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T.P. PHYSIQUE n°13 : l’énergie nucléaire 1. Equivalence masse-énergie :

En 1905, Albert Einstein a montré que tout système matériel possède, du fait de sa masse, une énergie potentielle (appelée énergie de masse) dont la valeur est E=m.c2

c est la vitesse de la lumière dans le vide, soit c=3,0.108m.s−−−−1 m s’exprime en kg et E en Joule (J) Remarque : Le Joule n’étant pas une unité adaptée à l’échelle des noyaux, on utilisera plutôt l’électronvolt et ses multiples 1eV=1,6.10−−−−19J 1MeV=1,6.10−−−−13J Ainsi de l’énergie peut se transformer en matière, et la matière peut perdre une partie de sa masse qui va se transformer en énergie !

Lorsque la masse d'un système diminue, l'énergie qu'il libère est donnée par la relation: El = ∆∆∆∆m . c2 2. Energie de liaison du noyau :

• La masse M d’un noyau est inférieure à la somme des masses des protons et des neutrons qui le constituent !

Cette différence de masse correspond à l’énergie qui a été libérée lorsque le noyau s’est formé à partir de ses constituants.

On l’appelle énergie de liaison El du noyau El = ∆∆∆∆m . c2 avec ∆∆∆∆m = Z.mp + (A−−−−Z).mn −−−− M

• Calcule (en J puis en MeV) l’énergie de liaison d’un noyau d’Hélium 4

• Un noyau est d’autant plus stable que l’énergie de liaison par nucléon El/A est grande.

Calcule sa valeur pour un atome d’hydrogène 1 et pour un noyau d’Hélium 4.

3. La courbe d’Aston :

Elle représente les variations de l’énergie de liaison par nucléon El/A pour les différents noyaux en fonction de leur nombre de nucléons A.

• Quels sont les noyaux les plus stables ?

• Quel type de réaction nucléaire peut-on prévoir

pour les petits noyaux ? et pour les noyaux lourds ?

X A Z

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4. Les réactions nucléaires provoquées :

On a vu que la radioactivité ( rayonnements α , β−, β+ et γ ) correspond à des réactions nucléaires qui se produisent spontanément.

Par contre, on dit que la réaction nucléaire est provoquée lorsqu’un noyau projectile frappe un noyau cible et donne naissance à de nouveaux noyaux. • En 1919, Rutherford a réalisé la première réaction nucléaire provoquée en bombardant des noyaux d’azote

avec des particules α : il a obtenu des noyaux d’oxygène

Il s’agit d’une réaction de transmutation.

Ecris l’équation de cette réaction nucléaire

• La fission est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle un noyau lourd donne naissance à 2 noyaux plus légers (donc plus stables) sous l’effet d’un choc avec un neutron.

La valeur de l’énergie cinétique du neutron incident (0,02 MeV environ) est importante : s'il est trop lent, le neutron rebondit sur le noyau, s'il est trop rapide, il le traverse sans être capturé. L’ensemble des différentes fissions possibles de l’uranium 235 libère en moyenne 2,47 neutrons par fission.

Ces neutrons sont susceptibles à leur tour d’engendrer d’autres fissions... Il en résulte une réaction en chaîne, c’est à dire une EXPLOSION ! C’est ce qui se produit dans la bombe A qui libère en peu de temps énormément d’énergie. Si par contre un dispositif approprié absorbe en moyenne 1,47 neutrons sur 2,47... la réaction de fission s’auto entretient et peut être utilisée comme source d’énergie dans une centrale nucléaire.

Calcule l’énergie libérée par la réaction:

Sous quelle forme se retrouve cette énergie libérée ?

• La fusion est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle 2 noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd donc plus stable.

Cette réaction qui libère de l’énergie n’est cependant pas spontanée car les noyaux ont des charges électriques positives et ils se repoussent d’autant plus qu’ils sont proches.

L’amorçage d’une telle réaction nécessite donc des températures de l’ordre de cent millions de degrés ! De telles conditions existent dans le cœur des étoiles et la fusion nucléaire est responsable de l’énergie qu’elles rayonnent.

Sur terre, la fusion contrôlée pourrait être une source d’énergie inépuisable et non polluante pour l’humanité, du fait de l’abondance de l’élément hydrogène, mais elle n’est toujours pas maîtrisée à ce jour.

Les masses des noyaux sont données en « unité de masse atomique » 1u = 1,66054.10−−−−27 kg.

Par contre la fusion non contrôlée, et conduisant donc à une explosion, se produit dans la bombe H ...