◎Objectifs et prérequis
À la fin du chapitre, je sais…
- identifier des isotopes à partir de leur écriture symbolique ;
- écrire l'équation d'une réaction nucléaire en appliquant les lois de conservation ;
- distinguer fission et fusion, et les relier aux centrales et au Soleil ;
- comparer les ordres de grandeur des énergies chimiques et nucléaires ;
- dire si une transformation est physique, chimique ou nucléaire.
Ce que je dois déjà savoir
- (chapitre 4) noyau : protons et neutrons ; numéro atomique \(Z\), nombre de masse \(A\), notation \({}^{A}_{Z}\text{X}\) ;
- (chapitre 10) transformation physique ; (chapitre 12) transformation chimique et conservation des éléments ;
- (maths) puissances de dix.
?Point de départ : un gramme qui vaut des tonnes
Brûler 1 g de charbon libère environ \(3\times10^{4}\ \text{J}\) : de quoi chauffer une tasse d'eau de quelques dizaines de degrés.
La fission de 1 g d'uranium 235 libère environ \(8\times10^{10}\ \text{J}\) : autant que la combustion de près de 3 tonnes de charbon.
Pourquoi une telle différence ? Dans une transformation chimique, seuls les électrons des atomes se réorganisent. Dans une transformation nucléaire, ce sont les noyaux qui se transforment, et les énergies en jeu y sont environ un million de fois plus grandes.
1Noyaux et isotopes
\(Z\) : nombre de protons (numéro atomique) ; \(A\) : nombre de nucléons (protons + neutrons) ; nombre de neutrons \(N = A - Z\). Le symbole X est fixé par \(Z\) : tous les noyaux de \(Z = 6\) sont des noyaux de carbone.
Des isotopes sont des noyaux qui ont le même nombre de protons \(Z\) (même élément) mais des nombres de neutrons différents, donc des nombres de masse \(A\) différents.
| Élément | Isotopes | Remarque |
|---|---|---|
| Hydrogène (Z = 1) | \({}^{1}_{1}\text{H}\), \({}^{2}_{1}\text{H}\) (deutérium), \({}^{3}_{1}\text{H}\) (tritium) | deutérium et tritium : combustibles de la fusion |
| Carbone (Z = 6) | \({}^{12}_{6}\text{C}\), \({}^{13}_{6}\text{C}\), \({}^{14}_{6}\text{C}\) | le carbone 14, radioactif, sert à dater des restes anciens |
| Uranium (Z = 92) | \({}^{235}_{92}\text{U}\), \({}^{238}_{92}\text{U}\) | seul l'uranium 235 (0,7 % de l'uranium naturel) est fissile |
Des isotopes ont le même nombre d'électrons (atomes neutres) : ils ont donc les mêmes propriétés chimiques. Seuls leurs noyaux diffèrent.
2Transformation nucléaire et équation de réaction
Au cours d'une transformation nucléaire, des noyaux sont modifiés : des éléments chimiques disparaissent et d'autres apparaissent (contrairement à une transformation chimique, où les éléments se conservent).
Une réaction nucléaire s'écrit avec une équation qui respecte :
- la conservation du nombre de nucléons : la somme des \(A\) est la même de chaque côté ;
- la conservation de la charge électrique : la somme des \(Z\) est la même de chaque côté.
| Particule | Neutron | Proton | Électron | Positon | Particule alpha |
|---|---|---|---|---|---|
| Écriture | \({}^{1}_{0}\text{n}\) | \({}^{1}_{1}\text{p}\) ou \({}^{1}_{1}\text{H}\) | \({}^{\;\,0}_{-1}\text{e}\) | \({}^{0}_{1}\text{e}\) | \({}^{4}_{2}\text{He}\) |
Simulation — Compléter une équation nucléaire
Choisis une réaction, puis la particule ou le noyau manquant. Le bilan vérifie la conservation du nombre de nucléons et de la charge.
Équations simplifiées : les neutrinos émis lors de certaines réactions ne sont pas écrits.
3La fission, au cœur des centrales
La fission est la cassure d'un noyau lourd en deux noyaux plus légers, sous l'impact d'un neutron. Elle libère de l'énergie et 2 ou 3 neutrons.
Vérification : nucléons \(1 + 235 = 92 + 141 + 3 \times 1 = 236\) ; charges \(0 + 92 = 36 + 56 + 0 = 92\).
Les neutrons libérés peuvent provoquer d'autres fissions, qui en libèrent à leur tour : c'est une réaction en chaîne. Dans une centrale, des barres de contrôle absorbent une partie des neutrons pour qu'en moyenne un seul neutron par fission provoque une nouvelle fission : la puissance reste constante.
Simulation — Contrôler une réaction en chaîne
Chaque fission libère en moyenne 2,5 neutrons. Une partie s'échappe ; les barres de contrôle en absorbent une autre. Règle l'enfoncement des barres et observe le nombre de fissions, génération après génération.
Modèle simplifié : sur 2,5 neutrons émis, 60 % de ceux qui ne sont pas absorbés provoquent une nouvelle fission. 100 fissions à la génération 0.
