NOYAUX, MASSE, ENERGIE

1- EQUIVALENCE MASSE-ENERGIE

1-1 Unités usuelles de masse et d'énergie en physique nucléaire

- Dans le système international d'unités la masse s'exprime en kilogramme (kg) et l'énergie s'exprime en joule (J).

- En physique nucléaire, on utilise fréquemment, comme unité de masse, l'unité de masse atomique (u) avec :

1 u = 1,6605402 ´ 10 - 27 kg (1)

La masse du proton et celle du neutron sont :

mp = 1,00727 u et mn = 1,00867 u

- En physique nucléaire, on utilise fréquemment, comme unité d'énergie, l'électronvolt (eV), avec :

1 eV = 1,60 ´ 10 - 19 J (2)

1 MeV = 1,60 ´ 10 - 13 J (3)

Exercice

Enoncé : Montrer que l'électronvolt est bien une unité d'énergie.

Solution :

L'électronvolt est, comme son nom l'indique, une unité associée à la grandeur Q.U (produit d'une quantité d'électricité Q par une tension U).

Rappelons, tout d'abord, que Q = I.t et que W = U.I.t avec I qui désigne la grandeur intensité électrique, t qui désigne la grandeur temps et W qui désigne la grandeur énergie.

Nous avons respectivement (dim devant se lire dimension de) :

(4) dim [ Q.U ] = dim [ Q ] . dim [ U ] = dim [ I.t ] . dim [ W / I.t ] = dim [ I.t .W / I.t ] = dim [ W ]

La produit Q.U a bien les dimensions d'une énergie W.

Remarque :

1 eV = 1 ´ 1,600217733 ´ 10 - 19 C V

1 eV = 1,600217733 ´ 10 - 19 J

Soit avec une bonne précision :

1 eV = 1,60 ´ 10 - 19 J (2)

1-2 Relation d'équivalence entre la masse et l'énergie

En 1905, Einstein pose les bases d'une théorie qui devait révolutionner la science : la théorie de relativité. Cette théorie bouleversa les conceptions sur l'espace et le temps et formula l'équivalence de la masse et de l'énergie.

Toute particule, même au repos, possède, du seul fait de sa masse m, de l'énergie Eo, appelée énergie de masse, donnée par le relation :

Eo = m ´ c² (5) - c représente la célérité de la lumière dans le vide

Eo est en joule (J) - m est en kilogramme (kg) - c est en mètre par seconde (m / s)

Remarque : Si la particule est en mouvement par rapport au référentiel terrestre, alors son énergie totale E est la somme de son énergie de masse m ´ c² et de son énergie cinétique Ec :

E = m ´ c² + Ec (6)

2- DEFAUT DE MASSE ET ENERGIE DE LIAISON D'UN NOYAU

2-1 Défaut de masse d'un noyau

· Exemple : défaut de masse du noyau de lithium

Un noyau de lithium est constitué de Z = 3 protons et de N = A - Z = 7 - 3 = 4 neutrons.

La masse de ce noyau formé est :

m ( ) = 7,01435 u (7) (voir ci-dessus)

La masse de ses 7 nucléons, séparés, au repos, est :

m ( 7 nucléons séparés ) = 3 mp + 4 mn = 3 ´ 1,00727 + 4 ´ 1,00867

m ( 7 nucléons séparés ) = 7,05647 u ( Cool

Les relations (7) et ( Cool

montrent que la masse du noyau formé, au repos, est inférieure à la masse des nucléons séparés et au repos.

Le défaut de masse du noyau de lithium est :

Dm = m ( 7 nucléons séparés ) - m ( ) = 7,05647 - 7,01435

Dm = 0,04212 u = 4,212 ´ 10 - 2 u (9)

· Cas général : défaut de masse du noyau

Définition : On appelle défaut de masse d'un noyau la différence entre la masse totale des A nucléons séparés (Z protons et N neutrons), au repos et la masse du noyau formé, au repos.

Dans le cas général d'un nucléide , le défaut de masse est :

Dm = m ( A nucléons séparés ) - m () = [ Z mp + (A - Z) mn ] - m () (10)

2-2 Energie de liaison d'un noyau

· Exemple : énergie de liaison du noyau de lithium

Imaginons la transformation suivante :

- Dans l'état initial le noyau de lithium est au repos dans le référentiel terrestre. Son énergie de masse initiale est :

m ( ) ´ c² (11)

- Dans l'état final on a les 7 nucléons isolés, au repos dans le référentiel terrestre. Leur énergie de masse finale est :

m ( 7 nucléons séparés ) ´ c² (12)

- L'énergie de liaison EL du noyau de lithium est l'énergie qu'il faut fournir à ce noyau au repos pour le dissocier en ses 7 nucléons isolés :

m ( ) ´ c² + EL = m ( 7 nucléons isolés, au repos) ´ c²

EL = [ m ( 7 nucléons isolés, au repos) - m ( ) ] ´ c² (13)

EL = Dm ´ c² (14)

Mais, on sait que :

(9) Dm = 4,212 ´ 10 - 2 u = 4,212 ´ 10 - 2 ´ 1,660 ´ 10 - 27 = 6,995 ´ 10 - 29 kg

(15) c = 2,998 ´ 10 - 8 m / s

Portons ces valeurs dans la relation (14) :

EL = Dm ´ c² = 6,995 . 10 - 29 ´ ( 2,998 . 10 8 ) 2 = 6,287 ´ 10 - 12 J (14 bis)

