Transformation nucléaire

Transformation nucléaire

De Becquerel à la fusion solaire : le noyau peut changer.

À la fin de ce chapitre, tu sauras :

distinguer transformations physique, chimique et nucléaire ; reconnaître des noyaux isotopes ;

écrire et équilibrer une équation de réaction nucléaire ; différencier fission et fusion ;

comparer qualitativement les énergies mises en jeu (centrale, Soleil).

Une découverte par hasard

En 1896, le physicien français Henri Becquerel dépose par hasard des sels d'uranium sur une plaque photographique soigneusement enfermée dans un châssis en bois. Surprise : la plaque est impressionnée, comme si elle avait été exposée à la lumière.

Conclusion : ces sels émettent un rayonnement invisible, capable de traverser le bois. C'est la naissance de la radioactivité.

Becquerel reçoit en 1903 le prix Nobel de physique avec Marie et Pierre Curie. Une belle illustration de la sérendipité : faire une découverte majeure sans la chercher.

Rappel : les isotopes

Isotopes Deux atomes sont isotopes si leurs noyaux ont le même numéro atomique Z mais un nombre de masse A différent. Autrement dit : même nombre de protons, nombre de neutrons différent.

Exemple, le carbone possède plusieurs isotopes :

^12_ 6C : 6 protons + 6 neutrons (stable, ≈ 99 % du carbone naturel)

^13_ 6C : 6 protons + 7 neutrons (stable, ≈ 1 %)

^14_ 6C : 6 protons + 8 neutrons (instable, sert à dater les fossiles)

Trois types de transformation

En physique-chimie, on distingue trois grandes familles de transformations selon ce qui change :

Type Ce qui change Exemple Physique État de la matière (les espèces sont conservées) H_2O (l) → H_2O (g) Chimique

Espèces chimiques (les éléments sont conservés) CH_4 + 2 O_2 → CO_2 + 2 H_2O Nucléaire

Composition des noyaux (les éléments chimiques eux-mêmes changent) ^14_ 6C → ^14_ 7N + ^ 0_-1e

Une transformation nucléaire change l'élément chimique : c'est la grande différence avec une transformation chimique.

Équation d'une réaction nucléaire

Une transformation nucléaire est modélisée par une réaction nucléaire dont l'équation s'écrit de manière générale :

^A_1_Z_1X + ^A_2_Z_2Y → ^A_3_Z_3W + ^A_4_Z_4V

Pour qu'elle soit valide, deux règles de conservation doivent être respectées :

Conservation des nucléons A_1 + A_2 = A_3 + A_4 Conservation de la charge Z_1 + Z_2 = Z_3 + Z_4

Les particules à connaître

Les réactions nucléaires font intervenir, en plus des noyaux, des particules élémentaires qu'on note avec la même convention ^A_ZX :

Particule Notation Proton +1 ^1_1p Neutron ^1_0n Électron −1 ^ 0_-1e Positron +1 ^0_1e

Exemple : désintégration du carbone 14

Le carbone 14, instable, se désintègre spontanément en azote 14 + un électron :

^14_ 6C → ^14_ 7N + ^ 0_-1e Vérification des conservations :

Nucléons : 14 = 14 + 0 ✓ Charges : 6 = 7 + (-1) ✓

La désintégration du ^14C est à la base de la datation au carbone 14 qu'utilisent archéologues et paléontologues.

Exemple : fission de l'uranium 235

Dans une centrale nucléaire, un noyau d'uranium 235 percuté par un neutron se casse en deux noyaux plus légers, en libérant 2 ou 3 neutrons :

^235_ 92U + ^1_0n → ^140_ 55Cs + ^93_37Rb + 3 ^1_0n Vérifications :

Nucléons : 235 + 1 = 140 + 93 + 3 ✓ Charges : 92 + 0 = 55 + 37 ✓

Les neutrons libérés peuvent à leur tour percuter d'autres noyaux d'uranium : c'est la réaction en chaîne, principe de fonctionnement des réacteurs.

Une énergie sans commune mesure

L'énergie libérée par une transformation nucléaire est colossale par rapport à une transformation chimique ou physique de masse comparable.

À masse égale (1 g) :

Liquéfaction d'eau (physique) ≈ 2 kJ Combustion de butane (chimique) ≈ 50 kJ Fission d'uranium 235 (nucléaire)

≈ 80 000 000 kJSoit environ 1,5 million de fois plus que la combustion. C'est ce qui rend les centrales nucléaires si puissantes, et les armes nucléaires si destructrices.

Deux applications majeures

Centrale nucléaire Fission contrôlée d'uranium 235. L'énergie libérée chauffe de l'eau qui produit de la vapeur ; la vapeur fait tourner une turbine couplée à un alternateur : énergie nucléaire → énergie électrique.

≈ 70 % de l'électricité française.

Le Soleil et les étoiles Fusion de noyaux d'hydrogène en hélium au cœur des étoiles. L'énergie libérée est convertie en rayonnements (lumière, chaleur) et maintient l'étoile à des millions de degrés.

Sans fusion stellaire, pas de Soleil, donc pas de vie sur Terre.

Fission vs fusion

Fission Un noyau lourd instable se casse en deux noyaux plus légers et quelques particules.

^235_ 92U + ^1_0n → ^139_ 54Xe + ^94_38Sr + 3 ^1_0n Application : centrales nucléaires.

Fusion Deux noyaux légers s'assemblent pour former un noyau plus lourd et quelques particules.

^2_1H + ^3_1H → ^4_2He + ^1_0n Source d'énergie des étoiles ; reproduite difficilement sur Terre (ITER).

Pourquoi est-ce si dur de reproduire la fusion sur Terre ?

Parce qu'il faut chauffer la matière à plusieurs millions de degrés pour que les noyaux, tous chargés positivement, se rapprochent assez malgré leur répulsion. Le projet international ITER (en France) tente d'y parvenir depuis les années 2000.

À retenir

3 types de transformations : physique (état), chimique (espèces), nucléaire (noyaux).

Une équation nucléaire respecte deux conservations : A et Z.

Fission : un noyau lourd se casse (centrales). Fusion : deux noyaux légers s'assemblent (étoiles).

L'énergie nucléaire libérée par gramme est ~ un million de fois celle d'une combustion.