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\emph{\textbf{Physique nucléaire -- UAA8-Chap2 (livre pages 188 à
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217).}}
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\begin{figure}
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\centering
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\includegraphics[width=9.597cm,height=5.674cm]{Pictures/10000001000002340000014E5A1981B62E922D6D.png}
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\caption{}
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\end{figure}
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Nucléaire signifie relatif au noyau.
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\emph{\textbf{L'énergie nucléaire}} est
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l'\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/\%C3\%89nergie_(physique)}{\emph{\emph{énergie}}}
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associée \emph{\textbf{à la force de cohésion des
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}}\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Nucl\%C3\%A9on}{\emph{\emph{\textbf{nucléons}}}}
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(\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Proton}{\emph{\emph{protons}}} et
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\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Neutron}{\emph{\emph{neutrons}}}),
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appelée aussi la
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\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Interaction_forte}{\emph{\emph{force
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nucléaire forte}}} au sein du noyau des atomes.
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\textbf{La radioactivité} est le
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\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Ph\%C3\%A9nom\%C3\%A8ne_physique}{\emph{\emph{phénomène
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physique}}} par lequel des noyaux atomiques instables se transforment
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spontanément en d'autres noyaux (désintégration) en émettant des
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particules.
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\includegraphics[width=3.117cm,height=2.281cm]{Pictures/10000000000001E00000013EE6B5ED22BED582FE.jpg}Nous
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allons envisager dans ce chapitre les réponses à plusieurs questions.
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Qu'est ce que la radioactivité ?
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D'où provient l'énergie du soleil ?
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Pourquoi les réactions nucléaires produisent-elles beaucoup d'énergie ?
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Pourquoi les rayonnements radioactifs peuvent-ils être dangereux ?
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\includegraphics[width=3.353cm,height=2.281cm]{Pictures/10000000000001C2000000FF8E8D24A81F4812A1.jpg}Il
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y a-t-il des sources de rayonnements radioactifs naturelles ou
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uniquement artificielles ?
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Comment fonctionne une centrale nucléaire ?
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Quel est le principe de fonctionnement d'une bombe atomique et d'une
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bombe H ?
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Utilité de la matière radioactive en médecine et en archéologie ?
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Que signifie la relation~: E=mc\textsuperscript{2}~?
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Que signifie fusion et fission~?
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Comment fonctionne la datation au carbone 14~?
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\includegraphics[width=6.421cm,height=3.082cm]{Pictures/100000010000016C000000AF47CF8A96233610D0.png}\includegraphics[width=6.144cm,height=5.784cm]{Pictures/1000000100000244000002230722677727C350FD.png}\includegraphics[width=4.105cm,height=1.646cm]{Pictures/10000000000001E0000000CD0A7EA401296A8942.jpg}Qu'est
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ce que l'antimatière~?
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\begin{figure}
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\centering
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\includegraphics[width=4.35cm,height=2.439cm]{Pictures/100000000000028A0000016D9B2BB1B3B682BBBA.jpg}
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\caption{}
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\end{figure}
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\begin{figure}
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\centering
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\includegraphics[width=4.942cm,height=1.831cm]{Pictures/100000000000032A0000012C7D9EB773B1A5CFD2.jpg}
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\caption{}
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\end{figure}
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\includegraphics[width=6.451cm,height=2.836cm]{Pictures/1000000000000258000001081538D49477005002.jpg}\includegraphics[width=5.801cm,height=2.82cm]{Pictures/1000000000000703000003811303CD635F28D921.png}
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\emph{\textbf{1 -- Rappels~:}}
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\emph{\textbf{ }}
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\begin{enumerate}
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\def\labelenumi{\alph{enumi})}
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\tightlist
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\item
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\emph{la structure du noyau atomique}
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\end{enumerate}
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Un nucléon est une particule du noyau atomique, donc soit un proton,
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soit un neutron.
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\begin{figure}
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\centering
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\includegraphics[width=14.063cm,height=3.81cm]{Pictures/10000000000002DD000000C657B445FAE2BE03DE.jpg}
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\caption{}
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\end{figure}
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\begin{enumerate}
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\def\labelenumi{\alph{enumi})}
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\tightlist
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\item
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\emph{Isotopes~: définition. }
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\end{enumerate}
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Deux isotopes d'un même élément \textbf{se différencient par leur nombre
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de neutrons}. Ils possèdent donc le même nombre de protons.
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\textbf{Le nombre de neutrons est donc égal à A-Z}
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\emph{c) Exemples}~:
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\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/1000000100000014000000139893D1A91E50D164.png}
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possède 14 nucléons dont 6 protons et 8 neutrons.
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\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001400000013946388155A247608.png}
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est un isotope du
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\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/1000000100000014000000139893D1A91E50D164.png}.
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Il possède 12 nucléons, dont 6 protons et 6 neutrons.
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\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001400000013CF06E53ED3B18878.png}
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possède 1 nucléon. C'est un proton.
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\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001400000013CF06E53ED3B18878.png}
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n'a pas de neutron. Il est appelé le \textbf{protium.}
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\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/1000000100000014000000131B86356A5F025E11.png}est
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un isotope de
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\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001400000013CF06E53ED3B18878.png}.
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Il possède 2 nucléons, dont un proton et un neutron. Il est appelé le
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\textbf{deutérium.}
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\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001400000013911DE4B8F4DAD2EC.png}
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est un isotope de l'hydrogène. Il possède 3 nucléons, dont 2 neutrons et
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1 proton. Il est appelé le \textbf{tritium.}
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\includegraphics[width=0.918cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001A000000131DF4E77671AB3F6E.png}
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possède 235 nucléons , dont 143 neutrons et 92 protons.
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\includegraphics[width=0.918cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001A000000137145F016F0439DB0.png}possède
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238 nucléons, dont 146 neutrons et 92 protons.
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\includegraphics[width=0.966cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001B00000013CE6DE589828DD379.png}
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possède 4 nucléons, dont 2 protons et deux neutrons.
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\begin{enumerate}
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\def\labelenumi{\alph{enumi})}
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\setcounter{enumi}{3}
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\tightlist
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\item
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\emph{Représentation nucléaire de l'électron, du proton, du neutron et
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du photon}
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\end{enumerate}
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Des considérations précédentes, il découle~:
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\includegraphics[width=0.683cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001300000013933991303C233C5E.png}\includegraphics[width=0.613cm,height=0.683cm]{Pictures/10000001000000110000001313D14D1355E58698.png}
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\includegraphics[width=0.565cm,height=0.683cm]{Pictures/10000001000000100000001384CE4DB1D643C8F9.png}\includegraphics[width=0.565cm,height=0.683cm]{Pictures/10000001000000100000001354D441094A28B79D.png}
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\emph{\textbf{2 -- Radioactivité - Trois types de rayonnements
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nucléaires. }}
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La radioactivité est le
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\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Ph\%C3\%A9nom\%C3\%A8ne_physique}{\emph{\emph{phénomène
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physique}}} par lequel \textbf{des
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}\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Noyau_atomique}{\emph{\emph{\textbf{noyaux
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atomiques}}}}\textbf{ instables} (dits radio-nucléides ou
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\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Radioisotope}{\emph{\emph{radio-isotopes}}})
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\textbf{se transforment }\emph{\textbf{spontanément}} en d'autres atomes
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(\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/D\%C3\%A9sint\%C3\%A9gration_radioactive}{\emph{\emph{\textbf{désintégration}}}}\textbf{)}
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\textbf{en émettant} simultanément \textbf{des particules de matière}
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(\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/\%C3\%89lectron}{\emph{\emph{électrons}}},
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\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Noyau_atomique}{\emph{\emph{noyaux}}}
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d'\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/H\%C3\%A9lium_4}{\emph{\emph{hélium}}},
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\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Neutron}{\emph{\emph{neutrons}}},~etc.)
