Essentiel à retenir : nucléaire /
compétences exigibles bac S
Chapitre 4 : radioactivité et décroissance radioactive
Elément chimique, nucléide, isotope :
Tous les atomes possédant le même numéro
atomique Z font partie du même élément chimique.
X : symbole de l'élément chimique correspondant; A :
nombre de nucléons ; Z : nombre de protons.
Lorsque deux nucléides sont isotopes, ils ont même numéro
atomique Z mais un nombre de neutrons (et donc de nucléons) différent : ils
font donc partie du même élément chimique.
Animation :
tableau de Mendeleïev
Animation : tableau des isotopes
La radioactivité, instabilité des
noyaux : Lorsqu'un noyau est instable il se
désintègre en émettant d'autres particules plus petites et un rayon . (Un rayon est une onde
électromagnétique comme la lumière mais d'énergie beaucoup plus importante). Ce phénomène est appelé la radioactivité. Il s’agit d’une
réaction nucléaire spontanée.
Loi de conservation au cours d'une désintégration nucléaire : Une réaction nucléaire spontanée est symbolisée par une équation qui obéit à 2 lois
La somme des charges électriques des réactifs est égale à la somme des charges électriques des produits : le nombre de charge se conserve.
La somme des nucléons des réactifs est égale à la somme
des nucléons des produits.
animation :
désintégration dans la famille de l’uranium
radioactivité : elle correspond à l'émission d'un
noyau d'hélium. Le noyau d'hélium 24He
est appelé particule .
courbe de
stabilité et
radioactivité (vidéo).
la radioactivité (vidéo) Lorsqu'un noyau excité Y* se désexcite, il émet un rayon . Ce phénomène est appelé radioactivité .
Equation correspondante :
La
radioactivité (vidéo). Elle intervient lors d'une désintégration nucléaire
provoquant l'émission d'un électron. Le noyau père donne un noyau fils généralement
excité et une particule (électron). L'électron possède un nombre de masse nulle et
une charge égale à -1 ( -1,6 x 10-
Equation
correspondant à la radioactivité :
la radioactivité (vidéo)intervient lors d'une
désintégration nucléaire provoquant l'émission d'un positron e+. Le
positron (ou positon) possède un nombre de masse nul et une charge égale à +1 ( 1,6 x 10-
Constante de désintégration
radioactive d'un nucléide (vidéo) : à
chaque nucléide radioactif est associée une constante de désintégration
radioactive notée . correspond
à la probabilité de désintégration par unité de temps du nucléide. Elle ne
varie pas au cours du temps. unité : s-1
exemple : (uranium) = 4,28x10-4 an-1 =0,428 % /an
Loi de décroissance
radioactive d'une population de noyau
Le nombre de noyaux présents à l'instant t, N(t), par rapport au
nombre de noyaux radioactifs à l'instant initial No, est donné par la loi de
décroissance radioactive :
(s-1) : constante de
désintégration radioactive.
Constante de temps radioactive : La constante de temps de l'élément
radioactif est égale à l'inverse de sa probabilité de désintégration par
seconde :
Unité : la seconde (s).
Demi-vie t 1/2 (s)
d'un nucléide radioactif : On
caractérise un nucléide par sa demi-vie, qui est la durée au bout de laquelle le
nombre de noyaux radioactifs restants N(t 1/2) est égal à la moitié
du nombre initial de noyaux No.
Activité d'un échantillon radioactif
(vidéo). : elle est égale à l'opposé de
la variation du nombre de noyaux radioactifs (-dN)
divisé par la durée 'dt' pendant laquelle ils se
désintègrent.
un becquerel correspond à une désintégration par
seconde
Chapitre 5 ; réaction nucléaire
Unité de
masse atomique : Une unité de masse atomique 'u' est égale à un 1/12 de la masse
d'un atome de carbone 12
m(proton) = 1,00728 u ;
m(neutron) = 1,00866 u
unité d’énergie l’électron volt (eV)
1
électron volt correspond à une énergie de 1,6x10-19 J : E = 1
eV = 1,6x10-19 J ;
E
= 1 MeV = 106 eV
Energie de masse : Une particule matérielle de masse m au repos, possède une énergie de masse
E = m.c2
Unité
: E énergie en joule(J) ; m masse en kilogramme
(kg) ; c = 299 792 458 m/s célérité de la lumière dans le vide,
Défaut de masse (vidéo): La masse du noyau m noyau est inférieure à la masse des nucléons séparés. Pour un noyau, le défaut de masse ( > 0) constaté est:
mnucléons séparés - m(noyau)
= Z.mP+(A-Z).mn -m (noyau)
> 0
Avec mp : masse du proton; mn : masse du neutron; Z nombre de proton; A nombre de nucléon.
exemple : défaut
de masse de l’uranium 235 ;
Données : ;m (noyau) = 234,99332 u ; ; m(proton)
= 1,00728 u ; m(neutron) = 1,00866 u
m = m(nucléons séparés) – (noyau) =
( 92 mp
+ (235-92) mn ) - m (noyau)
m = ( 92x1,00728 + 143x1,00866) - 234,99332 =1,91148 u
m = 1,91148.(
1,66054x10 - 27) = 3,17964x10 - 27 kg
Energie de liaison : l'énergie
de liaison EL du noyau est égale au produit du défaut de masse par
la célérité au carré de la lumière.
