THEME 1. UNE LONGUE HISTOIRE DE LA MATIERE
CHAP 1. LES ELEMENTS CHIMIQUES
Existe-t-il des particules plus élémentaires que d’autres ?
Au total, le modèle standard qui formalise le comportement de la matière recense 24 particules élémentaires, dont aucune ne l’est plus que l’autre. Mais il est possible que la matière n’ait pas fini de dévoiler ses secrets. Les théoriciens soupçonnent qu’il existe d’autres objets, plus infimes encore, mais dont la réalité échappe encore à
l’expérience. Un homme de 70 kg compte:
de 40 à 60 000 milliards de cellules
=
10 000 fois plus que tous les humains qui crapahutent sur Terre aujourd’hui.
ces cellules sont composées de 6 millions de milliards de molécules
=
60 fois plus qu’il n’y a d’étoiles dans l’Univers.
ces molécules sont elles-mêmes formées d’ 1 milliard de milliards de milliards d’atomes (essentiellement de l’oxygène, du carbone, de l’hydrogène, de l’azote
avec un peu de soufre, de phosphore, de chlore, d’arsenic, d’or, etc..)
=
un nombre astronomique qui serait équivalent au nombre d’étoiles contenues dans 10 000 Univers comparables au nôtre.
Si un atome mesurait
1 mm
, une cellule friserait les10 cm
et un homme de 1,75 m plafonnerait à1 750 km
de haut !Le noyau est lui-même environ 100 000 fois plus petit que le rayon de l’atome. Un atome est donc formé d’un noyau très petit autour duquel des électrons se déplacent à très grande distance.
Pour mieux se rendre compte des ordres de grandeur relatifs du rayon du noyau et du rayon atomique, on peut imaginer: - un noyau qui aurait la taille d’une balle de tennis, dont le rayon est à peu près égal à 3 cm. Le
rayon atomique serait alors égal à 3 km.
- un atome qui aurait la taille du Stade de France, son noyau aurait environ la taille d’une tête d’épingle placée au centre du terrain.
De plus, toute la masse de l’atome est pratiquement concentrée dans le noyau. L’atome est donc constitué essentiellement de vide. On dit qu’il possède une structure lacunaire (lacune signifie absence de matière ou espace vide). Il n’y a pas d’air, c’est le vide.
Le rayon des atomes est de l’ordre de 100 picomètres (1 pm = 10-12 m), soit 10-10 m. Pour se faire une idée de la taille moyenne d’un atome, il y a autant de différence entre la taille d’une orange et la Terre, qu’entre celle d’un atome et cette même orange.
1. L’ATOME, CONSTITUANT DE LA MATIERE.
6 x 1013 cellules.
6 x 1024 molécules.
1027 atomes.
U n homme de 70 kg.
Terre Orange Atome
Autant de différence
Orange
- Frédéric Joliot-Curie utilisait l’image suivante: “si l’on pressait les uns contre les autres les noyaux des atomes de toute l’humanité, ils occuperaient un volume inférieur à celui d’un dé à coudre”.
- si on supprimait le vide intérieur de tous les atomes constituant la Terre, on pourrait les rassembler dans une boule de 150 m de rayon.
Pour mieux se rendre compte de la notion de vide, quelques exemples:
3. REPRESENTATION SYMBOLIQUE D’UN ATOME.
Chaque élément chimique est représenté par un symbole.
Pour décrire sa composition, on précise deux caractéristiques:
le nombre de masse A
d’un noyau est égal au nombre de nucléons qu’il contient. Il est placé en position supérieure gauche.
le numéro atomique Z
d’un noyau est égal au nombre de protons qu’il contient. Il est placé en position inférieure droite.
9
4 Be
Symbole de l’élément 2. LES CONSTITUANTS DU NOYAU.
Le noyau est constitué de particules nommées nucléons. On distingue deux types de particules dans la famille des nucléons: les protons et les neutrons.
LE PROTON.
Diamètre: 10-15 m Masse: 1,673 . 10-27 kg
(2 000 x sup à celle de l’électron) Charge: positive
+1,6.10-19 C
LE NEUTRON.
Diamètre: 10-15 m Masse: 1,675 . 10-27 kg
(2 000 x sup à celle de l’électron) Charge: neutre
(d’où son nom)
A Z X
Protons
Neutrons
Y a-t-il une infinité d’atomes différents ?
En principe, le numéro atomique devrait pouvoir varier de 1 à l’infini; il existerait donc une infinité d’atomes. Dans la réalité, ce n’est pas le cas. Les atomes les plus répandus sont les plus légers et aussi les plus stables, l’hydrogène étant le plus abondant. Les atomes plus lourds, eux, sont plus rares, et sont issus de la fusion nucléaire. En 1869, le tableau périodique des éléments du russe Dimitri Mendeleïev (voir plus loin) comptait une soixantaine d’atomes. Les recherches en ont apporté deux fois plus. Néammoins, les «transura- niens» (les atomes dont le nombre atomi- que est supérieur à 92 celui de l’Uranium) sont très instables, à quelques exceptions près.
