1S. C1.1. Interactions fondamentales et réactions nucléaires

Les élèves doivent savoir
  • Connaître les ordres de grandeur des dimensions des différentes structures des édifices organisés.
  • Connaître l’ordre de grandeur des valeurs des masses d’un nucléon et de l’électron.
  • Savoir que toute charge électrique peut s’exprimer en fonction de la charge élémentaire e.
  • Associer, à chaque édifice organisé, la ou les interactions fondamentales prédominantes.
  • Utiliser la représentation symbolique AZX ; définir l’isotopie et Z reconnaître des isotopes.
  • Recueillir et exploiter des informations sur la découverte de la radioactivité naturelle et de la radioactivité artificielle.
  • Connaître la définition et des ordres de grandeur de l’activité exprimée en becquerel.
  • Utiliser les lois de conservation pour écrire l’équation d’une réaction nucléaire.
  • Utiliser la relation Elibérée = │∆m│c2.
  • Recueillir et exploiter des informations sur les réactions nucléaires (domaine médical, domaine énergétique, domaine astronomique, etc.).

Mise en situation

La recherche de la structure de la matière et des lois qui la régisse sont les quêtes qui a définissent la Science (avec un grand S) depuis l’antiquité. Depuis Démocrite qui définit la notion d’atome au VIe siècle avant notre ère jusqu’au CERN (centre européen de recherche nucléaire) de Genève qui possède sans doute l’une des plus grosses machines jamais construite par l’Homme au service de la découverte des plus petits éléments de la matière, en passant par les alchimistes du Moyen Age qui voulaient trouver un moyen de transformer le plomb en or, nos connaissances dans ce domaine n’ont cessé d’évoluer.

On pourrait croire qu’il y a une certaine prétention à chercher à découvrir les grandes lois de l’Univers. Certains disent même que c’est une perte de temps et d’argent. Pourtant cette quête est aussi à l’origine de découvertes majeures qui ont totalement changé nos vies. Sans revenir à des exemples trop anciens, comme les travaux des alchimistes qui sont à l’origine de la découverte de la porcelaine par Johann Friedrich Böttger au XVIIIe siècle, on peut penser aux apports du CERN à la fin du XXe siècle : Internet, le développement des moyens de stockage sur disque dur et SSD, sans compter les apports en physique comme la confirmation de la force electrofaible, du boson de Higgs, etc… Cela démontre bien que la recherche de ce qui constitue la matière et ses lois est une recherche fondamentale qui est aussi l’un des plus puissant moteur, avec la recherche spatiale, pour des découvertes qui auront des retombées nombreuses en physique appliquée.

Du noyau atomique aux galaxies : échelle et forces fondamentales

dimensionsunivers

La matière que nous connaissons au début du XXIe siècle est constituée d’une suite d’édifices de dimensions croissantes allant des particules fondamentales, les fermions, dont font partis les quarks qui se combinent entre eux pour former des hadrons, dont font partis les neutrons et les protons, à l’Univers observable qui s’étend en une bulle de plus de 13 milliards d’années lumières de diamètre (cf illustration ci-dessus).

Avec une telle variété de taille, on aurait pu penser que les forces qui régissent l’Univers étaient également très nombreuses et pourtant elles ne sont qu’au nombre de quatre : l’interaction gravitationnelle, l’interaction électromagnétique, l’interaction atomique forte et faible.

Interactions

Puissance relative

Rayon d’action

Dépendance à la distance

Gravitation

10-40

infini

1/r2

Electromagnétique

10-2

infini

1/r2

Faible

10-8

10-18 m

1/r5 à 1/r7

Forte

1

2,5.10-15 m

1/r7

Interaction gravitationnelle

TerreLune

L’interaction gravitationnelle est une interaction attractive qui agit entre particules, ou objets, possédant une masse. Sa portée est illimitée mais son intensité diminue avec le carré de la distance.

L’interaction gravitationnelle prédomine à l’échelle astronomique et aucun moyen ne permet de la neutraliser. A la même échelle que les autres interactions c’est toutefois une interaction très faible (voir le tableau ci-dessus). Cela ne l’empêche pas d’être à l’origine de nombreux phénomènes qui rythment notre vie de tous les jours, comme les marées, la rotation de la Lune autour de la Terre ou celle de la Terre autour du Soleil. C’est également elle qui nous maintient sur notre planète et qui rend tout décollage de vaisseau spatial compliqué.

