Fiche de physique - chimie
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Noyaux - Masse - Énergie

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I. Bilan énergétique des réactions nucléaires

1. Énergie libérée par une désintégration radioactive

On considère la réaction nucléaire spontanée d'équation noyau père \longrightarrow particule expulsée + noyau fils + rayonnement \gamma.
Cette réaction nucléaire libère de l'énergie qui apparaît
sous forme d'énergie cinétique de la particule expulsée
sous forme d'énergie rayonnante du photon \gamma.

2. Perte de masse ou variation de masse

Au cours de la réaction nucléaire, la perte de masse ou variation de masse est \Delta m = masse finale - masse initiale.
\Delta m = m(particule expulsée) + m(noyau fils) - m(noyau père) < 0



3. Énergie de masse

En 1905, Einstein a postulé : " Une particule de masse m, au repos, possède l'énergie E_{0} = m.c^{2} ".
c est la célérité de la lumière dans le vide ; c = 3,00.10^{8} m.s-1.

4. Énergie libérée par la désintégration radioactive

E_{\text{libérée}} = -\Delta_{m}.c^2 > 0.


Unités S.I : \Delta m est en kg ; c est en m.s-1 ; E_{\text{libérée}} est en J (joules).

II. Grandeurs du noyau

1. Unités de masse et d'énergie

L'unité de masse atomique notée u est le douzième de la masse d'un atome de carbone 12.

1 u = 1,66.10-27 kg.



Masse des particules élémentaires :
- proton : mp = 1,0073 u = 1,673.10-27 kg
- neutron : mn = 1,0087 u = 1,675.10-27 kg
- électron : me = 0,00055 u = 9,1.10-31 kg.

Unités usuelles :
- d'énergie : l'électronvolt : 1 eV = 1,6.10-19 J
- de masse : l'énergie de masse de l'unité de masse atomique est 1 u.c2 = 931,5 MeV.

2. Énergie de liaison d'un noyau

Définition :

L'énergie de liaison d'un noyau est l'énergie libérée lors de la formation de ce noyaux au repos à partir de nucléons initialement séparés au repos.



L'équation de la formation d'un noyau peut s'écrire :
Z protons au repos + (A-Z) neutrons au repos \longrightarrow noyau { }^{\text{A}}_{\text{Z}}\text{X} au repos.


L'énergie de liaison du noyau = - perte de masse × c2
soit El = - [ m(noyau) - Z.m(proton) - (A-Z).m(neutron) ].c2
equivaut
El = [Z.mp + (A-Z).mn].c2 - m({ }^{\text{A}}_{\text{Z}}\text{X}).c2



III. Stabilité d'un noyau

Un noyau est stable s'il ne se décompose pas au cours du temps.
Un noyau est instable s'il se décompose au cours du temps : il est radioactif.

1. Énergie de liaison par nucléon

Pour un noyau { }^{\text{A}}_{\text{Z}}\text{X}, l'énergie de liaison par nucléon est \dfrac{E_{l}}{A}.

Plus l'énergie de liaison par nucléon est grande, plus ce noyau est stable.

On a les noyaux les plus stables pour 50 < A < 75.

2. Courbe d'Aston


Noyaux - Masse - Énergie : image 1

3. Remarque

En bombardant par des particules des noyaux qui possèdent une énergie de liaison par nucléons relativement faible, on peut provoquer une réaction nucléaire.
Cette réaction nucléaire produit d'autres noyaux X plus stables en libérant de l'énergie.

IV. Les réactions nucléaires provoquées

1. La fission nucléaire

Définition :

La fission est l'éclatement d'un noyau lourd (noyau cible) sous l'impact d'un neutron (projectile) en deux noyaux plus légers.

Elle libère de l'énergie.

Exemple : fission de l'uranium 235.

Noyaux - Masse - Énergie : image 4


Applications :
- fission contrôlée : dans les réacteurs nucléaires des centrales électriques.
- fission non contrôlée : bombe A.

2. La fusion nucléaire

Définition :

La fusion est une réaction nucléaire qui crée un noyau plus lourd lors de la rencontre de deux noyaux légers (faible A).

Elle libère de l'énergie.

Exemple : fusion naturelle du Soleil.

Noyaux - Masse - Énergie : image 3

Applications :
- énergie libérée par le Soleil (fusion naturelle).
- fusion non contrôlée : bombe H.
- fusion contrôlée : un espoir ... le projet ITER.
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