4. NOTION D’ISOTOPIE.
Deux isotopes ont le même numéro atomique Z, mais des nombres de masse A différents:
leurs noyaux possèdent donc le même nombre de protons, mais des nombres différents de neutrons.
Exemple.
Dans un échantillon de cuivre, tous les atomes de cuivre ne sont pas identiques. Il existe deux sortes d’atomes de cuivre (contenant tous 29 protons):
- ceux dont les noyaux comportent 63 nucléons - ceux dont les noyaux sont formés de 65 nucléons 65
29Cu
63 29Cu
Sur 1 000 milliards d’atomes de carbone dans la nature, un seul est du carbone 14. On l’appelle ainsi parce que son noyau est composé de 14 particules. Le carbone 14 est radioactif: instable, il se brise spontanèment en éjectant un électron. Le carbone 14 disparaît continuellement mais il est naturellement reformé.
Les atomes de 14C naissent, dans la haute atmosphère, de la rencontre entre une particule cosmique et un atome d’azote. Le carbone 14, comme les atomes de carbone 12, se lie avec l’oxygène de l’air pour constituer une molécule de CO2. Il participe alors au cycle du carbone. Le 14C disparaît par sa décomposition radiooactive et se régénère en haute atmopshère. Il garde la même concentration dans l’atmosphère, les végétaux et les animaux qui échangent en permanence du carbone avec l’air ou l’eau, tant qu’ils sont vivants.
Mais dès qu’un végétal ou un animal meurt, tout échange avec l’atmosphère est stoppé et son carbone reste fixé dans l’organisme.
Alors, les atomes de 14C disparaissent peu à peu.
On dit qu’il existe deux isotopes de l’élément cuivre et le phénomène correspondant porte le nom d’isotopie. Les deux isotopes du cuivre sont caractérisés par:
- le même nombre de protons Z = 29 dans leur noyau.
- mais des nombres de neutrons différents (N= 34 ou N=36) dans leur noyau.
Remarque.
- La plupart des éléments dans la nature existent sous la forme de mélanges de plusieurs isotopes.
- Pour un élément, il peut exister des isotopes naturels mais aussi des isotopes artificiels (dont les noyaux sont “fabriqués” par réaction nucléaire dans un accélérateur de particules).
5. LES ELEMENTS CHIMIQUES DANS L’UNIVERS.
L’Univers est composé de 118 éléments chimiques différents. L’Hydrogène 11H est l’élément chimique le plus abondant: il représente à lui seul près de 75% des atomes présents dans l’Univers.
Sur Terre, on a observé 94 éléments chimiques à l’état naturel, 24 autres ont été créés artificiellement.
Les éléments chimiques sont répartis de manière inégale dasn l’Univers: on trouve majoritairement de l’hydrogène et de l’Hélium dans les étoiles, tandis que la Terre est formée principalement s’oxygène et de silicium.
0 10 20 30 40 50 60 70
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Hydrogène Hélium Autres
Abondance des éléments chimiques
dans l’Univers Abondance des éléments chimiques
dans la croûte terrestre
Abondance des éléments chimiques dans le corps humain
- Des atomes isotopes possèdent le même nombre d’électrons, donc les mêmes propriétés chimiques; ils diffèrent par leurs noyaux et présentent donc des propriétés nucléaires différentes: ainsi seul est fissile et peut être utilisé dans les réactions nucléaires.
6. INTRODUCTION A LA RADIOACTIVITE.
«Les conséquences de ces faits se font sentir dans toutes les parties de la science (...) C’est donc là une véritable théorie de la transmutation des corps simples, mais non pas comme le comprenaient les alchimistes. La matière inorganique évoluerait nécessairement à travers les âges suivant des lois immuables (...)
(...) ici on peut se demander si l’humanité a avantage à connaître les secrets de la nature, si elle est mûre pour en profiter ou si cette connaissance ne lui sera pas nuisible (...) Je suis de ceux qui pensent avec Nobel que l’huma- nité tirera plus de bien que de mal des découvertes nouvelles.»
Ces phrase étonnament prémonitoires sont prononcées par Pierre Curie dans sa conférence Nobel à Stockholm le 6 juin 1905. La découverte de la radioactivité se situe à la charnière entre deux mondes, au coeur de profondes révolutions scientifiques sans équiva- lent depuis lors. La première mesure quantitative du rayonnement de l’uranium, l’identification du polonium et du radium, ainsi que l’introduction du terme radioactivité ont lieu à l’EMPCI (Ecole Municipale de Physique et Chimie Industrielle) en quelques mois grâce à l’expérience montée par Pierre et Marie Curie.
La date de «naissance» de la radioactivité ? 1896, Henri Becquerel s’aperçoit que des produits de son laboratoire émettent, sans exposition préalable au Soleil, un rayonnement invisble qui impressionne les plaques photographiques et ionise l’air. Il vient de découvrir la radioactivité naturelle. Où en sont les sciences et techniques en cette fin de siècle ?