Nous ne savons pas par quel moyen cette action s’exerce et l’hypothèse actuelle est qu’une particule nommée « graviton » serait à son origine. Mais cette particule reste à découvrir. Dans sa théorie de la relativité générale, le physicien Albert Einstein explique la gravitation comme une déformation de l’espace-temps qui est due à des corps massifs, comme les étoiles ou les planètes qui le déformeraient, à la manière dont une boule de pétanque déformerait une toile tendue sur laquelle elle serait posée. Les objets qui s’approchent d’un astre massif auraient alors tendance à « rouler » vers celui-ci, ce qui expliquerait l’attraction des corps (cf illustration ci-dessous).

gravitation

Interaction électromagnétique

L’interaction électromagnétique est l’interaction la plus forte à notre échelle, de l’échelle atomique à celle de l’homme. Elle peut être attractive ou répulsive et agit entre les objets électriquement chargés et a une portée infinie qui diminue avec le carré de la distance. Elle est à l’origine de l’éclairage, de l’électricité, du fonctionnement des aimants, etc… C’est donc un élément essentiel de notre vie, d’autant que c’est elle qui explique la cohésion des atomes (noyau positif, électrons négatifs).

Cette interaction est aussi celle dont nous nous servons pour partager des informations avec les ondes électromagnétiques : radio, télévision, téléphone cellulaire… Cette interaction est véhiculée par les photons. En physique des particules, elle a été unifiée avec l’interaction faible dans le cadre de la théorie électrofaible.

Dans le chapitre suivant nous verrons l’interaction électrostatique décrite par la loi de Coulomb et qui représente l’un des aspects de l’interaction électromagnétique.

Interactions « forte » et « faible »

Ces deux interactions s’exercent à l’échelle du noyau atomique. L’interaction forte assure la cohésion des noyaux d’atomes, en agissant entre les nucléons, malgré le fait qu’ils contiennent des particules de même charge, les protons, qui auraient tendance à se repousser en raison de l’interaction électromagnétique. Mais comme l’indique son nom, l’interaction forte est bien plus puissante que cette dernière. Cette interaction ne s’exerce toutefois qu’à des distances très courtes puisqu’elle diminue très fortement avec la distance (voir le tableau ci-dessus).

L’interaction faible s’exerce à une portée encore plus faible que l’interaction forte puisqu’elle est cantonnée à la taille des nucléons. Elle explique certains types de radioactivité.

Retour sur l’atome

Comme nous l’avons vu en seconde, l’atome est formé d’un noyau central autour duquel « tournent » des électrons qui constituent le cortège électronique. Les électrons portent une charge électrique négative.

Le noyau est positif et contient deux sortes de particules qui font partie de la famille des nucléons : les protons, positifs, et des neutrons, électriquement neutres (charge électrique nulle).

Un atome est toujours électriquement neutre : les charges portées par les électrons (négatives) doivent donc compenser les charges portées par les protons (positives).

La charge élémentaire d’un proton ou d’un électron a donc la même valeur absolue (au signe près) :  e = 1,60 × 10-19 C (Coulomb)

Voici les caractéristiques des particules de l’atome :

Se trouve dans Masse Charge électrique
Electron Cortège électronique 9,109 × 10-31 kg – 1,60 × 10-19 C

e

Proton Noyau 1,672 × 10-27 kg + 1,60 × 10-19 C

+ e

Neutron Noyau 1,675 × 10-27 kg 0

On constate que les masses du proton et du neutron sont très proches (de l’ordre de 10-27 kg) et bien supérieures à celle de l’électron (de l’ordre de 10-30 kg). Donc l’essentiel de la masse d’un atome sera concentré dans son noyau.

D’autre part, le noyau d’un atome a un diamètre de l’ordre 10-15 m alors que le diamètre d’un atome est de l’ordre de 10-10 m (environ 0,1 nm). Le noyau est donc environ 100 000 plus petit que l’atome. On en déduit qu’un atome est essentiellement constitué de vide. On dit donc que c’est une structure lacunaire.

Symbole et composition d’un atome

Chaque élément chimique est identifié par un symbole, comme vu en classe de 4e. Ces symboles se retrouvent dans la classification périodique des éléments et commencent toujours par une majuscule, éventuellement suivie d’une minuscule quand la première lettre a déjà été utilisée.

La classification périodique des éléments :

tableau periodique

Pour le noyau d’un atome, deux informations sont associées à chaque symbole d’atome :

  • Le numéro atomique, noté Z, situé en bas du symbole. Il sert à classer les éléments chimiques et représente le nombre de protons du noyau et, donc, le nombre d’électrons du cortège électronique puisque ces deux nombres sont identiques.
  • Le nombre de masse, noté A, est situé en haut du symbole, représente le nombre de nucléons du noyau, donc le nombre de proton + le nombre de neutrons.

