Qu'est-ce qu'une transformation nucléaire en seconde ?

C'est une transformation au cours de laquelle des noyaux atomiques sont modifiés : radioactivité, fission ou fusion. On la modélise par une équation de réaction nucléaire qui conserve le nombre de nucléons et la charge électrique. Contrairement à une transformation chimique, l'élément chimique peut changer.

Quelle différence entre transformation physique, chimique et nucléaire ?

Une transformation physique modifie l'état d'une espèce sans la changer (fusion de la glace). Une transformation chimique change les espèces en réarrangeant les atomes, mais conserve les éléments et les noyaux. Une transformation nucléaire modifie les noyaux eux-mêmes et libère environ un million de fois plus d'énergie par kilogramme qu'une transformation chimique.

Comment compléter une équation de réaction nucléaire ?

On écrit la conservation du nombre de nucléons (la somme des A est la même de chaque côté) et celle de la charge (la somme des Z est la même). On en déduit A et Z du noyau ou de la particule manquante, puis on l'identifie : Z donne l'élément dans la classification périodique, ou la particule (neutron, proton, électron, positon, noyau d'hélium 4).

Quelle est la différence entre fission et fusion nucléaire ?

La fission casse un noyau lourd, comme l'uranium 235 percuté par un neutron, en deux noyaux plus légers : elle fait fonctionner les centrales nucléaires. La fusion unit deux noyaux légers, comme ceux de l'hydrogène, en un noyau plus lourd : elle exige une température de plusieurs millions de kelvins et fournit l'énergie du Soleil.

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Transformation nucléaire : noyaux, isotopes et réactions

Q: Comment reconnaître des isotopes ?

Deux noyaux sont isotopes s'ils ont le même numéro atomique Z (donc le même symbole) mais des nombres de nucléons A différents : ils ne diffèrent que par leur nombre de neutrons. Par exemple, le carbone 12 et le carbone 14 sont isotopes.

Isotopes, écriture symbolique d'une réaction nucléaire, lois de conservation, fission, fusion et applications (thème Constitution et transformations de la matière)

À propos de cette page

Ce cours de physique-chimie (2nde) en seconde sur « Transformation nucléaire : noyaux, isotopes et réactions » suit le programme officiel de physique-chimie (2nde) de seconde. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : L'essentiel, Isotopes et écriture symbolique d'un noyau, Transformation physique, chimique ou nucléaire, Réactions nucléaires : fission, fusion, radioactivité. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de seconde à réussir en physique-chimie (2nde).

L'essentiel

Noyau. Le noyau d'un atome contient

A

nucléons :

Z

protons et

N = A - Z

neutrons. On le note

_{Z}^{A} X

A

est le nombre de nucléons (ou nombre de masse),

Z

le numéro atomique (nombre de protons), X le symbole de l'élément.

Élément chimique. Tous les atomes et ions de même numéro atomique

Z

appartiennent au même élément :

Z = 6

caractérise le carbone,

Z = 92

l'uranium.

Isotopes. Des noyaux isotopes ont le même nombre de protons $Z$ et des nombres de nucléons $A$ différents : ils ne diffèrent que par leur nombre de neutrons.

Transformation nucléaire. Transformation au cours de laquelle des noyaux sont modifiés. Elle est modélisée par une équation de réaction nucléaire, écrite avec des noyaux et des particules (jamais avec des molécules).

Lois de conservation. Au cours d'une réaction nucléaire, il y a conservation :
• du nombre de nucléons : la somme des

A

est la même de chaque côté de la flèche ;
• de la charge électrique : la somme des

Z

est la même de chaque côté.

Isotopes et écriture symbolique d'un noyau

Le numéro atomique $Z$ se lit dans la classification périodique ; le nombre de nucléons $A$ , lui, dépend de l'isotope et doit être donné.