Le XIXe siècle, c’est avant:
- l’avion que Clément Adler invente en 1895;
- la commercialisation de la première matière plastique synthétique, la bakélite, inventé en 1907 par Baekeland;
- l’électronique, inaugurée en 1904 et 1906 par Fleming et l’invention du tube à vide;
- la commercialisation de l’aspirine, en 1900 par Bayer.
Les conditions expérimentales dans lesquelles est étudiée la matière sont également fort limitées en comparaison de celles qui s’ouvri- ront au XXe siècle. A titre d’exemple, on peut noter que l’accès aux basses températures n’atteint en pratique 77 kelvins, température d’ébullition de l’azote, tant que l’hélium n’a pas été liquéfié par Kammerling Onnes en 1908.
L’année 1900 est particulièrement fertile en événements scientifiques et techniques. On peut savourer quelques exemple:
L’oscilloscope cathodique
Le physicien allemand Karl Ferdinand Braun conçoit en 1897 un montage qui permet de visualiser un signal électrique dans un tube à vide. Braun dispose une électrode émettant un faisceau d’électrons en direction d’un écran recouvert d’une substabce phospho- rescente. Celle-ci s’illumine à l’endroit de l’impact. Sur leur trajet, les électrons peuvent être déviés par un champ magnétique, crée par une grosse bobine. Selon le courant électrique qui la aprcourt, le point d’impact lumineux se déplace sur l’écran le long d’un segment de droite. Un miroir tournant perpendiculairement à ces déplacements permet de visualiser la forme du courant électrique en fonction du temps. Plus tard, on ajoutera une seconde bobine de déviation, la base de temps qui permet la visualisation directe- ment sur l’écran du tube. En ce début du XXIe siècle, l’oscilloscope de Braun équipe encore la majorité des teléviseurs !
La TSF.
En 1896, l’italien Guglielmo Marconi dépose, en Grande-Bretagne, son premier brevet pour protéger ses réalisations originales de transmission à distance de signaux Morse par ondes électromagnétiques. La portée des transmissions est de deux kilomètres en 1896, puis elles traversent la Manche en 1899 et l’Atlantique en 1901.
Le cinéma.
Le 28 décembre 1895, Antoine Lumière présente le cinématographe au salon indien du Grand Café à Paris. Cette invention de ses fils Auguste et Louis entre alors dans l’ère industrielle.
L’acier.
Dès 1880, l’acier est étudié dans une collaboration étroite entre industriels et scientifiques. En 1900, Hendrik-Willem Bakhuis Roozeboom établit le diagramme d’équilibre fer-carbone qui représente les domaines d’existence des différents constituants ferreux.
Munis de cette carte détaillée, les métallurgistes entreprennent alors l’exploration des aciers alliés à d’autres métaux (aciers spé- ciaux) grâce auxquels l’industrie autombile, l’industrie aéronautique ainsi que les techniques de production de l’énergie électrique se développent dès le début du XXe siècle.
Le moteur Diesel.
Rudolf Diesel dépose en 1892 le brevet d’un moteur à pétrole dont le rendement thermique est supérieur à celui du moteur à explo- sion standard. Le moteur Diesel est aussitôt utilisé dans l’industrie, la marine et les chemins de fer.Développées dès avant la Secodne Guerre Mondiale, les premières voitures particulières Diesel sont principalement fabriquées apr Mercedes et Peugeot.
7. LA RADIOACTIVITE.
Certains noyaux sont instables: on dit qu’ils sont radioactifs. La radioactivité est un phénomène naturel, qui résulte de la transmutation d’un noyau en un autre. Ainsi, les désintégrations successives ont contribué à la formation des 94 éléments chimiques que l’on trouve sur Terre.
La radioactivité est aléatoire, inéluctable, spontanée et indépendante de la substance dans laquelle le noyau radioactif se trouve.
La population de noyaux d’un échantillon décroît au cours du temps, elle est divisée par deux au bout d’une durée appelée “demi-vie”
.
Pour la datation de vieilles roches, plusieurs méthodes reposent sur des isotopes radioactifs (ou radioéléments) dont la demi-vie s’exprime en milliards d’années. On détermine la proportion du couple noyau
père / noyau fils.
Par exemple le produit de désintégration ultime de l’uranium 238 est le plomb 206.
Il est donc possible de déterminer l’age des roches anciennes par la mesure du rapport de la teneur de ces roches en plomb 206 à celle en uranium 238.
Une roche contient d’autant plus de plomb qu’elle est âgée.
D’autres couples tels le couple rubidium 87 et le strontium 87 sont utilisés. L’âge de la Terre a été estimé à 4,55 milliards d’années.
Pour la datation de matériaux anciennement en équilibre avec l’atmosphère et jusqu’à environ 50 000 ans, on utilise le carbone 14, istope de courte demi-vie:
environ 5 600 ans.
