Énergie nucléaire : Réactions spontanées ; fission et fusion
Exercice 1
La fusion nucléaire constitue le mécanisme à l'origine du rayonnement des étoiles et en particulier du
Soleil.
En effet, au sein des étoiles, les noyaux légers fusionnent et produisent des noyaux plus lourds.
Au cours de cette réaction de fusion, la masse du noyau produit est inférieure à la somme des masses des noyaux légers d'origine.
La différence de masse, en vertu de la célèbre relation d'Einstein est alors
convertie en énergie.
On estime ainsi que, dans le Soleil, pas loin de $600$ millions de tonnes d'hydrogène sont transformés en $596$ millions de tonnes d'hélium chaque seconde.
La différence est alors convertie en
énergie et est à l'origine de la chaleur et de la lumière que nous recevons.
Bien que l'énergie libérée par la fusion nucléaire soit considérable, les réactions de fusion ne se produisent
pas spontanément, du moins dans les conditions de température et de pression auxquelles nous sommes habitués.
Ainsi, la probabilité d'observer une réaction de fusion entre deux noyaux d'hydrogène à la surface de la terre est quasiment nulle.
En effet, pour fusionner, les noyaux, qui sont chargés positivement, doivent d'abord vaincre leur tendance naturelle à se repousser.
Ceci est possible lorsque la matière est dans des conditions extrêmes comme au cœur du Soleil (pression énorme et température de plusieurs millions de degrés)
1. Donner un titre à ce texte
2. Définir les termes soulignés du texte
3. Quels sont les noyaux concernés par la fusion nucléaire ?
4. La fusion nucléaire correspond à quel type de réaction nucléaire.
5. Quelle formule traduit l'apparition de cette énergie ?
6. Pourquoi la probabilité d'observer une réaction de fusion entre deux noyaux d'hydrogène à la surface de la terre est quasiment nulle ?
Exercice 2
La radioactivité est le phénomène physique par lequel des noyaux atomiques instables (dits radionucléides ou radioisotopes) se transforment spontanément en d'autres atomes (désintégration) en émettant simultanément des particules de matière (électrons, noyaux d'hélium, neutrons, etc.) et de l'énergie (photons et énergie cinétique).
La radioactivité a été découverte en $1896$ par Henri Becquerel dans le cas de l'uranium, et très vite confirmée par Pierre et Marie Curie pour le radium.
C'est cette dernière qui introduit à cette occasion les termes de radioactivité et radioélément.
L'émission de particules matérielles et immatérielles est appelée rayonnement, et l'énergie des particules est suffisante pour entraîner l'ionisation de la matière traversée, d'où le nom de rayonnements ionisants.
On distingue classiquement les rayons $\alpha$ constitués de noyaux d'hélium (également appelés particules $\alpha$), les rayons $\beta$ constitués d'électrons ou de positons (particules β) et les rayons γ constitués de photons, auxquels il faut ajouter les neutrons qui dérivent des fissions spontanées.
Les effets sur un organisme vivant d'une exposition aux rayonnements ionisants (irradiation) dépendent du niveau et de la durée de l'exposition (aiguë ou chronique), de la nature du rayonnement ainsi que de la localisation de la radioactivité (exposition externe, interne, en surface, etc.).
Les rayonnements provenant de substances radioactives sont largement utilisés dans l'industrie pour le contrôle de pièces manufacturées, les soudures, l'usure, et en médecine nucléaire à des fins de diagnostic à faible dose, et à des fins thérapeutiques à forte dose pour soigner les cancers.
Lors des différents usages de la radioactivité, il convient naturellement de suivre les mesures de prévention, de protection et de contrôle adaptées au niveau de radioactivité.
1. Donner un titre à ce texte
2. Définir les termes soulignés
3. Donner les deux autres noms de radioélément
4. Citer les différents types de radioactivité et les définir
5. Préciser les particules émises au cours de ces radioactivités
6. Citer les applications de la radioactivité
7. Pourquoi faut-il prendre des précautions lors des différents usages de la radioactivité ?
Exercice 3
En médecine, depuis la découverte du radium par Pierre et Marie Curie, diverses applications de la radioactivité ont progressivement été développées, définissant notamment aujourd'hui le domaine de la médecine nucléaire.
L'une de ces applications est l'utilisation de traceurs radioactifs, c'est-à-dire de particules radioactives que l'on injecte à un patient et qui ont été préparées spécifiquement pour qu'elles se fixent sur des zones particulières (des tumeurs par exemple).
Ainsi, on peut détecter les rayonnements émis au cours de la désintégration radioactive et s'en servir pour faire de l'imagerie médicale (scintigraphie, tomographie par émission de positrons).
Une autre application est de se servir des rayonnements émis par ces noyaux radioactifs pour détruire certains tissus (comme des cellules cancéreuses) : il s'agit de la radiothérapie.
Il existe bien entendu de nombreuses normes quant à l'utilisation de la radioactivité en médecine.
En effet, il faut limiter la durée d'exposition à des éléments radioactifs, et pour le personnel de radiologie par exemple qui doit y faire face toute l'année, ils sont munis de protections adaptées (salle à part pendant la radio, écrans de protection etc.)
1. Donner un titre à ce texte
2. Définir les termes soulignés
3. Citer les différentes applications de la radioactivité
Exercice 4
Selon leur énergie de liaison par nucléon, certains noyaux sont stables et gardent indéfiniment la même composition.