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et /ou des \textbf{photons}.
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La radioactivité a été découverte en
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\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/1896}{\emph{\emph{1896}}} par
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\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Henri_Becquerel}{\emph{\emph{Henri
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Becquerel}}} dans le cas de
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l'\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Uranium}{\emph{\emph{uranium}}},
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et très vite confirmée par
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\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Marie_Curie}{\emph{\emph{Marie
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Curie}}} pour le
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\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Radium}{\emph{\emph{radium}}}.
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Concernant l'historique (passionnante), je vous propose de lire le livre
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pages 188 et 189.
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\includegraphics[width=5.697cm,height=3.856cm]{Pictures/10000000000001E00000013EE6B5ED22BED582FE.jpg}\emph{\textbf{2.1.
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Il existe trois types de rayonnements nucléaires. }}
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\begin{enumerate}
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\def\labelenumi{\alph{enumi})}
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\tightlist
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\item
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\emph{\textbf{Le rayonnement }\textbf{}}~:\textbf{
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}\includegraphics[width=0.966cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001B00000013CE6DE589828DD379.png}
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\end{enumerate}
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Un noyau instable se débarrasse d'un groupe de 2 neutrons et deux
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protons, autrement dit un noyau d'hélium. Il est appelé \textbf{rayon
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.}
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\emph{A titre d'exemples~:}
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1) L'uranium
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\includegraphics[width=0.918cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001A000000137145F016F0439DB0.png}se
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transmute en thorium lors de sa désintégration en émettant une particule
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.
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La réaction de désintégration est~:
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\includegraphics[width=0.918cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001A000000137145F016F0439DB0.png}\includegraphics[width=1.059cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001E000000138E6A8FDDE5499982.png}
|
|
+\includegraphics[width=0.966cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001B00000013CE6DE589828DD379.png}\textbf{
|
|
}(\includegraphics[width=0.966cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001B00000013CE6DE589828DD379.png}
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étant une particule ).
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Remarquez que le nombre de protons et neutrons restent constants~:
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238=234 +4 et 92=90+2
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Pourquoi le Thorium
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\includegraphics[width=1.059cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001E000000138E6A8FDDE5499982.png}
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? C'est l'élément qui a un numéro atomique Z égal à 90 si vous regardez
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dans le tableau périodique de Mendeleïev.
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\includegraphics[width=4.75cm,height=2.903cm]{Pictures/100000000000011D000000B18BB391CD0E0D8FA2.jpg}2)
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Le radium 226 se transforme en un noyau de radon lors de sa
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désintégration et expulse une particule .
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\includegraphics[width=1.177cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000002100000013A43BFC64E9247A2A.png}
|
|
\includegraphics[width=1.177cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000002100000013E5BE5263AA80663E.png}
|
|
+
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\includegraphics[width=0.966cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001B00000013CE6DE589828DD379.png}
|
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Lors d'une désintégration, l'élément radioactif se transforme en un
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autre élément appelé
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\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Produit_de_d\%C3\%A9sint\%C3\%A9gration}{\emph{\emph{produit
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de désintégration}}}. Ce produit de désintégration est généralement
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lui-même radioactif, et sa propre désintégration conduira à un troisième
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élément, et ainsi de suite. Le noyau radioactif atteindra une
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configuration stable non radioactive.
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Nous illustrerons certaines familles de désintégrations à la fin du
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chapitre relatif au trois types de désintégrations.
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\begin{figure}
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\centering
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\includegraphics[width=5.373cm,height=3.103cm]{Pictures/10000000000001C2000000FF8E8D24A81F4812A1.jpg}
|
|
\caption{}
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|
\end{figure}
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|
\begin{enumerate}
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|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
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\tightlist
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|
\item
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\emph{\textbf{Le rayonnement }\textbf{}\textbf{ (électrons ou
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positons) }}
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\end{enumerate}
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\emph{b.1 -- Le rayonnement }\textsuperscript{\emph{-}}\emph{ (des
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électrons~}:\includegraphics[width=0.683cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001300000013933991303C233C5E.png}
|
|
)\emph{ }
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|
\textbf{Un des neutrons du noyau se transforme en un proton} (c'est
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|
possible en physique quantique) qui reste dans le noyau et \textbf{un
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électron est éjecté.}
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\includegraphics[width=0.565cm,height=0.683cm]{Pictures/10000001000000100000001354D441094A28B79D.png}
|
|
|
|
\includegraphics[width=0.613cm,height=0.683cm]{Pictures/10000001000000110000001313D14D1355E58698.png}
|
|
+
|
|
\includegraphics[width=0.683cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001300000013933991303C233C5E.png}
|
|
|
|
\emph{Exemple~}: le carbone 14
|
|
(\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/1000000100000014000000139893D1A91E50D164.png})
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|
qui sert notamment à la datation au carbone 14 (lisez les pages 193 et
|
|
194)
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\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/1000000100000014000000139893D1A91E50D164.png}
|
|
|
|
\includegraphics[width=0.825cm,height=0.683cm]{Pictures/10000001000000170000001387F43E8F08B678A8.png}
|
|
+
|
|
\includegraphics[width=0.683cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001300000013933991303C233C5E.png}
|
|
(remarquez la conservation~: 14 =14 + 0 et 6 = 7 -1)
|
|
|
|
\emph{b.2 -- Le rayonnement }\textsuperscript{\emph{+}}\emph{ (des
|
|
positons(électrons positifs)}
|
|
\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/1000000100000014000000131B1712312E317641.png}
|
|
)
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=5.373cm,height=2.281cm]{Pictures/10000000000001E0000000CD0A7EA401296A8942.jpg}
|
|
\caption{}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\textbf{Un des protons du noyau se transforme en un neutron}, qui reste
|
|
dans le noyau, et un positon est éjecté (un positon est électron positif
|
|
\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/1000000100000014000000131B1712312E317641.png}).
|
|
|
|
\includegraphics[width=0.613cm,height=0.683cm]{Pictures/10000001000000110000001313D14D1355E58698.png}
|
|
|
|
\includegraphics[width=0.565cm,height=0.683cm]{Pictures/10000001000000100000001354D441094A28B79D.png}
|
|
+
|
|
\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/1000000100000014000000131B1712312E317641.png}
|
|
|
|
\emph{Exemple~: }
|
|
|
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\includegraphics[width=0.683cm,height=0.683cm]{Pictures/10000001000000130000001334A778854DA43436.png}
|
|
|
|
\includegraphics[width=0.847cm,height=0.683cm]{Pictures/10000001000000180000001378E4F6B83F114C0B.png}
|
|
+
|
|
\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/1000000100000014000000131B1712312E317641.png}
|
|
|
|
\emph{Remarques~: }
|
|
|
|
1) Une application médicale est la tomographie par émission de positons
|
|
(lire pages 213 et 214)~.