La méthode repose sur deux hypothèses:
la teneur en carbone 14 des matières organiques carbonées actuelles est très proche de celle des matières carbonées qui constituaient les organismes vivants autrefois.
la répartition du carbone 14 est homogène dans l’atmosphère.
Dans ces conditions tout organisme vivant a la même composition isotopique en carbone 14 que l’atmosphère. La composition initiale est donc connue.
A la mort de l’échantillon, le carbone 14 n’est plus renouvelé car les échanges avec l’atmosphère cessent. La teneur en carbone 14 décroît de manière exponentielle, elle est divisée par 2 tous les 5 570 ans. La mesure de l’activité du carbone 14 dans l’échantillon mort permet alors de le dater.
La fission est une technique bien maîtrisée dans les réacteurs nucléaires, où la substance fissile, communément appelée « combustible » nucléaire, est l’uranium 235. En réalité c’est de l’Uranium 238 naturel dit uranium enrichi après traitement 3% en istope 235 fissile. En effet, les noyaux d’uranium 238, fertiles contribuent faiblement à la réaction: après capture de neutrons, ils se transforment par émission - en neptunium 239, puis en plutonium 239 fissile.
L’énergie thermique résultant de la fission est ensuite convertie en énergie électrique.
La fission incontrôlée
La bombe atomique est basée sur la fission incontrôlée.
Esinstein n’est pas le père de la bombe atomique. Certes, il découvre l’équation E = mc2 qui pose les bases théoriques de la fission nucléaire. Mais de nombreuses étapes seront encore nécessaires. Dans les années 30, Otto Hahn et Lise Meitner mettront en évidence la fission en bombardant un noyau d’uranium avec des neutrons. Leo Szilard découvrira le principe de réaction en chaîne. Enfin, sous la direction de Robert Oppenheimer, les Etats-Unis fabriqueront dès 1939 la première bombe A, en feront
OMBE
le premier test le 6 juillet 1945 et la largueront sur Hiroshima et Nagasaki en août 1945.Einsitein n’a jamais mis les mains dans l’uranium. Sa seule contribution (qu’il
se reprochera après-guerre): avoir écrit au président américain Roosevelt pour l’encourager à développer la bombe contre les nazis, soupçonnés d’y travailler aussi.
9. LA FISSION NUCLEAIRE.
La fission est la division d’un noyau en 2 noyaux plus légers. Les noyaux capables de subir une fission sont dits fissiles : ce sont des noyaux lourds, constitués d’un grand nombre de nucléons (thorium, uranium, plutonium, etc.)
En pratique, la fission est amorcée par des neutrons lents : un noyau d’uranium 235 absorbe un neutron, puis subit la fission, tout en émettant 2 ou 3 nouveaux neutrons. Ces derniers amorcent à leur tour de nouvelles fissions : c’est une réaction en chaîne.
Quelques années plus tard.
De 1960 à 1996, la France a procédé à 210 essais nucléaires, d’abord dans la Sahara algérien, puis en Polynésie Française. Des essais sans conséquen- ces sur l’environnement, disaient les autorités. On peut en douter
aujourd’hui. Selon une étude médicale menée sur 2 500 personnes ayant participé aux essais, le taux de cancers observé serait deux fois plus élevé que dans l’ensemble de la population française. Quinze personnes viennent de porter plainte...
Science & Vie Junio Décembre 2004.
La fission contrôlée.
La valeur de l’énergie cinétique du neutron incident est déterminante. En effet, s’il est trop lent, le neutron rebondit sur le noyau, s’il est trop rapide, il le traverse sans être capturé. C’est le rôle du modérateur, en général de l’eau, qui ralentit les neutrons et permet de rendre les chocs plus efficaces.
Exemple: 23592U + 10n 9438Sr + 14054Xe + 2 10n
Il est important de ne pas simplifier les neutrons de part et d’autre de la flêche, car ils jouent des rôles très différents:
- à gauche, c’est le neutron lent qui est «manger» par le noyau lourd et provoquer la fission;
- à droite les neutrons éjectés peuvent provoquer la fission d’autres noyaux d’Uranium 235, et ainsi de suite ... en chaîne.
8. LES REACTIONS NUCLEAIRES.
Selon les théories les plus récentes, les premiers atomes ont été formés quelques minutes après le “Big Bang”. L’Univers était alors extrêmement chaud et dense, les particules élémentaires se sont agglomérées pour former des noyaux d’hydrogène, de deutérium et d’hélium et de lithium. Cette réaction nucléaire est appelée fusion nucléaire.
Les autres éléments sont formés au sein des étoiles, formées par accrétion des atomes créés lors du Big Bang. Les noyaux légers fusionnent et produisent des moyaux plus lourds. On y trouve ainsi plusieurs éléments comme l’oxygène, le carbone, mais aussi des noyaux plus lourds comme le fer.
