CHAPITRE 9 : D'un élément à l'autre : la transformation nucléaire

Objectifs :

— Identifier des noyaux isotopes.
— Identifier la nature physique, chimique ou nucléaire d’une transformation.
— Relier l’énergie convertie dans le Soleil et dans une centrale nucléaire à des réactions nucléaires.

I. Isotope d'un élément

Un élément chimique désigne tous les atomes ayant un même numéro atomique Z (nombre de proton). Certains de ces atomes peuvent avoir un nombre de neutron (ou de nucléon) différent, on les appelle alors isotope.
Exemple : 126C, 136C et 146C.
Ces isotopes sont représentés par le même symbole. Pour les distinguer, on indique le symbole et le nombre de masse A (ex : 14C). Pour les nommer, on donne le nom de l'élément suivi du nombre de masse A (ex : carbone 14).

II. Les transformations nucléaires

1. Écriture symbolique

Lors d’une réaction nucléaire, les nucléons de noyaux atomiques ou les particules libres (comme le proton, noté 111H (ou encore 11p), ou le neutron, noté 01n,se réarrangent pour former de nouveaux noyaux ou particules.
On modélise ce réarrangement par une équation avec les écritures symboliques des noyaux et particules :
$$_{Z_{1}}^{A_{1}}X_{1} + _{Z_{2}}^{A_{2}}X_{2} \longrightarrow _{Z_{3}}^{A_{3}}X_{3} + _{Z_{4}}^{A_{4}}X_{4}$$
Lors d'une transformation nucléaire, il y a :
- conservation du nombre de masse : A1 + A2 = A3 + A4.
- conservation du nombre de charge : Z1 + Z2 = Z3 + Z4.
Exemple : $$_{7}^{14}N + _{0}^{1}n \longrightarrow _{6}^{14}C + _{1}^{1}H$$.
Parmi les transformations nucléaires, on distingue la fission nucléaire et la fusion nucléaire.

2. La fission nucléaire

Certains noyaux atomiques lourds, c'est-à-dire comportant un nombre important de nucléons, sont fissiles (il peuvent réaliser une fission nucléaire).
Une fission nucléaire est une transformation nucléaire au cours de laquelle un noyau lourd est fragmenté en noyaux atomiques plus légers.
La fission se produit spontanément (on parle alors de désintégration nucléaire) ou sous l'impact d'un neutron.

Exemple : la fission de l'uranium 235 sous l'impact d'un neutron est modélisée par l'équation suivante :
$$_{92}^{235}U + _{0}^{1}n \longrightarrow _{56}^{141}Ba + _{36}^{92}Kr + 3 _{0}^{1}n$$

3. La fusion nucléaire

Des noyaux atomiques légers, c'est-à-dire comportant peu de nucléons, peuvent fusionner lorsque la température est élevée.
Une fusion nucléaire est une transformation nucléaire au cours de laquelle deux noyaux atomiques légers fusionnent pour former un noyau plus lourd.
La fusion nucléaire se produit par collisions de noyaux atomiques notamment au cœur des étoiles.
Exemple : la fusion du deutérium (hydrogène 2) et du tritium (hydrogène 3) dans le Soleil s'écrit :
$$_{1}^{2}H + _{1}^{3}H \longrightarrow _{2}^{4}He + _{0}^{1}n$$

III. Énergie des transformations nucléaires

En 1905, A. Einstein montre que la masse peut être convertie en énergie et inversement (E = m c2).
La fission et la fusion s'accompagnent d'une perte de masse libérée sous forme d'énergie.
La fission et la fusion sont des réactions nucléaires qui libèrent de l’énergie : Ce sont des réactions exothermiques.

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