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|
|
|
2) Le positon est un exemple d'antimatière. Ce nouveau type de matière,
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découverte en 1932, est identique à la matière ordinaire, mais possède
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une charge électrique de signe opposé. Il existe donc des antiprotons et
|
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des antineutrons. On a réussi à fabriquer des antiatomes d'hydrogène. La
|
|
raison pour actuelle l'Univers actuel est constitué quasi exclusivement
|
|
de matière sans antimatière reste, à l'heure actuelle, une des plus
|
|
grandes énigmes de la physique.
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\begin{figure}
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\centering
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\includegraphics[width=6.421cm,height=3.082cm]{Pictures/100000010000016C000000AF47CF8A96233610D0.png}
|
|
\caption{}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\begin{enumerate}
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|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
\emph{\textbf{Le rayonnement }\textbf{}\textbf{ (ondes
|
|
électromagnétiques de très hautes fréquences)~}}\textbf{:
|
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}\includegraphics[width=0.565cm,height=0.683cm]{Pictures/10000001000000100000001384CE4DB1D643C8F9.png}
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
La plupart des noyaux provenant d'une désintégration sont produits dans
|
|
un état excité, riche en énergie (notation~: X*). Ce \textbf{surplus
|
|
d'énergie est libéré }dans les instants qui suivent la désintégration
|
|
par l'émission d'un \textbf{rayonnement électromagnétique} de très
|
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grande fréquence. Ce sont les ondes électromagnétiques de plus hautes
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fréquences (et donc de plus grandes énergies~: E = hf) que vous
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retrouvez dans le spectre des ondes électromagnétiques.
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\emph{Exemple~}:
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Un exemple typique est fourni par la désexcitation du
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\includegraphics[width=1.177cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000002100000013F4346A116177CC55.png},
|
|
lui-même issu de la désintégration \textsuperscript{- }du
|
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\includegraphics[width=1.13cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000002000000013EC637266C7BF3BB2.png}
|
|
|
|
Une première désintégration \textsuperscript{+~ : }
|
|
\includegraphics[width=1.13cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000002000000013EC637266C7BF3BB2.png}
|
|
|
|
\includegraphics[width=1.177cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000002100000013F4346A116177CC55.png}
|
|
+
|
|
\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/1000000100000014000000131B1712312E317641.png}
|
|
|
|
Suivie d'une émission
|
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\includegraphics[width=0.354cm,height=0.495cm]{Pictures/100000010000000A0000000EB444449CB8FB105E.png}\textbf{
|
|
:
|
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}\includegraphics[width=1.177cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000002100000013F4346A116177CC55.png}
|
|
\includegraphics[width=1.177cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000002100000013061F8CC345B56CF4.png}+
|
|
\includegraphics[width=0.565cm,height=0.683cm]{Pictures/10000001000000100000001384CE4DB1D643C8F9.png}
|
|
|
|
\emph{\textbf{Chaine de désintégration de
|
|
l'}}\includegraphics[width=0.918cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001A000000137145F016F0439DB0.png}\textbf{
|
|
}\emph{\textbf{- Illustration}}
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=11.204cm,height=8.608cm]{Pictures/10000001000002E90000023C8DC9DA56C35BDFC0.png}
|
|
\caption{}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=11.305cm,height=7.361cm]{Pictures/100000010000022100000163C6AFC1C203E09AFE.png}
|
|
\caption{}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\emph{\textbf{3 -- La décroissance radioactive et activité d'une source
|
|
}}
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|
La désintégration radioactive est un phénomène aléatoire : chaque
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|
désintégration est un événement indépendant et l'on ne peut pas prévoir
|
|
à quel moment un noyau donné va subir une désintégration.
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|
Par contre, la probabilité qu'il se désintègre endéans un certain laps
|
|
de temps est une constante.
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|
Il s'ensuit une loi qui décrit l'évolution au fil du temps du nombre de
|
|
noyaux non encore désintégrés.
|
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|
L'observation montre que la quantité de noyaux instables se trouve
|
|
réduite de moitié au bout d'une durée (T~: appelée demi-vie)
|
|
caractéristique du noyau considéré.
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|
\begin{figure}
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|
\centering
|
|
\includegraphics[width=6.147cm,height=4.33cm]{Pictures/10000001000000DB0000009A3ECA1A1B4D2021A5.png}
|
|
\caption{}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
Les demi-vies peuvent avoir des valeurs très diverses,
|
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allant de 10\textsuperscript{-20} secondes à 10\textsuperscript{16
|
|
}années.
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Quelques exemples ci-contre.
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A titre d'exemple, la demi-vie de l'iode 131 est de plus ou moins 8
|
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jours.
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Cela signifie~:
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|
- qu'après 8 jours, la moitié de la quantité initiale subsiste,
|
|
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|
- qu'après 16 jours, le quart de la quantité initiale subsiste,
|
|
|
|
- qu'après 24 jours, la huitième de la quantité initiale subsiste,
|
|
|
|
- qu'après 32 jours, la seizième de la quantité initiale
|
|
subsiste,\ldots{}
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=6.549cm,height=4.221cm]{Pictures/1000000100000179000000F3681E4F513A824012.png}
|
|
\caption{}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=1.812cm,height=1.294cm]{Pictures/10000001000000330000002555510415F0E74C8B.png}
|
|
\caption{}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
Application~: la datation au carbone 14 (lire le point 4, page 193 et
|
|
194).
|
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|
Activité d'une source (A)
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|
L'activité d'une source radioactive est le nombre de désintégrations par
|
|
unité de temps ayant lieu.
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|
Elle est symbolisée par A.
|
|
|
|
Son unité est le becquerel noté Bq
|
|
|
|
La radioactivité est un phénomène naturel. Nous sommes baignés dans un
|
|
environnement où partout il y a un peu de radioactivité : les aliments,
|
|
l'eau, les matériaux de construction de la maison, le rayonnement
|
|
cosmiques, certains minéraux terrestres, \textbf{essentiellement le
|
|
radon.}
|
|
|
|
Nous mêmes, nous sommes également faits de quelques éléments radioactifs
|
|
en particulier à cause de notre alimentation (surtout à cause de
|
|
\textsuperscript{\textbf{40}}K). En moyenne, l'activité du corps humain
|
|
est de 8 000 Bq.
|
|
|
|
\emph{\textbf{4 --} \textbf{Effets biologiques des rayonnements
|
|
radioactifs. ( Lire pages 195-196-197)}}
|
|
|
|
Les particules et , ainsi que le rayonnement émis au cours des
|
|
réactions nucléaires sont très énergétiques et peuvent, en traversant la
|
|
matière, arracher des électrons aux atomes ou rompre des liaisons
|
|
chimiques, ce qui aboutit dans la plupart des cas à créer des ions. On
|
|
parle \textbf{d'ionisation }de la matière.
|
|
|
|
La radioactivité est un phénomène naturel. Nous sommes baignés dans un
|
|
environnement où partout il y a un peu de radioactivité : les aliments,
|
|
l'eau, les matériaux de construction de la maison, le rayonnement
|
|
cosmiques, certains minéraux terrestres, essentiellement le radon
|
|
|
|
Nous mêmes, nous sommes également faits de quelques éléments radioactifs
|
|
en particulier à cause de notre alimentation (surtout à cause de
|
|
\textsuperscript{\textbf{40}}K). En moyenne, l'activité du corps humain
|
|
est de 8 000 Bq.
|
|
|
|
\emph{\textbf{Caractéristiques des trois types de radiation}}
|
|
|
|
Les trois types de rayonnement (, ou ) sont ionisants mais ont des
|
|
pouvoirs de pénétration différents dans l'organisme. En effet, leur
|
|
parcours se termine lorsque toute l'énergie initiale a été transférée à
|
|
la matière qui les arrête.
|
|
|
|
La longueur de la trajectoire dans un milieu est appelé~: pouvoir de
|
|
pénétration.