Sous l’impact de neutrons ou d’autres particules légères, certains noyaux se cassent: c’est la fission.
Ces éléments chimiques sont dispersés à la fin de la vie de l’étoile.
FUSION EN PROVENCE.
Cadarache (Bouches-duRhône) accueillera le réacteur de recherche à fusion nucléaire Iter (International thermonuclear experimental reactor). après plus d’un an de discussions épiques, les six contributeurs (Chie, Corée, Europe, Etats-Unis, Japon et Russie) sont finalement tombés d’accord.
Machine unique au monde, Iter marque une étape dans la domestication d’une énergie nouvelle, la fusion. La fusion consiste à réunir des noyaux légers pour dégager de l’énergie, comme dans la bombe à hydrogène ou au coeur des étoiles.
Mais forcer les noyaux à se rapprocher nécessite de hautes températures de cent millions de degrés et des hautes densités de plasma. Iter devra maintenir ces noyaux à cent millions de degrés pendant plusieurs minutes pour prouver que l’opération peut produire de l’électricité, ce qui n’a jamais été fait. En Angleterre, le projet international JET a déjà réussi de la fusion, mais pour des temps très courts. En France, le projet Tore Supra n’a pas fait de fusion, mais détient les records de durée de plasmas chauds. Pour réunir ces deux processus, il faut une machine dix fois plus grosse environ: ce sera Iter.
Sa construction coûtera sur dix ans un peu moins de 5 milliards d’euros. L’Europe en payera la moitié et le Japon 10%. La France déboursera près de 900 millions d’euros.
Petites mises au point.
Iter n’est pas une centrale.
Il faudra voir encore dix fois plus gros pour que des réactions s’auto-entretiennentjusqu’à produire plus d’énergie qu’on ne leur en aura fourni.
Iter ne réglera pas la question de l’énergie.
La promesse est celle d’une énergie abondante car obtenue à partir de noyaux faciles à extraire de l’eau ou à fabriquer (deutérium et tritium). Mais cela ne devrait pas être possible avant 2050, soit a priori après que la production de pétrole aura commencé à décroître.
Iter n’est pas si propre.
La production du tritium radioactif par le réacteur nécessitera de grandes précautions. De plus, le bombardement de neutrons lors des réactions de fusion rendra radioactifs les éléments de la machine.
10. LA FUSION NUCLEAIRE.
Il y a fusion nucléaire si 2 noyaux très légers s’unissent au cours d’un choc, le noyau résultant est plus stable. La fusion de 2 noyaux très légers libère de l’énergie.
Exemple: 11H + 11H 21H + 01e (x2) puis 11H + 21H 32He + (x2) puis 32He + 32He 42He + 2 11H
bilan 4 11H 42He + 2 01e +
Il est important de ne pas simplifier les neutrons de part et d’autre de la flêche, car ils jouent des rôles très différents:
- à gauche, c’est le neutron lent qui est «manger» par le noyau lourd et provoquer la fission;
- à droite les neutrons éjectés peuvent provoquer la fission d’autres noyaux d’Uranium 235, et ainsi de suite ... en chaîne.
La fusion libère une énergie considérable : elle est à l’origine du rayonnement des étoiles, au cœur desquelles des masses énormes d’hydrogène fusionnent en hélium.
La production contrôlée d’énergie par fusion ne sera pas réalisée avant plusieurs décennies. Le principal obstacle réside dans la difficulté d’amorcer la réaction : en effet, des températures de l’ordre de 100 millions de degrés sont nécessaires, d’où le nom d’énergie thermonucléaire. Il est difficile de confiner la matière à ces températures:
- dans les étoiles, le confinement est gravitationnel;
- dans les labos, le confinement est soit magnétique (projet TOKAMAK) ou inertiel (par faisceaux laser).
La fusion des noyaux de Deutérium et de tritium semble être la réaction qui pourrait être utilisable dans un réacteur thermonucléaire:
2
1H + 31H 42He + 10n
Dans les bombes à hydrogène (bombes H), la très haute température nécessaire à la fusion est obtenue à l’aide d’une petite bombe A basée sur la fission de noyaux lourds et qui sert d’« allumette » !
11. POUR CONCLURE: UNE ANALYSE DE DONNEES.
Un habitant consomme 1 000 kWh par mois
Pour subvenir au besoin de l’habitant, dans une centrale hydraulique, il faut en moyenne
3,67 x 103 tonnes d’eau.
Pour subvenir au besoin de l’habitant, dans une centrale
thermique au fuel, il faut en moyenne 180 tonnes de pétrole.
Pour subvenir au besoin de l’habitant, dans une centrale nucléaire, il faut en moyenne 3
grammes d’Uranium enrichi.
Pour subvenir au besoin de l’habitant, dans une hypothéti- que centrale fusion, il faudrait en
moyenne 5,5 mg d’hydrogène
QUEL AGE A LA TERRE ? UN CHRONOMETRE DE L’ESPACE.