On peut donc en déduire le nombre de neutrons, noté N, d’un atome par l’opération : N = A – Z

Le noyau d’un atome sera symbolisé de la façon suivante :

{}_{Z}^{A}X

Exemple : le noyau de l’atome d’oxygène porte le symbole {}_{8}^{16}O. Cet atome possède donc 8 protons (nombre du bas, Z) et 16 nucléons (neutrons+protons) (nombre du haut, A). Son nombre de neutrons est donc de N = 16 – 8 = 8 neutrons.

Plusieurs variétés d’atomes : les isotopes

En regardant la classification périodique des éléments ci-dessus, vous avez peut-être constaté que la masse molaire atomique d’un élément, situé au dessus du symbole de celui-ci, n’était pas toujours un nombre entier et ne correspond pas exactement au nombre de masse. C’est du au fait qu’un même élément chimique peut avoir plusieurs isotopes.

Les isotopes d’un élément chimique sont des atomes qui ont le même nombre de protons et, donc, d’électrons, mais pas le même nombre de neutrons.

Exemple : pour le carbone, il existe plusieurs isotopes :

{}_{6}^{12}C : aussi appelé carbone 12 est l’isotope le plus commun et représente 98,93 % des atomes de carbone. Il est stable, donc ne se modifie pas dans le temps. Il possède 6 neutrons dans son noyau.

{}_{6}^{13}C : aussi appelé carbone 13 est un isotope qui représente 1,07 % des atomes de carbone. Comme le carbone 12 il est stable mais possède 7 neutrons dans son noyau.

{}_{6}^{14}C : aussi appelé carbone 14 est un isotope présent à l’état de traces. Son noyau possède 8 neutrons et est radioactif. Comme il se décompose au cours du temps de façon régulière, on l’utilise pour la datation (datation au carbone 14).

Réaction nucléaire et radioactivité

De l’ensemble des éléments que nous venons de voir, on pourrait supposer que les atomes sont immuables et très stables, mais ce n’est pas vrai pour tous les atomes. En 1896, le physicien français Henri Becquerel découvre, par hasard en étudiant la phosphorescence, que les matériaux contenant de l’uranium étaient capable d’impressionner des plaques photographiques, comme les rayons X. Les travaux ultérieurs avec Pierre et Marie Curie ont montré que les rayonnements dus à l’uranium pouvaient se diviser en trois catégories, nommées rayons α, β et γ (alpha, béta et gamma).

Il se trouve que l’équilibre qui règne entre les nucléons (neutrons et protons), qui est du aux interactions électrostatiques, faibles et fortes, amène certains noyaux d’atome à être instables. Ces noyaux instables peuvent alors éjecter un noyau d’hélium, c’est le rayonnement α (alpha), un électron ou un positron (antiélectron positif), c’est le rayonnement β (béta + ou béta -) et ces types de désintégrations radioactives s’accompagnent de l’émission d’un rayonnement électromagnétique γ (gamma) et donc de photons.

radioactivite

La radioactivité naturelle est la désintégration radioactive d’un noyau père en un noyau fils avec émission d’un rayonnement électromagnétique γ et d’une particule.

Nous avons vu que le carbone, l’oxygène et bien d’autres éléments possèdent des isotopes instables, et donc susceptibles de se désintégrer spontanément. Même si cette désintégration est totalement aléatoire pour un atome donné, pour le nombre gigantesque d’atomes dont est fait un simple gramme de matière il est possible de déterminer « l’activité » qui représente le nombre de désintégration par seconde et qui s’exprime en becquerel (Bq).

L’activité dépendant de la quantité de matière, elle est généralement exprimée en becquerel par kilogramme (Bq/kg ou Bq.kg-1). Voici l’activité moyenne de quelques éléments de la vie quotidienne en France :

Matériau

Activité Massique (Bq.kg-1)

Eau de mer

12

Lait

50 à 80

Blé

140

Viande

90

Poisson

100 à 400

Corps Humain

110 à 140

Brique

600 à 1000

Granite

8000

Ce nombre, en soi, n’est pas suffisant pour déterminer la dangerosité d’une matière car celle-ci dépend de l’énergie et de la nature des particules émises.

Remarque : Pour mesurer la dangerosité d’une exposition à des substances radioactives, on utilise plusieurs unités différentes :

  • Grays (Gy) : il mesure l’énergie reçue par unité de masse en joule par kilogramme (donc 1 Gy = 1 J.kg-1). Anciennement on utilisait le rad (1 Gy= 100 rad). On peut aussi mesurer le rayonnement absorbé par unité de temps en grays par seconde.
  • Sivert (Sv) : il mesure le rayonnement pondéré en fonction de sa nocivité. On l’utilise aussi pour déterminer la dose efficace qui rend compte du risque d’apparition d’un cancer.

