Ressources · 2ⁿᵈᵉ · Physique-Chimie (2nde)

Transformations nucléaires

Les isotopes et l’écriture symbolique d’un noyau ; l’équation d’une réaction nucléaire et ses lois de conservation ; fission, fusion et désintégration ; reconnaître une transformation physique, chimique ou nucléaire ; l’énergie libérée dans le Soleil et dans une centrale nucléaire

À propos de cette page

Ce cours de physique-chimie de seconde traite la transformation nucléaire en cinq parties : isotopes et écriture symbolique d’un noyau, équation de réaction nucléaire et lois de conservation du nombre de nucléons et de la charge, fission, fusion et désintégration, reconnaissance d’une transformation physique, chimique ou nucléaire, et énergie libérée dans le Soleil et dans une centrale nucléaire. Chaque partie a ses exemples rédigés, dont la fission de l’uranium 235 et l’énergie d’un gramme de combustible.

Isotopes et écriture symbolique d’un noyau

Rappel : le noyau d’un atome, fait de protons et de neutrons, a été vu en 3^e (Atome : noyau, électrons et neutralité) ; son écriture conventionnelle et sa composition sont travaillées dans le chapitre Le noyau de l’atome. Ici, on compare des noyaux d’un même élément.

Ce qu’il faut savoir • Un noyau noté

_{Z}^{A} X

contient

Z

protons et

N = A - Z

neutrons :

A

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

Z

le numéro atomique (nombre de protons), X le symbole de l’élément.
• Le numéro atomique

Z

définit l’élément chimique : tous les noyaux de

Z = 6

sont des noyaux de carbone, tous ceux de

Z = 92

des noyaux d’uranium.

Z

se lit dans le tableau périodique ;

A

, lui, doit être donné.
• Des noyaux isotopes ont le même numéro atomique

Z

et des nombres de nucléons

A

différents : ils ne diffèrent que par leur nombre de neutrons. On les nomme par l’élément suivi de

A

: carbone 12, carbone 14, uranium 235.
• Les atomes de deux isotopes ont le même nombre d’électrons (égal à

Z

) : ils ont les mêmes propriétés chimiques. Leurs noyaux peuvent en revanche se comporter différemment : le carbone 12 est stable, le carbone 14 est radioactif.
• Les trois isotopes de l’hydrogène portent des noms propres : hydrogène 1

_{1}^{1} H

, deutérium

_{1}^{2} H

(noté D) et tritium

_{1}^{3} H

(noté T).

Les trois isotopes de l’hydrogène : un seul proton chacun ( $Z = 1$ ), et 0, 1 ou 2 neutrons.

Isotope du carbone	Protons	Neutrons	Proportion des atomes de carbone naturels
$_{6}^{12} C$	6	6	98,9 %
$_{6}^{13} C$	6	7	1,1 %
$_{6}^{14} C$	6	8	traces (radioactif)

Exemples

Composition. $_{20}^{40} C a$ : 20 protons et $40 - 20 = 20$ neutrons. $_{20}^{44} C a$ : 20 protons et $44 - 20 = 24$ neutrons.

Isotopes. Ces deux noyaux ont le même numéro atomique $Z = 20$ et des nombres de nucléons différents (40 et 44) : ce sont deux isotopes du calcium.

Même $A$ , éléments différents. Le tritium $_{1}^{3} H$ et l’hélium 3 $_{2}^{3} H e$ ont chacun 3 nucléons, mais 1 et 2 protons : ce sont des noyaux de deux éléments différents, pas des isotopes.

Réflexe — je lis $Z$ en bas (protons, donc élément) et $A$ en haut (nucléons), je calcule $N = A - Z$ ; même $Z$ et $A$ différents ⇒ isotopes ; $Z$ différents ⇒ éléments différents, quel que soit $A$ .

Attention — ne pas inverser $A$ et $Z$ : $_{47}^{107} A g$ contient 47 protons et $107 - 47 = 60$ neutrons, pas 107 protons. Et « même nombre de nucléons » ne veut jamais dire isotopes : seul $Z$ compte.

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Écrire et compléter une équation de réaction nucléaire

Une transformation nucléaire modifie les noyaux eux-mêmes. On la modélise par une équation écrite avec des noyaux et des particules, jamais avec des molécules.

Ce qu’il faut savoir • Une transformation nucléaire est une transformation au cours de laquelle des noyaux sont modifiés. On la modélise par une équation de réaction nucléaire : à gauche de la flèche, les noyaux et particules qui réagissent ; à droite, ceux qui sont produits.
• Les particules qui interviennent reçoivent, elles aussi, un nombre

A

et un nombre

Z

(tableau ci-dessous) ; pour une particule,

Z

indique sa charge en unités de charge élémentaire

e

.
• 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 ; et conservation de la charge électrique : la somme des

Z

est la même de chaque côté. Un coefficient placé devant un noyau ou une particule multiplie son

A

et son

Z

.
• Une réaction est spontanée quand un noyau instable se transforme seul : il n’y a qu’un noyau à gauche de la flèche, c’est la radioactivité. Elle est provoquée quand un projectile (neutron, proton, noyau d’hélium 4…) vient frapper un noyau.