La meilleure méthode pour dater la Terre c’est encore de mettre la main sur un chronomè- tre qui se serait enclenché juste au moment de sa formation. Ca n’existe
pas ? Eh bien si ! Ce chrono magique, c’est la radioactivité naturelle, découverte par Henri Becquerel en 1896. Elle va permettre au géochimiste américain Clair Patterson de déterminer la permière estimation exacte de l’âge de notre planête.
En effet, la radioactivité, c’est la transformation spontanée d’un atome en un autre, avec émission au passage de particules et d’énergie. Par exemple, l’uranium se trans- forme spontanèment en plomb. Si vous connaissez la vitesse de désintégration de l’uranium, il est ainsi possible de dater une roche en comparant les quantités d’uranium et de plomb qu’elle contient. Plus vous avez de plomb, plus la roche est ancienne.
Seulement, pour que ça marche, il faut être sûr de tomber sur un cailloi aussi ancien que la Terre. Or, les premières roches terrestres ont disparu depuis belle lurette, refondues maintes et maintes fois dans les entrailles de la Terre.
Mais Patterson a l’idée d’aller chercher ces sabliers radioactifs là où ils ont été bien protégés: dans les
météorites. Les fameuses étoiles filantes, qui nous tombent de temps à autre sur le coin de la figure, sont en effet considérées comme le matériau brut à partir duquel les planètes se sont formées. En relevant leur sablier radioactif, Patterson estime en 1956 l’âge de la Terre à 4,55 milliards d’années.
COMMENT SAIT-ON QUE MICRORAPTOR VIVAIT IL Y A 120 MILLIONS D’ANNEES ?
Les paléontologues ont découvert cet étrange dinosaure - il a des plumes et quatre ailes - il y a à peine cinq ans. Commen ont-ils été capables de donner son âge ? Les roches de la province chioise de Liaoning, son des cendres volcaniques expulsées lors d’éruptions survenues un peu plus au nord, en Mongolie, il y a 125 millions d’années.
Notre Microraptor a donc dû être enterré à ce moment-là, sous des tonnes de cendres.
Comment connaît-on la date des éruptions ? Il suffit de dénicher dans les rches volcaniques, un échantillon contenant des atomes radioactifs - par exemple, de l’uranium. Ces atomes sont instables, et au bout d’un certain temps, ils se désintègrent pour donner des atomes plus petits (du plomb dans le cas de l’uranium). il sufit de compter le nombre de petits atome stables qui ont eu le temps d’apparaître dans l’échantillon depuis sa formaion pour en déduire son âge.
Quand il s’agit de faire avouer leur âge aux vestiges, les archéologues n’hésitent pas à emprunter leurs techniques à la physique. Les méthodes varient suivant la nature de l’objet. Une poterie antique, un silex préhistorique ou encore des restes de repas ne subiront pas le même traitement. Parce qu’ils ont de petites imperfections dans leur structure atomique, certains minéraux tels que le silex ou les quartz contenus dans les poteries ont un comportement spécial face à la radioactivité naturelle: certains de leurs électrons se détachent de l’atome auquel ils étaient accrochés et se trouvent piégés dans ces défauts de structure. Plus le minéral est exposé longtemps, plus le nombre de ces pièges occupés est grand. Propriété interessante: si le minéral est chauffé, les électrons se libèrent de leur prison en émettant une quantité de lumière proportionnelle à leur nombre. C’est cette propriété, la thermoluminescence, qu’utilise le physicien pour dater l’objet. 1) Le silex est esposé depuis des lustres à la radioactivité naturelle. Résultat: bon nombre de ses pièges sont occupés. 2) Notre ancêtre le met dans le feu pour le tailler plus facilement. Tous les électrons quittent leur piège. Sans le savoir, l(homme préhistorique vient de mettre le chrono de datation à zéro. 3) Après de bons et loyaux services, le silex est abandonné. En attendant que l’archéolo- gue le retrouve, des dizaines de milliers d’années plus tard, ses pièges se remplissent lentement. 4) Pour lui faire avouer son âge, le spécialiste chauffe l’objet au-delà de 400°C et mesure la quantité de lumière qu’il émet. Il en déduit le nombre d’électrons libérés, et donc la dose de radioactivité à laquelle le silex a été soumis. Il ne lui reste qu’à la diviser par la dose de radioactivité naturelle annuelle qui existait quand la pierre a été tailléé. Ce procédé permet de dater des objets vieux de 400 000 ans.