En physique nucléaire, on emploie souvent le MeV pour unité d'énergie. On sait que 1 MeV = 1,60 ´ 10 - 13 J (3)

EL = 6,287 ´ 10 - 12 J = 39,3 MeV (16)

· Cas général : énergie de liaison du noyau

Définition : L'énergie de liaison EL du noyau est l'énergie qu'il faut fournir à ce noyau au repos pour le dissocier en ses A nucléons isolés, également au repos :

EL + m () ´ c² = m ( A nucléons séparés ) ´ c² (17)

EL = m ( A nucléons séparés ) ´ c² - m () ´ c²

EL = [ m ( A nucléons séparés ) - m () ] ´ c²

Utilisons la relation (10) Dm = m ( A nucléons séparés ) - m ()

EL = Dm ´ c² = [ Z mp + (A - Z) mn ] ´ c² - m () ´ c² (18)

2-3 Energie de liaison par nucléon EL / A. Courbe d'Aston - EL / A = f (A)

· Exemple : énergie de liaison par nucléon du noyau de lithium

Nous venons de voir ci-dessus que l'énergie de liaisons des 7 nucléons du noyau de lithium est :

EL = 6,287 ´ 10 - 12 J = 39,3 MeV (16)

L'énergie de liaison moyenne par nucléon d'un noyau de lithium est :

EL / A = 39,3 / 7 = 5,61 MeV / nucléon (19)

· Cas général : énergie de liaison par nucléon du noyau

L'énergie de liaison d'un noyau (Z protons, A nucléons) est EL.

L'énergie de liaison moyenne par nucléon d'un noyau est EL/ A (20).

· Stabilité d'un noyau : Un noyau est d'autant plus stable que son énergie moyenne par nucléon est grande.

L'énergie de liaison d'un noyau d'oxygène 16 est de 126 MeV, celle du noyau d'uranium 238 est de 1802 MeV.

Pour comparer leur stabilité il faut calculer l'énergie de liaison moyenne par nucléon.

On trouve :

EL/ A = 126 / 16 = 7,88 MeV par nucléon (21) pour

EL/ A = 1802 / 238 = 7,57 MeV parnucléon (22) pour

L'oxygène 16 est donc plus stable que l'uranium 238.

· Courbe d'Aston - EL / A = f (A)

La courbe d'Aston représente le graphe associé à - EL / A = f (A). Les noyaux les plus stables sont au bas du graphe.

Cette courbe montre que des noyaux possédant des énergies de liaison par nucléon relativement faibles (A petit ou A grand) peuvent se transformer en des noyaux plus stables (A moyen) en libérant de l'énergie.

Cela peut se produire par la fusion de noyaux légers, comme le deutérium , le tritium, etc, ou par la fission de noyaux lourds comme, par exemple, l'uranium. Etudions ces deux types de réactions nucléaires provoquées.

3- LA FISSION DES NOYAUX LOURDS

· Définition

La fission est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle un noyau lourd se scinde généralement en deux noyaux moyens, sous l'impact d'un neutron. La réaction se fait avec perte de masse et dégagement d'énergie.

· Exemple

Un noyau d'uranium 235 peut subir la fission. On dit qu'il est fissile. Une des réactions possibles s'écrit :

+ + + ... (23)

Il est aisé en écrivant la loi de conservation du nombre de nucléons de déterminer le nombre y de neutrons rapides formés :

235 + 1 = 90 + 142 + y

y = 4

L'équation de la réaction de fission (23) s'écrit donc :

+ + + 4 (24)

Les neutrons produits sont rapides. Après ralentissement, ils sont susceptibles de provoquer des réactions de fission en chaîne car le nombre de neutrons produits est, ici, plus grand que le nombre de neutrons consommés .

D'autres réactions de fission seront étudiées en exercices.

· Applications des réactions de fission en chaîne

La fission nucléaire non contrôlée est utilisée dans les armes redoutables que représentent les bombes A. Dans les réacteurs nucléaires, la fission est contrôlée et le dégagement d'énergie est progressif. La France utilise près d'une soixantaine de réacteurs produisant de l'énergie électrique. Les déchets sont radioactifs et posent de sérieux problèmes de stockage.

4- LA FUSION DES NOYAUX LEGERS

· Définition

La fusion est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle deux noyaux légers s'associent pour former un noyau plus lourd. La réaction se fait avec perte de masse et dégagement d'énergie.

Voir un exemple dans l'exercice proposé ci-dessous.

· Exemple

La réaction de fusion entre le deutérium et le tritium s'écrit :

+ ... + (25)

ou encore :

+ + (26)

Il est aisé en écrivant les lois de conservation du nombre de protons et du nombre de nucléons de déterminer Z et A du nucléide formé :

1 + 1 = Z + 0 qui donne Z = 2. Le noyau formé est donc un noyau d'Hélium He, caractérisé par Z = 2.

2 + 3 = A + 1 qui donne A = 4

L'équation de la réaction de fusion (26) s'écrit donc :

+ + (27)

· Applications

Des réactions de fusion non contrôlées nucléaire ont lieu dans les étoiles (le Soleil est une étoile).

Sur Terre, les bombes H, encore plus destructrices que les bombes A, font intervenir la fusion nucléaire.

Les chercheurs essaient de contrôler les réactions de fusion afin de réaliser des réacteurs produisant de l'énergie électrique. Comme la température doit atteindre des millions de degrés le problème n'est pas facile à résoudre. Une étape importante de ces recherches devrait être franchie au Centre d'études nucléaire de Cadarache (Bouches du Rhône) dans les années à venir (projet ITER).

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