Isotope du carbone	Protons	Neutrons	Abondance naturelle
$_{6}^{12} C$	6	6	98,9 %
$_{6}^{13} C$	6	7	1,1 %
$_{6}^{14} C$	6	8	traces (radioactif)

Des isotopes ont les mêmes propriétés chimiques (même nombre d'électrons dans l'atome) mais des propriétés nucléaires différentes : le carbone 14 est radioactif, le carbone 12 est stable.

Particules rencontrées dans les réactions nucléaires (on leur attribue aussi un $A$ et un $Z$ ) :

Particule	Notation	Charge
neutron	$_{0}^{1} n$	0
proton (noyau d'hydrogène 1)	$_{1}^{1} p$ ou $_{1}^{1} H$	$+ e$
électron	$_{- 1}^{0} e$	$- e$
positon (antiparticule de l'électron)	$_{1}^{0} e$	$+ e$
noyau d'hélium 4 (particule α)	$_{2}^{4} H e$	$+ 2 e$
photon γ	$γ$ (ni nucléon ni charge)	0

Astuce. Les isotopes de l'hydrogène ont des noms propres : hydrogène

_{1}^{1} H

, deutérium

_{1}^{2} H

(noté D), tritium

_{1}^{3} H

(noté T).

Transformation physique, chimique ou nucléaire

Le programme de seconde distingue trois types de transformations de la matière. Pour les reconnaître, on regarde ce qui change à l'échelle microscopique.

	Transformation physique	Transformation chimique	Transformation nucléaire
Ce qui change	l'état physique d'une espèce	les espèces chimiques : les atomes se réarrangent	les noyaux (et souvent l'élément)
Ce qui est conservé	les espèces chimiques	les éléments chimiques et les noyaux	le nombre de nucléons et la charge
Exemple	$H_{2} O (l) \to H_{2} O (g)$	$C H_{4} + 2 O_{2} \to C O_{2} + 2 H_{2} O$	fission de l'uranium 235 (partie 4)
Énergie mise en jeu	$10^{5}$ à $10^{6}$ J/kg	de l'ordre de $10^{7}$ J/kg (combustions)	$10^{13}$ à $10^{14}$ J/kg

Propriété. Seule une transformation nucléaire peut changer un élément chimique en un autre : aucune réaction chimique ne transforme du plomb en or, car elle laisse les noyaux intacts.

Réactions nucléaires : fission, fusion, radioactivité

Fission. Un noyau lourd (dit fissile), percuté par un neutron, se scinde en deux noyaux plus légers en libérant 2 ou 3 neutrons et de l'énergie.

Exemple.

_{92}^{235} U +_{0}^{1} n \to_{36}^{92} K r +_{56}^{141} B a + 3_{0}^{1} n

Nucléons :

235 + 1 = 236

92 + 141 + 3 \times 1 = 236

. Charge :

92 + 0 = 92

36 + 56 + 0 = 92

. L'équation est équilibrée.

Les neutrons émis peuvent provoquer d'autres fissions : c'est la réaction en chaîne. Dans un réacteur, des barres de contrôle absorbent une partie des neutrons pour qu'une seule nouvelle fission suive, en moyenne, chaque fission : la réaction est entretenue sans s'emballer.

Fusion. Deux noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd, en libérant de l'énergie. Les noyaux, tous positifs, se repoussent : la fusion n'a lieu qu'à très haute température (environ

1, 5 \times 10^{7}

K au cœur du Soleil, plus de

10^{8}

K dans les réacteurs expérimentaux).

Exemple.

_{1}^{2} H +_{2}^{3} H e \to_{2}^{4} H e +_{1}^{1} p

Nucléons :

2 + 3 = 4 + 1

; charge :

1 + 2 = 2 + 1

Radioactivité. Transformation nucléaire spontanée d'un noyau instable, qui émet un noyau d'hélium 4 (radioactivité α), un électron (β⁻) ou un positon (β⁺), souvent accompagné d'un photon γ.

Exemple.