Certains matériaux, lorsqu’ils sont chauffés puis refroidis, enregis- trent les caractéristiques du champ magnétique terrestre. C’est le cas des argiles cuites. Elles contiennent des oxydes de fer qui se comportent comme de petites boussoles. 1) Tant que l’argile est crue, ces petites boussoles sont orientées dans tous les sens. 2) Lorsque l’argile est chauffée, elles prennent toutes la même direction, celle du pôle nord magnétique à laquelle essles ont été cuites. 3) Pour dater un site par cette méthode nommée archéomagnétisme, il faut dégoter sur ce site de l’argile qui n’a pas été déplacée depuis sa dernière chauffe, typiquement un brique de four. Avant de la buger, on note sa
position. Puis, on détermine, grâce à un magnéyomètre, comment sont orientées ses petites boussoles intérieures. Et on en déduit la direction qu’elles indiquaient avant qu’on ne prélève la brique. Il ne reste plus qu’à regarder sur une frise chronologique à quelles époques le nord magnétique a occupé cette position. Enfin, si cette frise existe pour la région et la période données. En France, on peut dater ainsi des argiles jusqu’à un peu plus de 2 000 ans. Cette méthode s’applique à ce qui a été vivant: un squelette, une peinture rupestre faite au charbon de bois. Son principe: regarder dans quelle proportion le carbone que contient l’objet n’est pas du carbone commun12C mais du carbone radioactif 14C. 1) Ce 14C est naturellement présent, en faible proportion, dans le dioxyde de carbone de l’atmosphère, que les végétaux absorbent pour en fixer les atomes de carbone et se fabriquer des feuilles, des racines, des tiges ... Les plantes contiennent donc le même faible pourcentage de 14C que le dioxyde de carbone. Les animaux qui mangent ces plantes aussi. 2) Quand l’animal meurt, les apports en carbone cessent. Le 14C, qui est instable, se désintègre peu à peu.
3) Pour dater un vieil os, le physicien mesure la quantité de 14C qu’il contient encore. Il détermine celle qu’il contenait avant de subir les affres du temps et de la ésintégration radioactive, à partir d’un échantillon d’os récent. La différence des deux lui donne la quantité de14C qui s’est désintégrée. Comme la vitesse de désintégration du14C est connue, il en déduit le temps qui s’est écoulé depuis la mort de l’animal.
HUMOUR...
Bientôt sur tout notre territoire..
.. les cenrtales nucléai- res pousseront...
... comme des ....
LES ETAPES CLEFS POUR FABRIQUER UNE BOMBE ATOMIQUE
Une fois l’uranium naturel extrait et raffiné,deux filières sont possibles. La première consiste à l’enrichir afin que sa teneur en matière fissile passe de 0,7% à 93%, via des centrifugeuses très sophisti- quées. La seconde requiert un réacteur nucléaire pour transformer l’uranium en plutonium. La produc- tion et l’extraction de cette matière fissile sont bien maîtrisées. Mais l’assemblage des explosifs conven- tionnels chargés de compresser leplutonium au sein de la bombe est une opération compliquée.
Les déchets de catégorie B (9,5 % de l’ensemble), de moyenne activité mais de longue vie, sont des résidus métalliques. Ils sont conditionnés dans du bitume ou du béton et entreposés sur leur lieu de production en attente de stockage.
Les déchets de catégorie C (0,5 % de l’ensemble) sont des déchets de très haute activité qui dégagent de la chaleur pendant plusieurs centaines d’années. Ils sont vitrifiés et entreposés sur le site de La Hague dans des puits de stockage en béton spécialement aménagés pour leur refroidissement.
Le retraitement est une succession d’opérations essentiellement chimiques permettent de séparer les produits recyclables des déchets proprement dits. Ces derniers sont conditionnés et stockés dans des décherges contrôlées.
En France, la production annuelle d’ordures ménagères et industrielles est de 3 tonnes par habitant, dont 100 kg sont des déchets toxiques, et les déchets nucléaires ne représentent que 1 kg, mais leur nature particulière - grande durée de vie et nocivité potentielle - nécessitent des procédures très strictes.
Les déchets de catégorie A, qui représentent 90 % des déchets (vêtements des opérateurs, déchets d’opération, plastiques de protec- tion, outils divers...) de vie courte (temps de demi-vie inférieur à 30 ans) et de faible ou moyenne activité, sont placés dans des conte- neurs, puis noyés dans du béton. Ils sont stockés en surface sur le site de la Hague et dans l’Aube. Leur radioactivité sera comparable à la radioactivité naturelle dans 300 ans.
LES DECHETS RADIOACTIFS.
Au fur et à mesure que les réactions se poursuivent, les déchets s’accumulent et se mélangent au combustible.
Lorsqu’on change le combustible (tous les trois ans), on retire les éléments combustibles, très fortement radioactifs, et on les stocke dans une piscine,a fin d’attendre une diminution de l’activité des nucléides de courte période. Ce stockage dure environ une année dans la centrale et deux ans à l’usine de retraitement. Les éléments, transportés dans des containers spéciaux (les châteuax) sont retraités à l’usine de La Hague.
PROBLEMES LIES A LA SECURITE ET A L’ENVIRONNEMENT.
Ces problèmes sont liés essentiellement aux rejets des centrales et à leurs déchets. Toutes les centrales rejettent de l’eau chaude. Les centrales nucléaires créent des sous-produits radioactifs.
LES REJETS D’EAU CHAUDE.