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=6.574cm,height=3.461cm]{Pictures/10000001000000DA0000007380CB3B303A836040.png}
|
|
\caption{}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
Le danger augmente avec l'activité de la source radioactive, la
|
|
proximité de la source, la durée d'exposition et le type de
|
|
radioactivité~:
|
|
|
|
\begin{itemize}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
les particules sont arrêtées par une feuille de papier ;
|
|
\item
|
|
les particules par une fine plaque d'aluminium ;
|
|
\item
|
|
le rayonnement par une forte épaisseur de plomb ou de béton).
|
|
\end{itemize}
|
|
|
|
\includegraphics[width=4.115cm,height=3.741cm]{Pictures/100000010000018600000162E2F7BB9DEC874BD7.png}\emph{\textbf{La
|
|
mesure des doses d'irradiation}}
|
|
|
|
On parle \textbf{d'irradiation} lorsqu'un organisme se trouve à
|
|
proximité d'une source radioactive. Il reçoit alors une partie du
|
|
rayonnement émis par la source.
|
|
|
|
Il y a \textbf{contamination }lorsque les produits radioactifs sont
|
|
absorbés par les voies digestives ou respiratoires. Ils peuvent alors se
|
|
désintégrer au sein même de l'organisme.
|
|
|
|
Dans les tissus vivants (voir ci-dessous), les dommages causés par les
|
|
rayonnements ne dépendent pas que de l'activité de la source, ils sont
|
|
aussi fonction de la nature du rayonnement considéré, et de la nature du
|
|
tissu irradié.
|
|
|
|
Pour évaluer les \textbf{effets physiologiques} des radiations
|
|
ionisantes sur l'organisme humain, les doses reçues par le corps humain
|
|
se mesurent en \textbf{sieverts (Sv). }
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=7.28cm,height=5.726cm]{Pictures/100000010000027A000001F28EDBC323318C37DA.png}
|
|
\caption{}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\emph{\textbf{5 -- Forces à l'intérieur du noyau }}
|
|
|
|
\emph{\textbf{a) Portée et intensité des forces nucléaire et
|
|
électrique}} .
|
|
|
|
Si la force électrique était la seule à l'œuvre dans les noyaux, la
|
|
répulsion électrique entre les protons disloquerait immédiatement les
|
|
noyaux.
|
|
|
|
Il faut donc supposer l'existence d'une \textbf{force d'attraction très
|
|
intense entre les nucléons. }
|
|
|
|
\textbf{Cette force, appelée force d'interaction nucléaire forte }(ou
|
|
force nucléaire) est une des forces fondamentales de l'Univers, au même
|
|
titre que la force de gravitation et la force électrique.
|
|
|
|
\textbf{La force nucléaire attractive s'exerce entre tous les nucléons,
|
|
aussi bien entre proton et proton, qu'entre proton et neutron, qu'entre
|
|
neutron et neutron. }
|
|
|
|
\textbf{Cette force ne s'applique qu'à très courte distance, de l'ordre
|
|
de deux à trois fois le diamètre nucléaire (soit
|
|
2.10}\textsuperscript{\textbf{-15}}\textbf{ m) et est bien plus intense
|
|
que la force électrique sur cette distance. Au-delà de cette distance,
|
|
la force électrique (de répulsion entre les protons) prend le dessus. }
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\setcounter{enumi}{1}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
\emph{\textbf{Ligne de stabilité}}
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
La force nucléaire ne s'exerce que sur les nucléons proches du noyau, du
|
|
fait de sa courte portée.
|
|
|
|
Dans les petits noyaux (Z 20), un nombre N de neutrons
|
|
approximativement égal au nombre Z de protons suffit à stabiliser le
|
|
noyau.
|
|
|
|
Dans les noyaux plus gros, la stabilité est progressivement mise en
|
|
péril par l'augmentation du nombre de protons suffisamment éloignés pour
|
|
la force électrique prenne petit à petit le dessus sur la force
|
|
nucléaire.
|
|
|
|
Plus un noyau comporte de nucléons, plus il faut que le nombre de
|
|
neutrons excède celui des protons pour que l'assemblage reste
|
|
\textbf{\textbf{stable}} : c'est ainsi que les noyaux d'atomes présents
|
|
dans la nature se situent dans ce qu'on appelle la
|
|
\emph{\textbf{«~vallée de stabilité~»}} sur un diagramme comparant le
|
|
nombre de protons et le nombre de neutrons des noyaux.
|
|
|
|
\includegraphics[width=9.37cm,height=6.091cm]{Pictures/1000000100000162000000E5D8F5C376397D35D9.png}-
|
|
La figure ci-contre montre où se répartissent les quelques 3000 isotopes
|
|
connus.
|
|
|
|
Parmi eux, la bande centrale, 256 noyaux sont stables et forment la
|
|
ligne de stabilité, souvent appelée «~vallée de la stabilité~».
|
|
|
|
La vallée de la stabilité ne se poursuit pas au-delà du bismuth(Z=83).
|
|
Après le bismuth, tous les noyaux sont instables.
|
|
|
|
\begin{itemize}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
La zone 1~(excès de nucléons) : c'est la zone des noyaux lourds (N et
|
|
Z élevés et donc A grand). Ce sont des noyaux principalement émetteurs
|
|
.
|
|
\item
|
|
La zone 2 (excès de neutrons)~: le noyau contient trop de neutrons et
|
|
ceux-ci se transforment en protons qui restent dans le noyau et en
|
|
électrons qui sont expulsés. Ces noyaux sont des émetteurs
|
|
\textsuperscript{-~}.
|
|
\item
|
|
La zone 3 (excès de protons)~: le noyau contient trop de protons et
|
|
ceux-ci se transforment en neutrons, qui restent dans le noyau, et en
|
|
positons qui sont expulsés. Ces noyaux sont des émetteurs
|
|
\textsuperscript{+}
|
|
\end{itemize}
|
|
|
|
\emph{\textbf{6 -- Energie de liaison par nucléon d'un noyau et courbe
|
|
d'Aston}}
|
|
|
|
\textbf{L'énergie de liaison est l'énergie qu'il faudrait fournir pour
|
|
détruire complètement un noyau. }
|
|
|
|
Par exemple, c'est l'énergie requise pour séparer un noyau d'hélium
|
|
\includegraphics[width=0.966cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001B00000013CE6DE589828DD379.png}
|
|
en 2 protons et 2 neutrons~séparés; ou l'énergie requise pour séparer un
|
|
noyau
|
|
d'\includegraphics[width=0.918cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001A000000131DF4E77671AB3F6E.png}
|
|
en 143 neutrons et 92 protons séparés.