EL = (Z.mP+(A-Z).mn -m noyau).c2 >
0
L'énergie de liaison par
nucléon EL/A d'un noyau (vidéo) est égale à
son énergie de liaison totale divisée par son nombre A de nucléons
Exemple: EL(Rn)
= 1,71x103 MeV énergie de liaison par nucléon du radon EL/A
= El(Rn)/ 222 = 7,70 MeV.nucléon-1
Stabilité des noyaux : plus l'énergie de liaison par nucléons EL/A est grande plus le noyau est stable.
La courbe d'Aston représente
-EL/A = f(A). Elle permet
de visualiser les noyaux les plus stables :
* L'uranium par fission produit des
noyaux plus légers et plus stables.
* Deux noyaux d'hydrogène (deutérium
et tritium ayant respectivement 2 et 3 nucléons) fusionnent pour donner un
noyau d'hélium plus stable.
Loi de conservation au cours des
réactions nucléaires
*
conservation du nombre de nucléons.
*
conservation du nombre de charges électriques.
*
conservation de l'énergie.
La fission La fission correspond à la cassure d'un noyau lourd instable en noyaux plus légers et plus stable. La fission s'accompagne d'un dégagement d'énergie communiquée aux noyaux sous forme d'énergie cinétique, ou sous forme de rayonnement .
La fusion : La fusion nucléaire est
une réaction au cours de laquelle 2 noyaux légers s'unissent pour former un
noyau plus lourd. La fusion dégage de
l'énergie.
Energie libérée : Elle est considérée comme positive car le système considéré est le milieu extérieur (qui reçoit l’énergie). 2 façons de calculer l’énergie libérée :
1) Au cours d'une réaction nucléaire, les noyaux atomiques instables donnent des noyaux plus stables : les noyaux formés possèdent une énergie de liaison par nucléon supérieure à celle des noyaux initiaux. Le système cède au milieu extérieur une énergie égale à la somme des énergies de liaison des noyaux formés moins la somme des énergies de liaison des noyaux initiaux :
E(libérée) = EL (noyaux formés)-
EL (noyaux initiaux)
2) (Vidéo) Au cours
d'une réaction nucléaire la masse des réactifs est supérieure à la masse des
produits formés. Cette perte de masse est convertie en énergie libérée. Son
expression est :
E(libérée) =
(mréactifs - mproduits).c2
> 0
Avant chaque ds inscrire dans la case acquis si la compétence est maitrisée ou non et rendre avec le DM
les définitions à connaître. |
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Compétences exigibles au baccalauréat |
Acquis |
définitions |
exercices |
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4- radioactivité |
Définir l'isotopie et reconnaître des isotopes. |
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Connaître la signification du symbole ZAX
et donner la composition du noyau correspondant. |
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- Reconnaître les domaines de stabilité et d'instabilité des
noyaux sur un diagramme (N,Z). Animation Flash (A.Willm Ostralo.net), autre Animation Flash IN2P3 |
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- Définir un noyau radioactif. |
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- Connaître et utiliser les lois de conservation. |
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- Définir la radioactivité alpha
, béta+ et béta-, l'émission gamma et
écrire l'équation d'une réaction nucléaire en appliquant les lois de
conservation. |
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- A partir de l'équation d'une réaction nucléaire, reconnaître
le type de radioactivité. |
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- Connaître l'expression de la loi de décroissance et
exploiter la courbe de décroissance. |
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- Savoir que 1 Bq est égal à une désintégration par seconde. |
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- Expliquer la signification et l'importance de l'activité
dans le cadre des effets biologiques. |
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- Connaître la définition de la constante de temps et
du temps de demi-vie. |
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- Utiliser les relations entre tau, lambda et t1/2 . |
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- Déterminer l'unité de lambda ou tau par analyse
dimensionnelle. |
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- Expliquer le principe de la datation, le choix du
radioélément et dater un évenement. |
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- A partir d'une série de mesures, utiliser un tableur
ou une calculatrice pour calculer la moyenne, la variance et l'écart-type du
nombre de désintégrations enregistrées pendant un intervalle de temps donné. |
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Compétences exigibles au baccalauréat |
Acquis |
définitions |
exercices |
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5. énergie nucléaire |
Définir et calculer un défaut de masse et une énergie de
liaison.. |
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Définir et calculer l'énergie de liaison par nucléon |
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Savoir convertir des J en eV et réciproquement. |
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Connaître la relation d'équivalence masse-énergie et calculer
une énergie de masse. |
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Commenter la courbe d'Aston pour dégager l'intérêt énergétique
des fissions et des fusions. |
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Définir la fission et la fusion et écrire les équations des
réactions nucléaires en appliquant les lois de conservation. Animations Flash
Fission (CEA) Fusion |
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A partir de l'équation d'une réaction nucléaire, reconnaître
le type de réaction |
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Faire le bilan énergétique d'une réaction nucléaire en
comparant les énergies de masse. |
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