Les centrales utilisent un condenseur permettant de faire apparaître une zone de basse température et de basse pression sur le trajet de la vapeur alimentant les turbines.
On peut prélever cette eau dans une rivière: l’eau prélevée en amont, est rejetée, après apssage par le condenseur, en aval de la centrale. Le problème est lié au fait que l’eau rejetée est à une température supérieure d’environ 10°C: la rivière subit donc en aval une pollution thermique qui n’est pas négligeable si le débit du rejet est très faible par rapport au débit de la rivière.
On peut cependant limiter les rejets dans la rivière en utilisant des tours de réfrigération qui permettent de faire du circuit de refroidissement un circuit quasiment fermé.
Le principe est le suivant: l’eau sortant du condenseur est déversée en pluie à l’intérieur d’une tour; elle se refroidit au contact de l’air ascendant entrant apr la base de la tour et mis en mouvement par convection naturelle. seule une partie de l’eau se vaporise; elle est rejetée dans l’air extérieur.
Mais même si ce n’est que de l’eau, ce rejet important de vapeur peut participer à l’effet de serre (voir ci-contre)
Influence sur le débit de la rivière
Radioactivité accélérée.
Une réponse à la question des déchets nucléaire ne serait-elle pas d’accélérer la désintégration naturelle des noyaux radioactifs ? L’idée est séduisante mais la physique s’y oppose: la durée de vie des noyaux est fixée par les lois de la nature. Pourtant, une équipe japonaise a diminué d’un peu moins de 1% cette durée pour nu noyau de béryllium ! C’est peu, quasi inutile dans le cas des déchets nucléaires, mais vraiment étonnant.
Habituellement, un paquet de noyaux de béryllium diminue de moitié, en moyenne, en 53 jours;
chaque noyau désintégré perd un neutron. Mais, enfermé par les chercheurs dans une cage en carbone en forme de ballon de football, un fullerène, le béryllium disparaît plus vite. En 52 jours et demi seulement. En fait, les fullerènes concentrent leurs électrons à l’intérieur de leur cavité.
Ce nuage électronique exerce une pression sur les quatre électrons qui orbitent autour du noyau de béryllium. Ces derniers «pénètrent» alors dans le noyau et facilitent la
transformation d’un de ses neutrons en proton. Le tour est joué, le noyau de béryllium est atteint; il meurt plus vite. Les chercheurs voudraient observer, voire améliorer, cette curiosité chimico-physique dans d’autres configurations.
Sciences & Avenir Novembre 2004.
La protection à l’intérieur de la centrale repose sur l’interposition d’écrans appropriés entre les sources radioactives et le personnel. Chaque intervenant porte des vêtements spéci- fiques, qui seront traités après usage. il possède de plus un dosimètre électronique personnel, qui mesure en temps réel son exposition aux rayonnements radioactifs et qui comporte un film ultrasensible à ces rayonnements et qui est développé chaque mois.
La protection des personnes extérieures à la centrale est assurée par des enceintes qui absorbent les rayonnements éventuels. Par exemple, pour une tranche de 1 300 MW, le confinement des matières radioactives est assuré par trois barrières étanches: une gaine métallique réalisée en acier spécial; une cuve en acier inoxydable de 20 cm d’épaisseur; une double paroi de béton, l’une d’une épaisseur de 90 cm (paroi interne) et l’autre de 55 cm (paroi externe).
LA SECURITE DANS LES CENTRALES NUCLEAIRES.
EFFETS BIOLOGIQUES DE LA RADIOACTIVITE.
Les conséquences biologiques d’une exposition aux rayonnements radioactifs dépendent de la quantité reçue, de la nature du rayonnement, de la nature des tissus atteints et de l’importance du volume corporel touché.
Les expositions aux rayonnements peuvent entraîner des dommages, en général sous forme de cancers. Les organes les plus sensibles sont le sang, les seins pour les femmes et le thyroïde pour les enfants.
La protection des réacteurs. Les réactions de fission de l’uranium sont des réactions en chaîne; si on ne les contrôle pas, de plus en plus de neutrons créent de plus en plus de fissions et la réaction devient explosive: cet effet est recherché dans les bombes atomiques.
Mais, dans un réacteur, il faut contrôler la réaction tout au long du fonctionnement du réacteur.
On dispose, pour piloter le réacteur, de barres de contrôle renfermant du plomb: le plomb a la propriété d’absorber les neutrons. En enfonçant les barres dans le réacteur, on absorbe des neutrons et il en reste moins pour réagir.
LA FRANCE PEINE A DECIDER DU SORT DE SES DECHETS.
Pourquoi les déchets ne se valent-ils pas tous ?
En fait, les déchets radioactifs sont caractérisés par deux paramètres: leur niveau d’activité représente le nombre de désintégrations qui se produident par seconde; et leur durée de vie est le temps nécessaire à ce que leur activité soit divisée par deux.
Ces critères permettent de définir 5 catégories principales de déchets.