|
|
|
|
Ce calcul de l'énergie de liaison nous permet de savoir quel noyau
|
|
atomique est le plus stable.
|
|
|
|
Ce n'est pas tellement la valeur totale de l'énergie de liaison qui
|
|
importe. L'uranium a une énergie de liaison phénoménale parce qu'il y a
|
|
beaucoup de nucléons à arracher pour détruire le noyau. Ce qui est plus
|
|
intéressant, c'est le calcul de la moyenne de l'énergie qu'on doit
|
|
fournir à chaque nucléon pour détruire le noyau.
|
|
|
|
On l'obtient en divisant l'énergie de liaison par le nombre de nucléons
|
|
appelée \textbf{énergie de liaison par nucléon (El/nucléon).}
|
|
|
|
\textbf{Plus l'énergie de liaison par nucléon sera grande, au plus le
|
|
noyau sera stable. }
|
|
|
|
Le graphique (appelé la \emph{\textbf{courbe d'Aston}}) représente
|
|
\textbf{l'énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de masse
|
|
A}. (Rappel~: A = nombre de protons + nombre de neutrons).
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=8.348cm,height=6.726cm]{Pictures/1000000000000110000000B9DCC144C0842B84B6.jpg}
|
|
\caption{}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
On voit que l'énergie de liaison par nucléon augmente rapidement et
|
|
plafonne ensuite à environ 14.10\textsuperscript{-13} J par nucléon.
|
|
|
|
Elle plafonne, car les nucléons ne sont attirés que par les autres
|
|
nucléons voisins. Même si le noyau est plus gros, le nombre de nucléons
|
|
voisins reste environ toujours le même et il faut environ
|
|
14.10\textsuperscript{-13} J pour arracher un nucléon de ces voisins.
|
|
|
|
La légère baisse vient de la répulsion électrique qui augmente avec la
|
|
grosseur du noyau et qui rend l'extraction des protons plus facile.
|
|
|
|
On remarque que le noyau qui a le plus d'énergie de liaison par nucléon
|
|
est le fer 56 à 14.10\textsuperscript{-13} J/nucléon. C'est dans les
|
|
noyaux de fer 56 qu'un nucléon est le plus fermement lié.
|
|
|
|
\emph{\textbf{Remarque~}}: Utiliser comme unité d'énergie le Joule n'est
|
|
pas approprié en énergie nucléaire. Une autre unité d'énergie le plus
|
|
souvent utilisée sera l'électron-volt. Cela ne fera pas l'objet de ce
|
|
cours mais vous avez l'information.
|
|
|
|
La valeur de l'électronvolt est définie comme étant
|
|
l'\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/\%C3\%89nergie_cin\%C3\%A9tique}{\emph{\emph{énergie
|
|
cinétique}}} acquise par un
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/\%C3\%89lectron}{\emph{\emph{électron}}}
|
|
accéléré depuis le repos par une
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Potentiel_\%C3\%A9lectrique}{\emph{\emph{différence
|
|
de potentiel}}} d'un
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Volt}{\emph{\emph{volt}}}.
|
|
|
|
\emph{\textbf{7 -- Le défaut de masse}}
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
\emph{\textbf{Rappel~: Relation entre unité de masse atomique (uma) et
|
|
kg}}
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
\textbf{Par définition, une unité de masse atomique (1 uma) correspond à
|
|
un douzième de la masse de l'isotope 12 du carbone (dont une mole fait
|
|
12 grammes).}
|
|
|
|
1 mole d'atomes de
|
|
\includegraphics[width=0.847cm,height=0.636cm]{Pictures/100000010000001400000013946388155A247608.png}
|
|
(soit 6,02.10\textsuperscript{23} atomes) a une masse de 12 g =
|
|
12.10\textsuperscript{-3} kg
|
|
|
|
Donc la masse d'1 atome de
|
|
\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{Pictures/100000010000001400000013946388155A247608.png}
|
|
=
|
|
\includegraphics[width=3.176cm,height=1.177cm]{Pictures/10000001000000A8000000288EBA8C324C0C87D6.png}
|
|
kg
|
|
|
|
Donc 1 uma =
|
|
\includegraphics[width=1.694cm,height=0.8cm]{Pictures/100000010000005000000026311100B7BB4DB460.png}=
|
|
1,6605.10\textsuperscript{-27} kg
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
\includegraphics[width=7.375cm,height=4.023cm]{Pictures/100000010000011D0000009C9371CDD98EE4E2B1.png}\emph{\textbf{Le
|
|
défaut de masse }}
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
Par des techniques très précises, il est possible de mesurer la masse
|
|
d'un noyau et celle d'un proton isolé ou d'un neutron isolé. Il s'avère,
|
|
découverte surprenante, que \textbf{la masse d'un noyau est inférieure à
|
|
la somme des masses de chacun de ses nucléons. ~}
|
|
|
|
\textbf{Cette différence est appelée l}\emph{\textbf{e défaut de
|
|
masse}}\textbf{ m}
|
|
|
|
\emph{\textbf{Conclusion~:}}
|
|
|
|
\emph{\textbf{Lors de la formation d'un noyau à partir de protons et
|
|
neutrons, il y a diminution de masse.}}
|
|
|
|
\emph{\textbf{Lors de désintégration d'un noyau en ses différents
|
|
nucléons séparés, il y a augmentation de masse. }}
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
\emph{\textbf{Equivalence masse-énergie}}
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
Mais où est passée cette masse?
|
|
|
|
\textbf{En 1905, Einstein établit qu'elle s'est transformée en énergie.}
|
|
Dans certaines circonstances, une masse m peut se transformer en énergie
|
|
E.
|
|
|
|
\textbf{Cette quantité d'énergie est l'énergie de liaison et elle
|
|
correspond à l'énergie qu'il faut fournir au noyau pour qu'il soit
|
|
dissocié en nucléons isolés.}
|
|
|
|
Il établit la relation d'équivalence~entre la masse et l'énergie.
|
|
|
|
\emph{\textbf{8 -- Réactions nucléaires et dégagement d'énergie. }}
|
|
|
|
\textbf{L'équivalence masse-énergie
|
|
(E=mc}\textsuperscript{\textbf{2}}\textbf{)} \textbf{est la clé }pour
|
|
comprendre le défaut de masse constaté dans les atomes.
|
|
|
|
\textbf{En effet, le défaut de masse d'un noyau est équivalent à
|
|
l'énergie de liaison E}\textsubscript{\textbf{L}}\textbf{ du noyau. }
|
|
|
|
\emph{\textbf{Les noyaux dans lesquels les nucléons sont moyennement
|
|
liés (E}}\textsubscript{\emph{\textbf{l}}}\emph{\textbf{/nucléon
|
|
moyenne) qui se transforment en d'autres noyaux au sein desquels
|
|
l'énergie de liaison par nucléon est plus importante
|
|
(E}}\textsubscript{\emph{\textbf{l}}}\emph{\textbf{/nucléon plus
|
|
importante) donneront lieu à une libération d'énergie. }}
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=7.056cm,height=5.644cm]{Pictures/10000001000000E2000000B4942537CB26E0723C.png}
|
|
\caption{}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
La forme de la courbe de stabilité des noyaux permet de prédire que deux
|
|
types de réactions nucléaires seront exothermiques.
