Cours de physique nucléaire - 1S

Rédigé par clement 2 commentaires

A - Pour commencer, un peu d'histoire

B - Quelques rappels sur la composition des atomes

    Les noyaux des atomes sont composés de nucléons qui regroupent les neutrons et les protons . Autour du noyau, les électrons forment un nuage électronique.
    Les noyaux sont représentés par leur notation symbolique . Voir l'exemple du cuivre 63 ci-contre.
    Certains noyaux aussi appelés radionucléides sont instables parce qu’ils contiennent trop de neutrons et/ou trop de protons. On dit qu'ils sont radioactifs . Ils vont alors se désintégrer de manière aléatoire et spontanée .

Exerce toi :

C - Les rayonnements radioactifs

    En 1896 le physicien français Henri BECQUEREL range des minéraux contenant de l’uranium dans un tiroir avec des plaques de photographies blanches. Quatre jours plus tard il constate que ces plaques sont noircies. Il en déduit que l’uranium réagit spontanément en émettant un rayonnement qui a noirci les plaques : c'est la radioactivité.
    Dans la décennie suivante les physiciens franco-polonais Pierre et Marie CURIE , Henri BECQUEREL et le physicien britannique Ernest RUTHERFORD étudient séparement la désintégration radioactive de l'uranium et d'autres éléments chimiques comme le radium et le thorium. Ils découvrent que la radioactivité s'accompagne de l'émission de différents rayonnements dont ils identifieront la nature et la composition. Ainsi ils constatent que certains rayonnements sont déviés par un champ magnétique ou électrique ce qui signifie qu'ils sont chargés électriquement. Certains rayons ne sont donc pas véritablement des ondes mais plutôt des particules.

Exerce toi :

D - Ecrire une équation de réaction nucléaire

    Lors d'une réaction nucléaire des noyaux et des particules réagissent spontanément ou de manière forcée pour former d'autres noyaux et particules. La loi de conservation des éléments chimiques de Lavoisier, valable pour les réactions chimiques, ne s’applique plus. Pour les réactions nucléaires, elle est remplacée par 2 nouvelles lois de conservation :
    1. Lors d'une réaction nucléaire, le nombre de masse total A est conservé
    2. Lors d'une réaction nucléaire, ,le nombre de charge total Z est conservé

On distingue 5 types de réactions nucléaires :
    1.La radioactivité α (alpha) qui correspond à la désintégration d'un noyau père en un noyau fils plus stable avec émission d'un noyau d'hélium 4 42He
    2.La radioactivité β- (beta -) qui se fait avec émission d'un électron 0-1e-
    3.La radioactivité β+ (beta +) qui se fait avec émission d'un positron 0+1e+ (antiparticule de l'électron)
    4.La fusion qui consiste à forcer la fusion de 2 noyaux légers pour en obtenir un plus lourd avec émission de particule(s)
    5.La fission qui consiste à la brisure spontanée ou forcée d'un noyau lourds pour obtenir généralement 2 noyaux plus légers avec émission de particule(s)

Exemple : la désintégration spontanée du phosphore 30 3015P -> 3014Si + 01 e+ + 00ν
On a bien 30 = 30 + 0 + 0 : il y a conservation du nombre de masse
Et 15 = 14 + 1 + 0 : il y a conservation du nombre de charge

Il y a émission d'un électron il s'agit d'une désintégration β-.

Complément : pour l'explication de la contribution du neutrino ν voir la vidéo suivante (jusqu'à 5:45)

Exerce toi :

 

E - L'énergie nucléaire
    En 1905 Albert Einstein âgé de 26 ans publie 4 articles portant sur des domaines aussi différents que la mécanique quantique, le mouvement Brownien ou la relativité restreinte (qu'il vient de formaliser). Dans son dernier article il montre que tout corps de masse m (en kg), même immobile,  possède une énergie de masse E (en J) qui est donnée par la relation :
E = m x c0² avec c0 = 3,00 x 10⁸ m/s la célérité de la lumière dans le vide.
    Or lors d'une réaction nucléaire spontanée, la masse des produits est inférieure à celles des réactifs. Il existe donc un défaut de masse Δm = mréactifs - mproduits. Cela implique que la réaction libère de l'énergie. Celle ci est donnée par la relation :
Elibérée = Δm x c²

Exerce toi :


Complément : Une vidéo du CEA pour compléter cette activité

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2 commentaires

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