D’autres sont instables et se transforment spontanément en émettant un rayonnement.
Ces noyaux sont dits radioactifs.
On parlera alors de réactions nucléaires spontanées du fait que ces transformations nucléaires se produisent sans intervention d'agent extérieur.
Il est possible également de provoquer la transformation d'un ou de plusieurs noyaux, relativement stables en d'autres noyaux. On parlera alors de réaction nucléaire provoquée.
Pour le grand public, le nucléaire est un mot qui symbolise le progrès scientifique et technologique d'un pays.
Mais, il est aussi synonyme de danger, source de méfiance et porteur d'inquiétude.
Pourtant, l'explication des processus mis en jeu est relativement simple.
1. Donner un titre à ce texte
2. Définir les termes soulignés
3. Citer les différents types de réactions nucléaires spontanées
4. Préciser les réactions nucléaires provoquées
5. Quels sont les avantages du nucléaire ?
6. Pourquoi le nucléaire est-il source de méfiance et porteur d'inquiétude ?
Exercice 5
1. Quand dit-on que deux atomes (ou deux nucléides) sont isotopes ?
2. Remplir le tableau suivant. Ces deux nucléides (noyaux) sont-ils isotopes ?
Justifier.
$\begin{array}{|c|c|c|c|} \hline\text{Représentation de }&\text{Nombre de }&\text{Nombre de }&\text{Nombre de }\\\text{deux noyaux d'atome de carbane }&\text{nucléon }A&\text{de proton }Z&\text{neutron }N\\\hline _{6}^{12}C&&&\\ \hline _{6}^{14}C&&&\\ \hline \end{array}$
Exercice 6
A. Mettre une croix sur la bonne réponse
2.1. L'énergie de liaison par nucléon est la plus grande dans un noyau :
a. d'hélium
b. de fer $56$
c. d'uranium $235$
2.2. Une réaction de fission produit moins de neutrons qu'elle n'en consomme.
a. vrai
b. faux
2.3. Le $MeV$ est une unité :
a. d'activité
b. de masse
c. d'énergie
2.4. L'énergie de liaison par nucléon est exactement la même pour deux isotopes d'un même élément.
a. vrai
b. faux
B. Compléter les phrases suivantes :
2.5. L'atome d'uranium $_{92}^{235}U$ est formé de $92$ protons, de $\ldots\ldots\ldots$ neutrons e de $92\ldots$
2.6. Lors de la désintégration $\beta$ du noyau $_{z}^{A}X$, le nombre de masse du $\ldots\ldots$ est A, son $\ldots\ldots$ est $Z+1$
2.7. La période radioactive est la $\ldots\ldots$ au bout de laquelle la $\ldots\ldots\ldots$ des noyaux radioactifs initialement présents s'est désintégrée
Exercice 7
Choisir la ou les bonne $(s)$ réponse $(s)$
1. La radioactivité fut découverte en $1896$ par :
a. Wilhelm Röntgen
b. Henri Becquerel
c. Pierre Curie
d. Marie Curie
2. Qu'a découvert Marie Curie ?
a. Le radium
b. Le plutonium
c. L'uranium
d. Le curium
3. Cocher les affirmations exactes
a. Un noyau radioactif a une probabilité plus importante de se désintégrer au fur et à mesure que le temps passe
b. La radioactivité est un phénomène spontané
c. La désintégration du noyau est aléatoire
d. L'argon $40$ et le potassium $40$ sont isotopes
4. À $t=0$, un échantillon contient $N$ noyaux radioactifs de demi-vie $=30\,min$ Que peut-on dire de l'échantillon au bout d'$1\,h30\,min$ ?
a. Il reste $1/3$ des noyaux de la population initiale
b. $1/8eme$ des noyaux se sont désintégrés
c. Il reste $/8ème$ de la population initiale
d. $/3$ des noyaux se sont désintégrés
5. Dans le Système International, l'activité d'une source radioactive se mesure en :
a. Becquerel
b. Curie
c. Seconde
d. Sievert
6. Une désintégration radioactive :
a. est spontanée
b. est une réaction nucléaire
c. est une réaction chimique
7. Lors d'une réaction nucléaire spontanée :
a. un noyau père se désintègre
b. un noyau fils se désintègre
c. un rayonnement électromagnétique est émis
8. Un échantillon a une radioactivité de 480 Bq.
Le nombre de noyaux désintégrés en une minute est :
a. $8$
b. $28800$
c. $1728000$
9. Lors d'une réaction de fusion :
a. deux noyaux légers forment un noyau plus lourd
b. un noyau lourd donne deux noyaux légers
c. de l'énergie est libérée
10. Lors d'une réaction de fission :
a. deux noyaux légers forment un noyau plus lourd
b. un noyau lourd donne deux noyaux légers
c. de l'énergie est libérée
11. Les transformations nucléaires obéissent toujours aux lois suivantes :
a. conservation de la masse
b. conservation du nombre de charge et du nombre de masse
c. conservation du nombre de protons et du nombre de neutrons
12. Le phosphore $30_{14}^{30}P$ , est radioactif $\beta^{+}$ (la particule émise est un positon).
Le noyau résultant de sa désintégration est :
a. Le silicium $30_{14}^{30}$ Si
b. Le phophore $29_{15}^{29}P$
c. Le soufre $30_{15}^{30}S$
13. La réaction nucléaire d'équation :