|
|
|
|
\begin{itemize}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
D'une part, des réactions qui brisent des noyaux très lourds en
|
|
plusieurs noyaux de masses moyennes et d'énergie par nucléon de
|
|
liaison plus grandes. C'est \emph{\textbf{la fission nucléaire.}}
|
|
C'est\emph{\textbf{ }}l'énergie utilisée dans les \textbf{centrales
|
|
nucléaires.}
|
|
\item
|
|
D'autre part, des réactions qui assemblent des noyaux très légers pour
|
|
former un noyau de masse intermédiaire d'énergie de liaison par
|
|
nucléon plus importante. . C'est \emph{\textbf{la fusion nucléaire.}}
|
|
C'est l'énergie utilisée par \textbf{notre Soleil.}
|
|
\end{itemize}
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=5.131cm,height=4.584cm]{Pictures/100000010000013B00000106ADCB5679C9DC9F10.gif}
|
|
\caption{}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\emph{\textbf{a) La réaction de fission nucléaire}}
|
|
|
|
\includegraphics[width=1.011cm,height=0.728cm]{./ObjectReplacements/Object 1}Lors
|
|
de cette réaction nucléaire, un noyau, soumis à l'impact d'un neutron,
|
|
se divise en deux.
|
|
|
|
\includegraphics[width=0.917cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 2}Un
|
|
exemple de réaction de fission est la suivante~:
|
|
|
|
\includegraphics[width=0.564cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 3}\includegraphics[width=1.035cm,height=0.635cm]{./ObjectReplacements/Object 8}
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\arabic{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
Une énergie (notons la E1) est fournie pour séparer les nucléons du
|
|
noyau de
|
|
l'\includegraphics[width=0.917cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 9}.
|
|
\item
|
|
Une énergie (notons la E2) est libérée pour former les noyaux de
|
|
\includegraphics[width=1.011cm,height=0.728cm]{./ObjectReplacements/Object 10}
|
|
et de
|
|
\includegraphics[width=1.035cm,height=0.635cm]{./ObjectReplacements/Object 11}
|
|
.
|
|
\item
|
|
Comme les énergies de liaison par nucléon du
|
|
\includegraphics[width=1.011cm,height=0.728cm]{./ObjectReplacements/Object 12}
|
|
et du
|
|
\includegraphics[width=1.035cm,height=0.635cm]{./ObjectReplacements/Object 13}
|
|
sont supérieures à celle de l'
|
|
\includegraphics[width=0.917cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 14}
|
|
(voir la courbe d'Aston ci-dessus), le bilan de la réaction libère de
|
|
l'énergie.
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
\protect\hypertarget{anchor}{}{}
|
|
|
|
Lors d'une réaction de fission, un noyau lourd, au sein duquel les
|
|
nucléons sont moins fortement liés, se transforme en noyaux plus légers,
|
|
au sein desquels les nucléons sont plus fortement liés (cf. courbe
|
|
d'Aston). Or une énergie de liaison par nucléon plus grande conduit à un
|
|
défaut de masse plus important.
|
|
|
|
Dans le cas de la fission, cette perte de masse résulte de ce que la
|
|
dissociation des très gros noyaux permet de constituer des noyaux moins
|
|
gros, qui ont une cohésion plus forte puisqu'ils sont caractérisés par
|
|
une énergie de liaison par nucléon plus grande, et donc par un défaut de
|
|
masse par nucléon plus important. Le même nombre de nucléons se
|
|
recombine ainsi en un ensemble atomique de masse moins grande.
|
|
|
|
\textbf{Il y a diminution de masse, et donc d'énergie. La réaction est
|
|
exothermique}
|
|
|
|
La fission de 1 gramme d'uranium libère une énergie équivalente à
|
|
l'énergie chimique contenue dans 2300 litres de mazout~!!!
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
\emph{\textbf{La réaction de fusion~: énergie du soleil et des
|
|
étoiles.}}
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
\includegraphics[width=6.683cm,height=3.997cm]{Pictures/10000000000002BC000001A3F2B1BDBB4F71DAC0.jpg}La
|
|
réaction nucléaire de fusion est une réaction qui, \textbf{au départ de
|
|
petits noyaux,} \textbf{forme un plus gros noyau.}
|
|
|
|
Un exemple de réaction est la suivante, la fusion du deutérium et du
|
|
tritium, isotopes de l'hydrogène.
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=0.658cm,height=0.635cm]{./ObjectReplacements/Object 15}
|
|
\caption{ +
|
|
\includegraphics[width=0.658cm,height=0.635cm]{./ObjectReplacements/Object 16}
|
|
|
|
\includegraphics[width=0.894cm,height=0.635cm]{./ObjectReplacements/Object 17}
|
|
+
|
|
\includegraphics[width=0.542cm,height=0.635cm]{./ObjectReplacements/Object 18}}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=5.385cm,height=4.209cm]{Pictures/10000000000001DC00000174806216890CE122F5.jpg}
|
|
\caption{}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
Lors d'une réaction de fusion, l'énergie nucléaire se dégage car la
|
|
masse du noyau obtenu est inférieure à la masse des noyaux initiaux.
|
|
|
|
Dans le cas de la fusion, cette perte de masse résulte de ce que la
|
|
fusion de noyaux légers permet de constituer des atomes plus gros, qui
|
|
ont une cohésion plus forte puisqu'ils sont caractérisés par une énergie
|
|
de liaison par nucléon plus grande, et donc par un défaut de masse par
|
|
nucléon plus important. Le même nombre de nucléons se recombine ainsi en
|
|
un ensemble atomique de masse moins grande.
|
|
|
|
\textbf{Il y a diminution de masse, et donc d'énergie. La réaction est
|
|
exothermique.}
|
|
|
|
\emph{\textbf{Mais pourquoi ne produit-on pas d'énergie en utilisant la
|
|
fusion nucléaire au niveau industriel~?}}
|
|
|
|
Maîtriser sur Terre la fusion de noyaux légers, tels que le
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Deut\%C3\%A9rium}{\emph{\emph{deutérium}}}
|
|
et le tritium donnerait accès à des ressources énergétiques dans des
|
|
quantités jamais rencontrées jusqu'alors par l'espèce humaine et
|
|
produirait beaucoup moins de déchets nucléaires que la fission.
|
|
|
|
Si la
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Fission_nucl\%C3\%A9aire}{\emph{\emph{fission
|
|
nucléaire}}} est contrôlée depuis longtemps pour la
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Production_d\%27\%C3\%A9lectricit\%C3\%A9}{\emph{\emph{production
|
|
d'électricité}}} (au niveau des centrales nucléaires), ce n'est pas le
|
|
cas de la fusion.