Particule	Notation	$A$	$Z$ (charge)
neutron	$_{0}^{1} n$	1	0
proton (noyau d’hydrogène 1)	$_{1}^{1} p$ ou $_{1}^{1} H$	1	1 (charge $+ e$ )
électron	$_{- 1}^{0} e$	0	−1 (charge $- e$ )
positon (même masse que l’électron, charge opposée)	$_{1}^{0} e$	0	1 (charge $+ e$ )
noyau d’hélium 4 (particule α)	$_{2}^{4} H e$	4	2 (charge $+ 2 e$ )
photon γ (rayonnement très énergétique)	$γ$	0	0

Exemples

Vérifier une équation. $_{92}^{238} U \to_{90}^{234} T h +_{2}^{4} H e$ : nucléons $238 = 234 + 4$ ; charge $92 = 90 + 2$ . L’équation est équilibrée : l’uranium 238 se transforme seul en thorium en émettant un noyau d’hélium 4 (réaction spontanée).

Compléter une équation. En 1919, Rutherford bombarde de l’azote avec des noyaux d’hélium 4 : $_{7}^{14} N +_{2}^{4} H e \to_{8}^{17} O +_{Z}^{A} X$ . Nucléons : $14 + 4 = A + 17$ , donc $A = 1$ . Charge : $7 + 2 = Z + 8$ , donc $Z = 1$ . Une particule qui a 1 nucléon et la charge $+ e$ est un proton : $_{7}^{14} N +_{2}^{4} H e \to_{8}^{17} O +_{1}^{1} p$ (réaction provoquée).

Réflexe — j’écris « somme des $A$ à gauche = somme des $A$ à droite », puis la même égalité pour les $Z$ , sans oublier les coefficients ; j’identifie l’inconnue par son $Z$ (tableau périodique) ou dans le tableau des particules ; je réécris l’équation complète et je vérifie les deux sommes.

Attention — l’électron $_{- 1}^{0} e$ compte pour $- 1$ dans la somme des charges : le confondre avec le positon $_{1}^{0} e$ déséquilibre la charge de 2. Une équation nucléaire s’écrit avec des noyaux (H, jamais $H_{2}$ ) et sans état physique ; elle ne conserve pas les éléments, qui changent en général.

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Fission, fusion et désintégration

Trois sortes de réactions nucléaires reviennent sans cesse : la cassure d’un noyau lourd, l’union de deux noyaux légers et la transformation spontanée d’un noyau instable.

Ce qu’il faut savoir • Fission : un noyau lourd dit fissile (uranium 235, plutonium 239), percuté par un neutron, se scinde en deux noyaux plus légers en libérant quelques neutrons (2 ou 3 en général) et de l’énergie. C’est une réaction provoquée.
• Les neutrons libérés peuvent provoquer de nouvelles fissions : c’est la réaction en chaîne. Sans contrôle, le nombre de fissions croît très vite. Dans un réacteur, des barres de contrôle absorbent une partie des neutrons pour qu’en moyenne chaque fission n’en provoque qu’une seule : 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 chargés positivement, se repoussent : pour qu’ils se rapprochent assez, il faut une température extrêmement élevée (environ

1, 5 \times 10^{7}

K au cœur du Soleil, plus de

10^{8}

K dans les réacteurs expérimentaux).
• Désintégration (radioactivité) : un noyau instable se transforme spontanément en émettant un noyau d’hélium 4, un électron ou un positon, souvent accompagné d’un photon γ.

Réaction en chaîne sans contrôle : chaque fission libère ici 3 neutrons, qui provoquent chacun une nouvelle fission. Les barres de contrôle absorbent les neutrons en trop.

Exemples

Une fission. $_{92}^{235} U +_{0}^{1} n \to_{36}^{92} K r +_{56}^{141} B a + 3_{0}^{1} n$ . Nucléons : $235 + 1 = 236$ et $92 + 141 + 3 \times 1 = 236$ . Charge : $92 + 0 = 92$ et $36 + 56 + 3 \times 0 = 92$ . Un noyau lourd, frappé par un neutron, donne deux noyaux plus légers et 3 neutrons : c’est une fission.

Une fusion. $_{1}^{2} H +_{2}^{3} H e \to_{2}^{4} H e +_{1}^{1} p$ . Nucléons : $2 + 3 = 5$ et $4 + 1 = 5$ ; charge : $1 + 2 = 3$ et $2 + 1 = 3$ . Deux noyaux légers forment un noyau plus lourd : c’est une fusion.