_{92}^{238} U \to_{90}^{234} T h +_{2}^{4} H e

: l'uranium devient du thorium ;

238 = 234 + 4

92 = 90 + 2

Énergie et applications : centrales, Soleil, médecine

Ordres de grandeur. Une combustion libère quelques électronvolts par molécule ; une réaction nucléaire libère plusieurs mégaélectronvolts par noyau (environ 200 MeV pour une fission d'uranium 235). À masse égale, un combustible nucléaire libère de l'ordre d'un million de fois plus d'énergie qu'un combustible chimique.
Conversions :

1 e V = 1, 60 \times 10^{- 19}

J et

1 M e V = 10^{6} e V = 1, 60 \times 10^{- 13}

Centrale nucléaire. Dans le réacteur, la fission de l'uranium 235 (combustible enrichi à quelques pour cent en uranium 235) libère de l'énergie thermique ; elle vaporise de l'eau, dont la vapeur fait tourner une turbine couplée à un alternateur. Chaîne : énergie nucléaire → thermique → mécanique → électrique. Un réacteur français fournit une puissance électrique de l'ordre de $10^{9}$ W.

Soleil et étoiles. Le Soleil tire son énergie de la fusion de l'hydrogène en hélium ; il rayonne une puissance de l'ordre de $10^{26}$ W. Les étoiles plus massives fusionnent ensuite l'hélium en carbone, puis en éléments plus lourds.

Médecine. Des isotopes radioactifs servent de traceurs en imagerie (technétium 99m, émetteur γ, en scintigraphie ; émetteurs de positons en TEP) et de sources pour détruire des cellules cancéreuses (radiothérapie au cobalt 60, iode radioactif pour la thyroïde).

Attention. Les rayonnements émis sont ionisants : on s'en protège par la distance, des écrans (plomb, béton) et une durée d'exposition limitée.

Méthodes

Méthode 1 — Déterminer la composition d'un noyau et reconnaître des isotopes

Lire $Z$ (en bas) : c'est le nombre de protons.
Lire $A$ (en haut) et calculer le nombre de neutrons $N = A - Z$ .
Comparer les $Z$ : même $Z$ et $A$ différents ⇒ isotopes ; $Z$ différents ⇒ éléments différents, quel que soit $A$ .

Exemple rédigé.

_{20}^{40} C a

: 20 protons et

40 - 20 = 20

neutrons ;

_{20}^{44} C a

: 20 protons et

44 - 20 = 24

neutrons. Même numéro atomique

Z = 20

, nombres de nucléons différents : ce sont deux isotopes du calcium.

Méthode 2 — Compléter une équation de réaction nucléaire

Écrire la conservation du nombre de nucléons : somme des $A$ à gauche = somme des $A$ à droite (sans oublier les coefficients).
Écrire la conservation de la charge : somme des $Z$ à gauche = somme des $Z$ à droite.
Identifier l'inconnue : par son $Z$ dans la classification, ou dans le tableau des particules.
Réécrire l'équation complète et vérifier les deux sommes.

Exemple rédigé. Compléter

_{7}^{14} N +_{2}^{4} H e \to_{8}^{17} O +_{Z}^{A} X

(expérience de Rutherford, 1919). Nucléons :

14 + 4 = 17 + A

donc

A = 1

. Charge :

7 + 2 = 8 + Z

donc

Z = 1

. Une particule avec

A = 1

Z = 1

est un proton : $_{7}^{14} N +_{2}^{4} H e \to_{8}^{17} O +_{1}^{1} p$ .

Méthode 3 — Identifier la nature d'une transformation

Des noyaux $_{Z}^{A} X$ ou des particules (n, e, $_{2}^{4} H e$ ) apparaissent, ou un élément devient un autre ⇒ nucléaire.
Sinon, les espèces (formules) diffèrent avant et après, avec les mêmes éléments ⇒ chimique.
Sinon, la même espèce change seulement d'état ⇒ physique.

Exemple rédigé.

I_{2} (s) \to I_{2} (g)

: même espèce, qui change d'état ⇒ physique (sublimation).