|
|
|
|
La réaction de fusion nucléaire est une réaction est difficile à
|
|
réaliser car il faut rapprocher deux noyaux qui ont tendance
|
|
naturellement à se repousser à cause de la force électrique. Il faut
|
|
donc parvenir à vaincre la répulsion électrique afin de rapprocher les
|
|
noyaux dans le champ de la force nucléaire.
|
|
|
|
Les énergies nécessaires à la fusion restent très élevées, correspondant
|
|
à des
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Temp\%C3\%A9rature}{\emph{\emph{températures}}}
|
|
de plusieurs dizaines ou même centaines de millions de
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Degr\%C3\%A9_Celsius}{\emph{\emph{degrés
|
|
Celsius}}} selon la nature des noyaux. \textbf{Au sein du
|
|
}\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Soleil}{\emph{\emph{\textbf{Soleil}}}}\textbf{,
|
|
par exemple, la fusion de
|
|
l'}\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Hydrog\%C3\%A8ne}{\emph{\emph{\textbf{hydrogène}}}}\textbf{,
|
|
qui aboutit par étapes à produire de
|
|
l'}\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/H\%C3\%A9lium}{\emph{\emph{\textbf{hélium}}}}\textbf{,
|
|
s'effectue à des températures de l'ordre de quinze millions de
|
|
}\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Kelvin}{\emph{\emph{\textbf{kelvins}}}}\textbf{.
|
|
}
|
|
|
|
\emph{\emph{La fusion est une énergie propre}.\emph{ Elle n'émet pas de
|
|
gaz à effet de serre ni de déchets radioactifs à demi-vie
|
|
longu}}e\emph{.}
|
|
|
|
Cet enjeu considérable a mené les communautés scientifiques nationales
|
|
et internationales à lancer plusieurs projets d'envergure.
|
|
|
|
\emph{\textbf{ITER}}~: projet international (35 pays) qui s'inscrit dans
|
|
une démarche à long terme visant à l'industrialisation de la fusion
|
|
nucléaire. Pourrait-on rêver de la production d'énergie à l'horizon
|
|
2035~?
|
|
|
|
Dans la bombe H (H comme hydrogène), la réaction est possible grâce à
|
|
une haute température obtenue, elle-même, par réaction de fission
|
|
nucléaire\ldots..
|
|
|
|
\emph{\textbf{9 -- Application~: la centrale nucléaire}}
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
\emph{Fonctionnement}
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
La centrale nucléaire utilisant l'énergie nucléaire n'est rien d'autre
|
|
qu'une machine thermique dont la source chaude est un réacteur
|
|
nucléaire.
|
|
|
|
\begin{figure}
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=15.898cm,height=7.479cm]{Pictures/10000001000001C3000000D48AB61C0B764D908D.png}
|
|
\caption{}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\hypertarget{le-circuit-primaire}{%
|
|
\subsubsection{\texorpdfstring{\emph{\textbf{1. Le circuit
|
|
primaire}}}{1. Le circuit primaire}}\label{le-circuit-primaire}}
|
|
|
|
Dans le \textbf{réacteur (1)}, la fission des atomes d'uranium produit
|
|
\textbf{une grande quantité de chaleur}.\\
|
|
Cette chaleur fait augmenter \textbf{la température de l'eau} qui
|
|
circule autour du réacteur, à 320 °C. L'eau est maintenue sous pression
|
|
pour l'empêcher de bouillir. Ce circuit fermé est appelé \textbf{circuit
|
|
primaire}.
|
|
|
|
\hypertarget{le-circuit-secondaire}{%
|
|
\subsubsection{\texorpdfstring{\emph{\textbf{2. Le circuit
|
|
secondaire}}}{2. Le circuit secondaire}}\label{le-circuit-secondaire}}
|
|
|
|
Le circuit primaire communique avec un deuxième circuit fermé, appelé
|
|
\textbf{circuit secondaire} par l'intermédiaire d'un \textbf{générateur
|
|
de vapeur (2)}. Dans ce générateur de vapeur, l'eau chaude du circuit
|
|
primaire chauffe l'eau du circuit secondaire qui se transforme en
|
|
\textbf{vapeur}. La pression de cette vapeur fait tourner une
|
|
\textbf{turbine (3)} qui entraîne à son tour un \textbf{alternateur}.
|
|
Grâce à l'énergie fournie par la turbine, \textbf{l'alternateur} produit
|
|
\textbf{un courant électrique alternatif.}
|
|
|
|
\textbf{Un transformateur} élève la tension du courant électrique
|
|
produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement
|
|
\textbf{transporté dans les lignes très haute tension.}
|
|
|
|
\hypertarget{le-circuit-de-refroidissement}{%
|
|
\subsubsection{\texorpdfstring{\emph{\textbf{3. Le circuit de
|
|
refroidissement}}}{3. Le circuit de refroidissement}}\label{le-circuit-de-refroidissement}}
|
|
|
|
À la sortie de la turbine, la vapeur du circuit secondaire est à nouveau
|
|
\textbf{transformée en eau} grâce à un condenseur dans lequel circule de
|
|
l'eau froide en provenance de la mer ou d'un fleuve. Ce troisième
|
|
circuit est appelé \textbf{circuit de refroidissement (4).}\\
|
|
En bord de rivière, l'eau de ce 3\textsuperscript{e} circuit peut alors
|
|
être refroidie au contact de l'air circulant dans de grandes tours.
|
|
|
|
Le grand intérêt des centrales nucléaires est de fournir beaucoup
|
|
d'énergie en consommant peu de combustible et en ne rejetant pas de CO2
|
|
dans l'atmosphère.
|
|
|
|
L'utilisation d'un combustible radioactif et non renouvelable et le
|
|
stockage des déchets reste un problème non résolu.
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
\includegraphics[width=7.925cm,height=6.421cm]{Pictures/1000000100000234000001C99805E06609697748.png}\emph{\textbf{Réaction
|
|
en chaine. }}
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
Dans le domaine du
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Nucl\%C3\%A9aire}{\emph{\emph{nucléaire}}},
|
|
une \textbf{réaction en chaîne} se produit lorsqu'un
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Neutron}{\emph{\emph{neutron}}}
|
|
cause la
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Fission}{\emph{\emph{fission}}} d'un
|
|
noyau
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Fissile}{\emph{\emph{fissile}}}
|
|
produisant un plus grand nombre de neutrons qui à leur tour causent
|
|
d'autres fissions.
|
|
|
|
En effet, un des neutrons, libéré lors de la première fission, rencontre
|
|
un autre noyau d'uranium et provoque une nouvelle fission. A son tour,
|
|
cette réaction libère des neutrons qui vont atteindre d'autres noyaux
|
|
d'uranium situés à proximité amorçant d'autres fissions et ainsi de
|
|
suite ..
|
|
|
|
Une réaction en chaîne non contrôlée, qui se produit avec une quantité
|
|
suffisamment importante de
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Combustible_nucl\%C3\%A9aire}{\emph{\emph{combustible
|
|
fissile}}}
|
|
(\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Masse_critique_(r\%C3\%A9action_nucl\%C3\%A9aire)}{\emph{\emph{masse
|
|
critique}}}) peut mener à une
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Explosion}{\emph{\emph{explosion}}}
|
|
d'\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/\%C3\%89nergie}{\emph{\emph{énergie}}},
|
|
c'est le principe d'une
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Bombe_A}{\emph{\emph{bombe
|
|
atomique}}}.
