Transformations nucléaires STE

Transformation chimique vs transformation nucléaire Alors que les transformations chimiques impliquent le comportement des électrons des atomes, les transformations nucléaires sont des transformations qui modifient la structure de leur noyau. Il y a donc réarrangement des particules qui composent le noyau des atomes et formation de nouveaux éléments. Le nombre de nucléons est modifié lors d’une réaction nucléaire.

Énergie chimique vs énergie nucléaire Puisque les noyaux des atomes renferment une grande quantité d’énergie, les réactions nucléaires dégagent des quantités colossales d’énergie, sans commune mesure avec les transformations chimiques. En théorie, la réaction nucléaire de 1 kg d’uranium pourrait libérer autant d’énergie que la combustion (une transformation chimique) de 2,5 millions de kg de charbon. Avec la technologie utilisée de nos jours, on parle plutôt de 20 000 kg de charbon pour 1 kg d’uranium.

Comparaison des valeurs énergétiques Combustible (1 tonne) Énergie (tep) Énergie (J) Énergie (kWh) pétrole 1 4,19 x 1010 11 630 bois 0,32 1,35 x 1010 3 721 charbon 0,7 2,93 x 1010 8141 uranium 13 000 5,44 x 1014 151 190 000 * Les valeurs sont approximatives * Entre 10 000 et 16 000 tep (tonne équivalent pétrole) pour l’uranium

Forces en jeu dans le noyau Trois types de forces entrent en compétition dans le noyau. La principale est la force nucléaire forte qui assure la cohésion des noyaux car est attractive. Elle est responsable aussi de la radioactivité alpha. La seconde, appelée force électromagnétique, est répulsive mais moins intense. La troisième force est appelée force nucléaire faible. Ni attractive, ni répulsive, elle agit à l’intérieur même des nucléons. Elle transforme une espèce de nucléon (proton ou neutron) dans l’autre espèce et vice-versa, provoquant la radioactivité bêta. La stabilité ou l'instabilité d'un noyau sont le résultat de la compétition entre ces trois interactions. Source: http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/Forces_Nucleaires.htm

La force nucléaire forte À grande distance, et ici cela signifie des distances de l'ordre de 10-10 m à 10-14 m, la force de répulsion coulombienne gouverne l'interaction entre ces protons chargés. À très courte distance, de l'ordre de 10-15 m, apparait une force nucléaire forte d'attraction proton − proton et proton − neutron, nettement supérieures aux forces de répulsion coulombiennes.

La stabilité nucléaire La force qui lie ensemble les nucléons se nomme la force nucléaire. La stabilité nucléaire correspond à l’état d’un noyau atomique dans lequel la force nucléaire est supérieure aux forces de répulsion électrique entre les protons. La stabilité du noyau dépend de 2 facteurs… Sa taille Le nombre de neutrons qu’il contient

Dans les atomes légers, le nombre de neutrons équivaut approximativement au nombre de protons (rapport n:p = 1:1). À mesure que le numéro atomique d’un atome croît, le nombre de neutrons doit augmenter plus rapidement pour assurer la stabilité du noyau (le rapport n:p tend vers 1,5:1). Cependant, parce que la force nucléaire n’agit que sur une courte distance, la cohésion du noyau est difficile à maintenir lorsque les nucléons deviennent nombreux et que le noyau grossit. Pour cette raison les noyaux des éléments dont le numéro atomique dépasse 83 sont tous instables; ils ont tendance à se désintégrer pour former d’autres éléments plus petits (on dit qu’ils sont « radioactifs »).

La radioactivité

La radioactivité C’est un processus naturel au cours duquel un atome instable se transforme spontanément en 1 ou plusieurs atomes plus stables, tout en émettant des rayonnements radioactifs et de l’énergie Une partie de la masse de ces noyaux instables est transformée en énergie lors de cette transformation (E = mc2)

http://www.edumedia-sciences.com/fr/a59-fission-nucleaire http://www.youtube.com/watch?v=0XGS3vDDIHA http://encyclopedie-electricite.edf.com/transversal/media_nuc/nuc_anim_01.html http://www.educationscotland.gov.uk/highersciences/physics/animation/hadrons.asp

3 types de rayonnements 1. Le rayon alpha (α) ou particule alpha Cette particule est un noyau d’hélium C’est une particule qui possède donc une masse en plus d’une charge positive de 2+

2. Le rayon bêta (β) 3. Le rayon gamma (γ) C’est un électron, donc une particule négative qui possède une masse en plus de sa charge de 1-. 3. Le rayon gamma (γ) C’est une onde électromagnétique de grande énergie, donc sans charge, ni masse.

Voir OBS p 126-127 pour description des particules

La désintégration alpha Elle se produit lorsqu’un noyau d’atome instable éjecte une particule alpha. Elle produit un noyau qui contient 4 nucléons de moins (2 protons et 2 neutrons).

Le rayonnement bêta Il est causé par la transformation d’un neutron en proton au sein d’un noyau instable. Un électron est éjecté lors de ce processus (rayon bêta). Le carbone 14 se transforme en azote 14 lors d’une désintégration bêta. 14 𝐶 (6p+ et 8n0) → 14 𝑁 (7p+ et 7n0) + 1é + É VOIR p 138

Formation du plutonium

Pouvoir de pénétration des rayonnements radioactifs

La demi-vie Il est impossible de prédire le moment précis où un atome instable va se désintégrer. On peut par contre prévoir le temps nécessaire pour que la moitié d’une quantité donnée de matière radioactive se désintègre; c’est sa demi-vie. P 128-129 OBS

Demi-vie de quelques isotopes radioactifs Iode 131 8,0207 jours Cobalt 60 5,2714 ans Krypton 85 10,76 ans Strontium 90 28,78 ans Radium 226 1 602 ans Carbone 14 5730 ans Plutonium 239 24 110 ans Iode 129 17,7 x 107 ans Uranium 238 4,5 x 109 ans Source: Wikipedia

Les deux types de transformations nucléaires On parvient à provoquer des réactions nucléaires en bombardant des noyaux atomiques avec des particules ou d’autres noyaux se déplaçant à grande vitesse La fission nucléaire et la fusion nucléaire

La fission nucléaire Cette réaction consiste à briser le noyau d’un gros atome pour former 2 ou plusieurs noyaux d’atomes plus légers

La fusion nucléaire La fusion nucléaire consiste à fusionner 2 petits noyaux d’atomes pour en former un plus lourd. Le soleil transforme 600 millions de tonnes d'hydrogène en hélium toutes les secondes. http://www.planete-energies.com/fr/l-energie-demain/les-voies-du-futur/la-fusion-nucleaire/la-fusion-nucleaire-comment-ca-marche-295.html infos sur la fusion Avantages de la fusion Le rendement énergétique de la fusion est très supérieur à celui de la fission Elle génère moins de déchets radioactifs

Pour le plaisir http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/radioactivite/le-reacteur-a-eau-pressurisee plusieurs animations flash sur la radioactivité http://www.youtube.com/watch?v=lKH-vLONLKU 7 min http://www.dailymotion.com/video/xjxb0s_explique-moi-l-energie-l-energie-nucleaire_tech daily motion 12 minutes (à voir à la maison)

https://www.youtube.com/watch?v=hpLQUKhFXwE 47 min centrale fukushima https://www.youtube.com/watch?v=qwJRBxK7k5Y fukushima 54 min