,2 tonnes de
pétrole
Energie libérée par les réactions fusion
2
3
4
1
1H+ 1 H2 He+ 0 n
2
1
H
3
1
H
3,344.10-27 5,008.10-27
4
2
He
1
0n
Masses en kg
6,646.10-27 1,675.10-27
→ Calculer l’énergie libérée au cours de cette réaction de fusion
-27
Minitiale = 8,352.10 kg
-27
Mfinale = 8,321.10 kg
E  Dm  C 2 ( 8,352.10 27  8,321.10 27 )( 3.108 )2 
2,790.10-12 J
→ Calculer le nombre de noyaux de deutérium dans
1,00 g de Deutérium
1 noyau
3,344.10-27 kg
10 3

 27
3,344 .10
??? noyaux
1,0 g = 10-3 kg
2,99.1023 noyaux
→ Calculer le nombre de noyaux de tritium dans 1,50 g de
Tritium
1 noyau
??? noyaux
5,008.10-27 kg
1,5 g = 1,5.10-3 kg
1,5.10 3

 27
5,008 .10
2,99.1023 noyaux
→ Calculer l’énergie libérée par la fusion de 1,00 g de
deutérium avec 1,50 g de tritium
1 noyau de deutérium + 1 noyau de tritium
2,790.10-12 J
2,99.1023 noyau de deutérium + 2,99.1023 noyau de tritium
2,99.10  2,790.10
23
12

8,34.1011 J
→ Exprimer ce résultat en TEP et conclure
1 tep
?? tep
4,2.1010
J
8,34.1011 J
8,34.1011
20 tep

4,2.1010
La fusion de 1 g de deutérium avec 1,5 g de
tritium libère autant d’énergie que la combustion
de 20 tonnes de pétrole !!