4La fusion, au cœur des étoiles
La fusion est la réunion de deux noyaux légers en un noyau plus lourd. Elle libère de l'énergie. Elle n'a lieu qu'à des températures de plusieurs millions de degrés, pour que les noyaux, tous chargés positivement, se rapprochent malgré leur répulsion.
Vérification : nucléons \(2 + 3 = 4 + 1\) ; charges \(1 + 1 = 2 + 0\).
Au cœur du Soleil (15 millions de degrés), des noyaux d'hydrogène fusionnent en hélium, en plusieurs étapes. Bilan : \(4\,{}^{1}_{1}\text{H} \rightarrow {}^{4}_{2}\text{He} + 2\,{}^{0}_{1}\text{e}\). Chaque seconde, le Soleil transforme ainsi environ 600 millions de tonnes d'hydrogène. Le projet international ITER, en France, cherche à maîtriser sur Terre la fusion deutérium-tritium.
5Ordres de grandeur des énergies
| Transformation | Énergie par entité | Énergie pour 1 kg de combustible |
|---|---|---|
| Combustion du méthane (chimique) | ≈ 8 eV par molécule | \(\approx 5\times10^{7}\ \text{J}\) |
| Fission de l'uranium 235 | ≈ 200 MeV par noyau | \(\approx 8\times10^{13}\ \text{J}\) |
| Fusion deutérium-tritium | ≈ 17,6 MeV par réaction | \(\approx 3\times10^{14}\ \text{J}\) |
\(1\ \text{MeV} = 10^{6}\ \text{eV} = 1{,}60\times10^{-13}\ \text{J}\). Valeurs arrondies.
À masse égale, une transformation nucléaire libère environ un million de fois plus d'énergie qu'une transformation chimique. En contrepartie, la fission produit des déchets radioactifs qu'il faut gérer sur de très longues durées.
6Physique, chimique ou nucléaire ?
| Transformation | Ce qui change | Ce qui se conserve | Exemple |
|---|---|---|---|
| Physique | l'état ou la disposition des entités | les espèces chimiques | \(\text{H}_2\text{O}(\text{s}) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(\ell)\) |
| Chimique | les espèces (les atomes se réarrangent) | les éléments et les charges | \(\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2\) |
| Nucléaire | les noyaux, donc les éléments | le nombre de nucléons et la charge | \({}^{2}_{1}\text{H} + {}^{3}_{1}\text{H} \rightarrow {}^{4}_{2}\text{He} + {}^{1}_{0}\text{n}\) |
Repère pratique : une écriture avec des \(A\) et \(Z\) et des symboles d'éléments différents de chaque côté désigne une transformation nucléaire ; une écriture où les mêmes éléments se retrouvent de chaque côté dans des espèces différentes désigne une transformation chimique.
✎Méthode : compléter une équation nucléaire
Énoncé. Compléter : \({}^{1}_{0}\text{n} + {}^{235}_{92}\text{U} \rightarrow {}^{94}_{38}\text{Sr} + {}^{A}_{Z}\text{X} + 2\,{}^{1}_{0}\text{n}\). Données : \(Z\) = 52 (tellure, Te), 54 (xénon, Xe), 56 (baryum, Ba).
!Erreurs fréquentes
\(Z\) (en bas) compte les protons et fixe l'élément ; \(A\) (en haut) compte tous les nucléons.
Le carbone 12 et le carbone 14 sont tous deux du carbone : même \(Z\), mêmes propriétés chimiques.
\(3\,{}^{1}_{0}\text{n}\) compte pour 3 nucléons dans le bilan.
Fission : un noyau lourd se casse. Fusion : des noyaux légers s'assemblent. Les deux libèrent de l'énergie.
Il n'y a pas de dioxygène pour une combustion dans le Soleil : son énergie vient de la fusion nucléaire.
★L'essentiel
Isotopes
Même \(Z\), \(A\) différents (nombres de neutrons différents). Mêmes propriétés chimiques.
Équation nucléaire
Conservation du nombre de nucléons (\(\sum A\)) et de la charge (\(\sum Z\)). Les éléments changent.
Fission et fusion
Fission : noyau lourd cassé par un neutron (centrales). Fusion : noyaux légers réunis (étoiles).
Énergie
Nucléaire : environ \(10^{6}\) fois plus d'énergie par kilogramme que chimique.
✓Quiz : vérifie que tu as compris
1. \({}^{35}_{17}\text{Cl}\) et \({}^{37}_{17}\text{Cl}\) sont :
2. Le noyau \({}^{14}_{6}\text{C}\) contient :
3. Dans \({}^{2}_{1}\text{H} + {}^{2}_{1}\text{H} \rightarrow {}^{3}_{2}\text{He} + {}^{A}_{Z}\text{X}\), X est :
4. L'énergie du Soleil provient :
5. Dans une transformation nucléaire, on conserve :
6. \(2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}\) est une transformation :
→S'entraîner et expérimenter
Parties 1 et 2 du cours → exercices 1 à 4 → parties 3 à 6 → exercices 5 à 8 → TP → exercices 9 et 10 → quiz.