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
\emph{\textbf{Contrôle de la réaction en chaîne dans une centrale
|
|
nucléaire.}}
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
\includegraphics[width=8.327cm,height=5.385cm]{Pictures/10000001000000DA0000009916BD0968417286CD.png}Dans
|
|
une centrale nucléaire, la réaction en chaîne est contrôlée et utilisée
|
|
dans un
|
|
\href{https://fr.wikipedia.org/wiki/R\%C3\%A9acteur_nucl\%C3\%A9aire}{\emph{\emph{réacteur
|
|
nucléaire}}} pour produire de l'énergie.
|
|
|
|
Lorsqu'un réacteur fonctionne en régime stationnaire, la réaction en
|
|
chaine est contrôlée. Plus précisément, sur les 3 neutrons produits par
|
|
la réaction de fission, 2 seront capturés par des barres de contrôle.
|
|
Ces barres de contrôle sont des barres de cadmium, métal qui a la
|
|
propriété d'absorber les neutrons qui l'atteignent. Lorsque toutes les
|
|
barres de contrôle d'un réacteur sont abaissées, la réaction en chaine
|
|
s'arrête.
|
|
|
|
L'argumentation concernant l'utilisation des centrales nucléaires ne
|
|
sera pas traitée ici. Il s'agit d'un sujet complexe mais vous avez
|
|
toutes les informations scientifiques nécessaires à présent pour vous
|
|
comporter en citoyen averti et développer votre sens critique en vous
|
|
renseignant et documentant afin de vous forger un avis critique.
|
|
|
|
\emph{\textbf{Lire pages 207 à 214. }}
|
|
|
|
\emph{\textbf{Exercice 1}}
|
|
|
|
Ecrire les réactions nucléaires suivantes :
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
La désintégration du
|
|
\includegraphics[width=1.177cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 19}
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
La désintégration \textsuperscript{-} du
|
|
\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 20}
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
La désintégration \textsuperscript{+} du
|
|
\includegraphics[width=0.683cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 21}
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
L'émission du
|
|
\includegraphics[width=1.035cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 22}*
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
\emph{\textbf{Exercice 2}}
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
Combien de demi-vies doivent s'écouler pour que l'activité d'un
|
|
élément décroisse d'un facteur 256?
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
(Rép : 8 demi-vies)
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
Après 24 h, la radioactivité d'un élément tombe à 1/8 de sa valeur
|
|
initiale. Que vaut sa demi-vie?
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
(Rép : 8 h)
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\def\labelenumi{\alph{enumi})}
|
|
\tightlist
|
|
\item
|
|
L'activité d'un matériau contenant du
|
|
\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 23}
|
|
est réduite d'un facteur 6. Sachant que la demi-vie du
|
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\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 24}
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est de 5730 ans, combien de temps s'est il écoulé depuis la création
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de ce matériau?
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\end{enumerate}
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(Rép : 14783 ans)
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\emph{\textbf{Exercice 3}}
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On injecte 1 g
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d'\includegraphics[width=0.683cm,height=0.753cm]{./ObjectReplacements/Object 25}
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à un patient au cours d'une analyse médicale (scintigraphie). Après
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combien de temps n'y aura-t-il plus que 1\% de la dose initiale dans
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l'organisme si la demi-vie de
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l'\includegraphics[width=0.683cm,height=0.753cm]{./ObjectReplacements/Object 26}
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est de 8 jours?
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(Rép :53 jours)
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\emph{\textbf{Exercice 4}}
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\begin{enumerate}
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\def\labelenumi{\alph{enumi})}
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\tightlist
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\item
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Sachant que le soleil rayonne à chaque seconde une énergie de
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7.10\textsuperscript{26} J, calcule la perte de masse de cette étoile
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par seconde. (Rép : 7,8.10\textsuperscript{9} kg)
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\end{enumerate}
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\begin{enumerate}
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\def\labelenumi{\alph{enumi})}
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\tightlist
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\item
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En supposant que ce processus soit le seul et qu'il ait lieu de la
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même façon jusqu'à la disparition complète de l'astre, calcule le
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temps de vie théorique du soleil.
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\end{enumerate}
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La masse du soleil est de 2.10\textsuperscript{30} kg. (Rép :
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8,2.10\textsuperscript{12} années)
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\emph{\textbf{Exercice 5}}
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Calculer l'énergie de liaison d'un atome d'hélium
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\includegraphics[width=0.965cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 27}
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sachant que sa masse mesurée expérimentalement est de 4,00260 uma.
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(Rép : 1,13 pJ)
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\emph{\textbf{Exercice 6 (n° 21 page 216)}}
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\begin{enumerate}
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\def\labelenumi{\alph{enumi})}
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\tightlist
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\item
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Calculer le défaut de masse du néon 22 sachant que sa masse isotopique
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est de 21,99138 uma.
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\end{enumerate}
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(Rép : 0,31689.10\textsuperscript{-27} kg)
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\begin{enumerate}
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\def\labelenumi{\alph{enumi})}
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\tightlist
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\item
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Calculer son énergie de liaison par nucléon.
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\end{enumerate}
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(Rép : 1,3 pJ)
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\emph{\textbf{Exercice 7( page 206)}}
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Calculer l'énergie libérée lors de la désintégration radioactive de 1
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mole de
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\includegraphics[width=1.177cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 28},
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sachant que la masse mesurée des atomes est :
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m\includegraphics[width=1.177cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 29}
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= 226,02541 uma
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m\includegraphics[width=1.177cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 30}
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= 222,01758 uma
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|
m
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\includegraphics[width=0.988cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 31}
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= 4,00260 uma
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(Rép : 4,7.10\textsuperscript{11} J)
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\emph{\textbf{Exercice 8 ( page 204)}}
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Calculer la variation d'énergie produite lors de la réaction nucléaire
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de fission de 1 gramme d'uranium sachant que l'énergie de liaison par
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nucléon des isotopes suivants est :
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El/nucléon
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\includegraphics[width=0.917cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 32}
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= 1,40 pJ
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El/nucléon
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\includegraphics[width=1.106cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 33}
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= 1,35 pJ
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El/nucléon
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\includegraphics[width=0.917cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 34}
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= 1,22 pJ
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(Rép : 8,2.10\textsuperscript{10}J)
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\emph{\textbf{Exercice 9 (page 205)}}
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Calculer la variation d'énergie produite lors de la réaction nucléaire
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de fusion de 1 gramme de deutérium-tritium sachant que l'énergie de
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liaison par nucléon des isotopes suivants est :
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El/ nucléon
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\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 35}
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= 0,178 pJ
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El/nucléon
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\includegraphics[width=0.706cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 36}
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= 0,453 pJ
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El/nucléon
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\includegraphics[width=0.965cm,height=0.683cm]{./ObjectReplacements/Object 37}
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= 1,133 pJ
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(Rép : 3,4.10\textsuperscript{11} J)
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\includegraphics[width=19.473cm,height=26.859cm]{Pictures/1000000100000262000003488C6E86B2411A3EA3.png}
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\includegraphics[width=19.731cm,height=27.236cm]{Pictures/10000001000002620000034931F21BAF71411AAA.png}
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