Réactions nucléaires provoquées

Peu de temps après la découverte de la radioactivité et de son fonctionnement, un grand nombre de scientifiques du monde entier se sont mis à chercher des applications pratiques à ces réactions. Le dégagement d’énergie semblait prometteur et au milieu du XXe siècle deux types de réactions nucléaires ont pu être provoquées et maitrisées par l’homme : la fission atomique de noyaux lourds puis, une dizaine d’années plus tard, la fusion de noyaux légers.

La fission atomique est une réaction provoquée par l’envoi d’un neutron rapide sur un noyau d’atome lourd fissile, comme l’uranium 235 ({}_{92}^{235}U) ou le plutonium 239 ({}_{94}^{239}Pu). Cette réaction produit de nouveaux neutrons qui vont, à leur tour, déclencher de nouvelles fissions : c’est la réaction en chaine qui libère une forte énergie sous la forme d’un rayonnement électromagnétique γ (gamma). Après son première usage comme bombe atomique, utilisé deux fois sur les villes japonaises d’Hiroshima et de Nagasaki en 1945, cette réaction est aujourd’hui celle qui permet de faire fonctionner les centrales nucléaires.

Il est à noter que cette réaction peut se produire spontanément sur Terre, comme l’ont découvert les géologues qui ont analysé d’anciens réacteurs nucléaires naturels comme celui d’Oklo au Gabon.

fission

Fission d’un noyau d’uranium 235

La fusion est une réaction nucléaire dans laquelle deux noyaux légers, possédant une forte énergie, s’associent pour former un noyau plus lourd et libère une forte énergie sous la forme d’un rayonnement électromagnétique γ (gamma).

La fusion est la réaction nucléaire qui se produit dans les étoiles où les pressions et les températures sont suffisamment élevées pour vaincre les forces de répulsions électromagnétiques et forcer les noyaux atomiques à fusionner. Cette réaction va alors y produire une énergie phénoménale (15 millions de degrés au coeur du Soleil par exemple), entretenir les fusions nucléaires et produire de nouveaux éléments chimiques.

Sur Terre l’homme ne maitrise pas encore totalement cette réaction et ne l’utilise que pour la création de bombes dites « à hydrogène » pour le moment alors que la recherche continue, notamment avec le projet ITER dans le sud de la France, pour l’utiliser dans des réacteurs afin de produire de l’énergie « propre » (pas de déchets radioactifs).

fusion

Réaction de fusion entre le deutérium (A=2) et le tritium (A=3), deux isotopes de l’hydrogène

Equations de réactions nucléaires

Une réaction nucléaire n’est pas une réaction chimique et il n’y a pas de conservation des éléments chimiques ! En revanche elle respecte la loi de conservation de Soddy :

  • Il y a conservation du nombre de masse
  • Il y a conservation du nombre de charge

En revanche il n’y a pas conservation de la matière !!

Lorsqu’on écrit une équation de réaction nucléaire on va intégrer tous les éléments possédantsune masse (noyaux d’atomes, électrons, positons – électrons positifs – et neutrons) mais pas les photons qui sont dissipés sous la forme de rayonnement γ (gamma) et qui résulte de la transformation d’une partie de la masse sous forme d’énergie (voir plus loin).

Voici quelques exemples d’écritures de réactions nucléaires. Pour vérifier que l’écriture est correcte il suffit de totaliser les nombres de masse et de charge de part et d’autre de l’équation pour vérifier qu’elle est égale (voir sous les équations) :

 rections-nucleaires

Energie libérée par une réaction nucléaire

Tout le monde connaît la célèbre équation d’Albert Einstein qui définit la quantité d’énergie libérée par la perte de masse lors d’une réaction nucléaire, le fameux E=m×c2 dont la validité a été prouvée par les travaux des chimistes allemands Lisa Meitner et Otto Hahn à l’aube de la seconde guerre mondiale. Cette équation devrait toutefois être exprimée sous sa forme originale non ‘vulgarisée’ :

elibere

Unités :

  • Elibérée : Energie libérée en Joule (J)
  • Δm : perte de masse entre les réactifs et les produits en kilogramme (kg)
  • c : célérité de la lumière dans le vide en mètre par seconde (m.s-1)

Exemple d’application :
Calculer l’énergie libérée par la fusion du deutérium contenue dans un litre d’eau de mer, dont la concentration massique en deutérium est de 33 g.m
-3.

exercice-energie

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