Sciences physiques et chimiques - ENCPB - Lycée Pierre Gilles de Gennes - M. Chamelot

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1eS Chapitre 10 : Les réactions nucléaires

samedi 3 février 2018, par SC

Phénomène découvert par Henri Becquerel et Marie Curie, dont on célèbre en 2017 les 150 ans de la naissance.
C’est l’occasion d’aller visiter le musée Curie (1 Rue Pierre et Marie Curie, 75005), d’aller voir l’exposition au Panthéon ou le film qui sort en février 2018.

Extraits du programme :

Notions et contenus Compétences attendues
Cohésion du noyau, stabilité. Utiliser la représentation symbolique AZX ; définir l’isotopie et
reconnaître des isotopes.
Radioactivité naturelle et artificielle. Activité. Recueillir et exploiter des informations sur la découverte de la
radioactivité naturelle et de la radioactivité artificielle.
Connaître la définition et des ordres de grandeur de l’activité
exprimée en becquerel.
Réactions de fission et de fusion.
Lois de conservation dans les réactions nucléaires.
Utiliser les lois de conservation pour écrire l’équation d’une
réaction nucléaire.
Défaut de masse, énergie libérée.
Réactions nucléaires et aspects énergétiques associés.

Utiliser la relation Elibérée = │∆m│c².
Ordre de grandeur des énergies mises en jeu. Recueillir et exploiter des informations sur les réactions
nucléaires (domaine médical, domaine énergétique, domaine
astronomique, etc.).

La radioactivité désigne différents processus spontanés et aléatoires par lesquels un noyau "père" radioactif se désintègre pour donner un noyau "fils" en expulsant de l’énergie et /ou une particule.
ON distingue 3 types principaux de radioactivité :

- radioactivité alpha : particule émise, un noyau d’hélium,
- radioactivité béta : particule émise un électron si béta- ou un positon si béta+
- radioactivité gamma : émission d’un photon de haute énergie.


Activité d’un échantillon

L’activité A d’un échantillon correspond au nombre de désintégrations par seconde. L’unité est le Bq, becquerel, 1 Bq = 1 désintégration par seconde.

activité par kilogramme de matière

Décroissance radioactive

L’activité d’une population de noyaux identiques ne peut que décroitre avec le temps, c’est la décroissance radioactive (bien qu’individuellement la désintégration soit imprévisible, c’est un effet statistique du au grand nombre de noyaux).

Le nombre de noyaux radioactifs restant est régulièrement divisé par deux, on parle de demi-vie T1/2 d’un échantillon.

Cette durée caractéristique est très variable d’un radioélément à un autre : de quelques heures à des 100 de millions d’années.

décroissance radioactive

Les filiations radioactives

Le noyau fils obtenu par désintégration peut être lui aussi radioactif. On obtient alors des familles radioactives.
Par exemple, celle de l’uranium 238 se termine au plomb 206 après plusieurs désintégrations alpha et béta.

desintegration

L’ensemble des noyaux atomiques, stables ou instables, est rassemblé dans le diagramme de Ségré

Diagramme de Ségré

Les noyaux stables, donc non radioactifs, sont représentés en noir et forment la "vallée de la stabilité".
La radioactivité alpha concerne surtout les gros noyaux.
Les radioactivité béta + et béta - sont situées de part et d’autre de la vallée de la stabilité.

(des processus d’émission de neutron, d’émission de proton et de fission spontanée existent à la marge)


Comment se protéger des différents rayonnements ?

arret rayons

Fusion et fission

La réaction de fusion est processus par lequel deux noyaux légers fusionnent pour former un noyau plus lourd. Ce processus est responsable depuis le Big-bang de la formation des noyaux situés après l’hydrogène et l’hélium.

fusion

La réaction de fission est un processus par lequel un gros noyau bombardé par un projectile est cassé en deux noyaux plus petits. Ce type de réaction est mis en œuvre dans les centrales nucléaires à partir de l’uranium, le plus gros noyau naturel sur Terre.

fission

Les dangers de l’exposition aux rayonnements

Le sievert (symbole : Sv) est l’« unité utilisée pour donner une évaluation de l’impact des rayonnements sur l’homme » c’est-à-dire pour évaluer quantitativement l’impact biologique d’une exposition humaine à des rayonnements ionisants. Le Sievert ne peut donc pas être utilisé pour quantifier l’exposition reçue par des animaux de laboratoire, et est remplacé par le gray.
Cette unité a été nommée en hommage à Rolf Sievert, physicien suédois, ayant travaillé sur la mesure des doses radioactives et les effets biologiques des radiations.

radiations valeurs millisieverts_msv

Le défaut de masse et la relation d’Einstein

Lors d’une transformation nucléaire, la masse (connue avec un très haut niveau de précision) des noyaux fils et des particules produites est inférieure à la masse cumulée du (ou des) noyau(x) père(s) et de l’éventuel projectile.

Ainsi pour la réaction de fusion : deuterium +tritium —> hélium + neutron

defaut de masse

masse (hélium et neutron) < masse (tritium et deutérium)

La masse manquante est appelée défaut de masse. D’après la théorie de la relativité qui pose le principe d’une équivalence entre masse et énergie, cette masse a été transformée en énergie. C’est ce principe qui est mis en œuvre dans les centrales nucléaires : récupérer l’énergie libérée lors de fissions de noyaux.

L’énergie correspondant au défaut de masse est :

relation d’Einstein

Avec un exercice classique résolu et commenté :

2018 résolution fusion helium

Une petite sélection de courtes vidéos (moins de 5 minutes) sur la fusion principalement.