Chapitre 7 : Transformations nucléaires

Chapitre 7 : Transformations nucléaires

1. Les isotopes

A l'état naturel, les atomes d'un élément ne possèdent pas forcément la même composition de leur noyau. Comme un élément est défini par son numéro atomique Z, ils possèdent tous Z protons mais ils peuvent contenir un nombre de neutrons N différent.

Définition :

On appelle isotopes (ou noyaux isotopes) des éléments chimiques (atomes ou ions monoatomiques) ayant le même numéro atomique Z, mais des nombres de neutrons N différents.

A RETENIR :

- Les isotopes ont le même nombre de protons Z ; - Les isotopes ont des nombres de nucléons A différents.

Exemple :

Remarques :

- 1 élément chimique donné peut avoir plusieurs isotopes ;

- La plupart des éléments chimiques ont plusieurs isotopes naturels : certains sont stables, d’autres sont instables ou radioactifs.

Exemple : isotopes de l’hydrogène

Hydrogène Deutérium Tritium

Représentation symbolique ¹₁H ²₁H ³₁H

Constitution 1 proton

0 neutron

1 proton 1 neutron

1 proton 2 neutrons

Modélisation possible

2. Les transformations nucléaires

Au cours d’une transformation nucléaire, un ou plusieurs noyaux réactifs se transforment en de nouveaux noyaux.

Tout comme les transformations physiques et chimiques, une transformation nucléaire est modélisée par une réaction dans laquelle interviennent les particules qui réagissent et les particules formées. Une particule est caractérisée par son nombre de masse A et son nombre de charge Z, l’écriture conventionnelle de l’équation de la réaction est la même que pour les éléments chimiques :

Z Z' Z

A A' A"

"

X → Y + Z Remarque : symboles pour les particules élémentaires

14 C

6 12 C

6

Même Z

Lors d’une transformation nucléaire, il y a :

• conservation du nombre de charge Z (de la charge électrique)

• conservation du nombre de masse A (du nombre de nucléons)

3

1 2 4

1 2 3 4

1 2 3 4

Z Z Z Z

1 2

A

3 4

A A A A

=

X + Y Z + W

Z Z Z Z

→  + = +

• conservation de l’énergie : l’énergie totale à l’issue de la réaction nucléaire est égale à l’énergie totale avant la réaction.

ATTENTION : ne pas confondre transformation nucléaire, transformation physique et transformation chimique.

3. La fission nucléaire Définition :

La fission est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle un noyau lourd, dit « fissible », donne naissance à deux noyaux plus légers sous l’impact d’un neutron.

Exemple : ²³⁵₉₂U+₀¹n→⁹⁴₃₈Sr+¹³⁹₅₄Xe^*+3 n₀¹ (réaction ayant lieu dans le réacteur d’une centrale nucléaire) A RETENIR :

La fission nucléaire s’accompagne d’une libération d’énergie sous forme de chaleur et de l’émission d’un ou plusieurs neutrons susceptibles, à leur tour, de provoquer de nouvelles fissions. On parle alors de réaction en chaîne.

formation de noyaux plus légers (produits de fission) neutrons

« explosion » du noyau avec émission d’énergie (rayonnement  et chaleur) neutron

incident

Noyau lourd



 Lois de conservation de Soddy

Applications : centrale nucléaire (réaction en chaine contrôlée), bombe atomique A (fission en chaîne non contrôlée de noyaux d’uranium 235 ou de plutonium 239).

4. La fusion nucléaire Définition :

La fusion nucléaire est une réaction au cours de laquelle deux noyaux légers s'unissent (fusionnent) pour former un noyau plus lourd.

Exemple : ²₁

H

H

He

n

5. Énergie libérée lors d’une réaction nucléaire

En 1905, Albert Einstein postule que la masse est une des formes que peut prendre l’énergie. Ainsi, un système au repos, de masse m, possède une « énergie de masse », E, donnée par la relation d’Einstein :

2

-1

E = énergie (en J) m = masse (en kg)

vitesse de la lumière (en m.s )



 =

 c

c

 De l’énergie peut donc se « transformer » en masse c'est-à-dire se matérialiser sous forme de particule et inversement une masse peut être convertie en énergie.

 Lors d’une transformation nucléaire, une partie de l’énergie nucléaire contenue dans les noyaux réactifs est transformée en énergie rayonnante (rayonnement ) ou en chaleur.

 Dans le Soleil et dans les réacteurs des centrales nucléaires, ce sont des grandes quantités d’énergie qui sont libérées.