Cours Physique : Noyau, Masse et Energie

cours physique terminale noyau masse

I- Equivalence masse-énergie

Unité de masse atomique

Pour travailler à l’échelle de l’atome, Le kilogramme est une unité inadaptée En physique nucléaire On définit pour cela l’unité de masse atomique de symbole  u est égale au douzième 1/12 de la masse de l’atome de carbone 12. On a :

masse de l'atome

Unité d’énergie

Dans le domaine de la physique nucléaire l’unité  d’énergie  joule n’est pas adaptée 

On préfère utiliser l’électronVolt  (1eV): l’énergie acquise par un électron sous une différence de potentiel de 1V                1 eV = 1,602 10-19J

Remarque : les multiples de l’électron-volt :

1 keV = 103 eV=1.6.10-16 J

1 MeV = 106 eV =1.6.10-13 J

1 GeV = 109 eV=1.6.10-9 J  

Equivalence masse-énergie

Relation d’équivalence masse-énergie

En 1905, Einstein postula l’équivalence masse-énergie : un système au repos, de masse m possède une énergie E appelée énergie de masse  telle que :

E = m.c²

E : énergie de masse en (J)    

 m : masse en (kg)      

c : vitesse de la lumière dans le vide  c = 2,9979 108 m.s-1        c 3,0 108 m.s-1

L’énergie  de l’unité de masse atomique 1 u  égale à :

1 u = 931,5 MeV/c2

L’intérêt de cette unité est de faire directement la correspondance entre une énergie et une masse.

II – Energie de liaison

Défaut de masse du noyau

Défaut de masse du noyau

Les physiciens ont constatée que la masse d’un noyau est inférieure à la somme des masses de ses nucléons pris séparément

On appelle défaut de masse la différence entre la masse des nucléons séparés et la masse du noyau « nucléons liés » :

 Energie de liaison

On appelle énergie de liaison l’énergie qu’il faut fournir à un noyau au repos pour le séparer totalement en nucléons isolés et immobiles.

Elle s’exprime en fonction du défaut de masse comme :   E = Δm.c2

L’énergie de liaison est égale à la différence entre la somme des énergies de masse des nucléons séparés et l’énergie de masse du noyau.

E = [Z mp + (A-Z) mn – m ()] c²

Energie de liaison par nucléon -Courbe d’Aston

On définit l’énergie de liaison par nucléon comme :

Energie de liaison par nucléon -Courbe d’Aston:

Elle a pour unité MeV/nucléon

Avec  El l’énergie de liaison et A le nombre de nucléons du noyau.

Cette énergie correspond à l’énergie nécessaire pour arracher un nucléon au noyau

Stabilité des noyaux :

Un noyau est d’autant plus stable que son énergie de liaison moyenne par nucléon est grande.

Courbe d’Aston.

On représente la courbe d’Aston donnant

en fonction de A

Cette courbe permet de comparer la stabilité des différents types de noyaux

La courbe d’Aston est obtenue en portant en ordonnée pour chaque noyau l’opposé de son énergie de liaison par nucléon –El /A et en abscisse le nombre de nucléons (A) du  noyau.

 On obtient la courbe suivante :

Courbe d’Aston

Les noyaux dont leur nombre de masse compris : 20 < A < 190  ont une énergie de liaison par nucléon d’environ 8 MeV / nucléon Ce sont les plus stables.

Pour Les noyaux (A > 195) et  A<20, ont une énergie de liaison par nucléon faible donc

       instables et peuvent se transformer en d’autres noyaux plus stables selon deux processus différents :

Les noyaux lourds (A > 195), exemple 235 U , peuvent se dissocier en deux    noyaux légers appartenant au domaine de stabilité. Ils subissent alors une réaction nucléaire de fission.

Certains noyaux légers, A<20, exemple 1 H , 2 H , 3 H peuvent  fusionner  pour former un noyau plus lourd. Ce sont des réactions nucléaires de fusion.

Ces deux réactions nucléaires fission et  fusion  ne sont pas spontanées mais provoquées.

III- Fission et fusion nucléaire

La fission nucléaire

La fission est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle un noyau lourd, se divise en deux noyaux plus légers avec production de 2 ou 3 neutrons après avoir été  percuté par un neutron dont l’énergie cinétique est de l’ordre de 0,1 MeV,

De tels noyaux lourds sont dits fissiles

La réaction se fait avec perte de masse et dégagement d’énergie

Le seul noyau naturel fissile est l’uranium 235.

La fission nucléaire

La réaction de fission

Une des réactions les plus probables est :

uranium 235

Un noyau d’uranium 235 peut subir la fission.

Les neutrons produits sont rapides. Après ralentissement, ils sont susceptibles d’entraîner des réactions de fission en chaîne car le nombre de neutrons produits est plus grand que le nombre de neutrons consommés.

L’énergie des bombes atomiques provient de fissions en chaîne volontairement non contrôlées

 La fusion nucléaire (ou thermonucléaire)

 La fusion nucléaire (ou thermonucléaire)

La fusion est une réaction nucléaire provoquée où deux noyaux légers s’assemblent pour former un noyau plus lourd. Cette réaction ne sera possible que pour des valeurs extrêmement élevées de température et de pression    T = (˜ 107 °C). Ces réactions sont souvent appelées « réactions thermonucléaires.

Ces réactions se produisent naturellement dans le soleil et les étoiles

La réaction de fusion nucléaire

 Fusion entre un noyau de deutérium et un noyau de tritium

IV) Bilan de masse et d’énergie d’une réaction nucléaire

Cas général

Soit une transformation nucléaire quelconque d’équation:

On  a deux façons de calculer l’énergie libérée par la transformation nucléaire :

  • En utilisant la variation de masse :
variation de masse

  • En utilisant les énergies de liaison des noyaux  :
calcul energie de liaison

Exemple : réactions de fission nucléaire

réaction de fission

1ère méthode : avec la variation de masse

methode 1

2ème méthode : avec les énergies de liaison

La réaction de fission de l’uranium 235 libère 185 MeV

  Conclusion : Les deux méthodes aboutissent au même résultat

Exemple : réactions de fusion nucléaire

 Fusion entre un noyau de deutérium et un noyau de tritium

Réaction de fusion

Publié par aliwiss

Webmaster, après avoir fini mes études dans la faculté des sciences et techniques au Maroc , Branche : LST ingénierie de l'eau et de l'environnement, J'ai commencé mes business sur le web

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