4 F e + 3 O_{2} \to 2 F e_{2} O_{3}

: une nouvelle espèce se forme, les éléments Fe et O sont conservés ⇒ chimique.

_{1}^{3} H \to_{2}^{3} H e +_{- 1}^{0} e

: l'hydrogène devient de l'hélium ⇒ nucléaire.

Méthode 4 — Estimer l'énergie libérée par une masse de combustible nucléaire

Masse d'un noyau : $m_{n o y a u} = A \times m_{n u c l}$ avec $m_{n u c l} = 1, 67 \times 10^{- 27}$ kg.
Nombre de noyaux : $N = \frac{m}{m_{n o y a u}}$ (masse en kg).
Énergie d'une réaction en joules, puis énergie totale $E = N \times E_{r é a c t i o n}$ .
Comparer : masse de combustible chimique $= \frac{E}{énergie libérée par kg}$ .

Exemple rédigé. Fission de 1,0 g d'uranium 235, à raison de 200 MeV par fission.

m_{n o y a u} = 235 \times 1, 67 \times 10^{- 27} = 3, 92 \times 10^{- 25}

kg ;

N = \frac{1, 0 \times 10^{- 3}}{3, 92 \times 10^{- 25}} = 2, 55 \times 10^{21}

noyaux ;

E_{f} = 200 \times 1, 60 \times 10^{- 13} = 3, 20 \times 10^{- 11}

J ;

E = 2, 55 \times 10^{21} \times 3, 20 \times 10^{- 11} =

$8, 2 \times 10^{10}$ J. Le méthane libère

5, 0 \times 10^{7}

J/kg : il faudrait en brûler

\frac{8, 2 \times 10^{10}}{5, 0 \times 10^{7}} \approx 1, 6 \times 10^{3}

kg, soit 1,6 tonne pour 1 gramme d'uranium.

Pièges et erreurs classiques

Inverser A et Z. Dans

_{Z}^{A} X

, le nombre de nucléons est en haut, le numéro atomique en bas :

_{47}^{107} A g

contient 47 protons et 60 neutrons, pas 107 protons.

« Même A » ne veut pas dire isotopes. Deux noyaux de même

A

mais de

Z

différents appartiennent à deux éléments différents. Isotopes = même

Z

Oublier des neutrons. Dans une fission, le neutron incident compte côté réactifs, et le coefficient placé devant

_{0}^{1} n

multiplie son

A

dans le bilan.

Le signe de l'électron.

_{- 1}^{0} e

compte pour

- 1

dans la somme des charges ; confondre électron et positon déséquilibre la charge de 2.

Mélanger chimie et nucléaire. Une équation nucléaire s'écrit avec des noyaux (H, pas

H_{2}

) et sans état physique. La conservation des éléments est une loi de la chimie : en nucléaire, les éléments changent en général.

Fusion et fusion. La fusion de la glace est un changement d'état (physique) ; la fusion nucléaire unit deux noyaux. Et ce n'est pas un neutron qui déclenche une fusion nucléaire, mais une température très élevée.

Le Soleil ne « brûle » pas. Son énergie ne vient pas d'une combustion (chimique) mais de la fusion de noyaux d'hydrogène.

En bref

Noyau $_{Z}^{A} X$ : $Z$ protons et $A - Z$ neutrons ; isotopes = même $Z$ , $A$ différents.
Réaction nucléaire : conservation du nombre de nucléons (somme des $A$ ) et de la charge (somme des $Z$ ).
Physique : l'état change ; chimique : les espèces changent, éléments et noyaux conservés ; nucléaire : les noyaux changent.
Fission : noyau lourd + neutron → deux noyaux plus légers + neutrons (centrales) ; fusion : noyaux légers → noyau plus lourd (Soleil).
Énergie par kilogramme : $10^{5}$ – $10^{6}$ J (physique), $10^{7}$ J (chimique), $10^{13}$ – $10^{14}$ J (nucléaire).
Applications : électricité nucléaire, énergie des étoiles, imagerie médicale et radiothérapie.

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