Une désintégration. $_{1}^{3} H \to_{2}^{3} H e +_{- 1}^{0} e$ : un seul noyau à gauche, qui se transforme seul en émettant un électron. Le tritium (hydrogène) devient de l’hélium 3.

Réflexe — un noyau lourd et un neutron à gauche, deux noyaux moyens et des neutrons à droite ⇒ fission ; deux noyaux légers à gauche, un noyau plus lourd à droite ⇒ fusion ; un seul noyau à gauche ⇒ désintégration.

Attention — la fusion de la glace est un changement d’état ; la fusion nucléaire unit deux noyaux. Et ce n’est pas un neutron qui déclenche une fusion nucléaire, mais une température extrêmement élevée.

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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.

Ce qu’il faut savoir • Transformation physique : une même espèce chimique change d’état (fusion, vaporisation, sublimation…) ; aucune espèce n’apparaît ni ne disparaît.
• Transformation chimique : des espèces disparaissent (les réactifs) et d’autres apparaissent (les produits) ; les atomes se réarrangent, mais leurs noyaux restent intacts : les éléments sont conservés.
• Transformation nucléaire : des noyaux sont modifiés ; en général, un élément devient un autre.
• Seule une transformation nucléaire peut changer un élément en un autre : aucune réaction chimique ne transforme du plomb en or, car elle laisse les noyaux intacts.
• L’énergie mise en jeu les distingue aussi (tableau) : à masse égale, une transformation nucléaire libère environ un million de fois plus d’énergie qu’une combustion.

	Physique	Chimique	Nucléaire
Ce qui change	l’état physique d’une espèce	les espèces : les atomes se réarrangent	les noyaux (et souvent l’élément)
Ce qui est conservé	les espèces chimiques	les éléments, les noyaux et la charge	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
Énergie par kilogramme (ordre de grandeur)	$10^{5}$ à $10^{6}$ J (changements d’état)	quelques $10^{7}$ J (combustions)	environ $10^{14}$ J (fission, fusion)

Exemples

Physique. $I_{2} (s) \to I_{2} (g)$ : la même espèce, le diiode, passe de l’état solide à l’état gazeux : transformation physique (sublimation).

Chimique. $4 F e + 3 O_{2} \to 2 F e_{2} O_{3}$ : une espèce nouvelle se forme (l’oxyde de fer) ; les éléments Fe et O sont présents avant et après : transformation chimique.

Nucléaire. $_{27}^{60} C o \to_{28}^{60} N i +_{- 1}^{0} e$ : l’équation contient des noyaux et une particule ; le cobalt ( $Z = 27$ ) devient du nickel ( $Z = 28$ ) : transformation nucléaire.

Réflexe — des noyaux $_{Z}^{A} X$ ou des particules dans l’équation, ou un élément qui en devient un autre ⇒ nucléaire ; sinon, des espèces différentes avant et après ⇒ chimique ; sinon, la même espèce qui change d’état ⇒ physique.

Attention — une combustion n’est jamais nucléaire : c’est une réaction chimique avec le dioxygène. Le Soleil ne « brûle » pas : son énergie vient de la fusion de noyaux d’hydrogène.

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Énergie libérée : le Soleil et les centrales nucléaires

Pourquoi un réacteur nucléaire ne consomme-t-il que quelques dizaines de tonnes de combustible par an, quand une centrale au charbon de même puissance en brûle des millions de tonnes ? Parce que l’énergie d’une réaction nucléaire est sans commune mesure avec celle d’une réaction chimique.

Ce qu’il faut savoir • L’énergie d’une réaction nucléaire se compte en mégaélectronvolts :

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

J et

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

J. Une réaction chimique libère quelques eV par entité ; une réaction nucléaire libère plusieurs MeV par noyau (environ 200 MeV pour une fission d’uranium 235).
• Pour une masse

m

de combustible : masse d’un noyau

m_{n o y a u} \approx A \times m_{n u c l é o n}

, avec

m_{n u c l é o n} = 1, 67 \times 10^{- 27}

kg ; nombre de noyaux

N = \frac{m}{m_{n o y a u}}

(

m

en kg) ; énergie libérée

E = N \times E_{r é a c t i o n}

si chaque noyau réagit une fois. Énergie et puissance sont liées par

E = P \times Δ t

(

E

en J,

P

en W,

Δ t

en s).
• 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, qui vaporise de l’eau ; 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 ; le rendement est d’environ 33 % : les deux tiers de l’énergie libérée sont évacués sous forme de chaleur (fleuve, mer, tours de refroidissement).
• Soleil : il tire son énergie de la fusion de l’hydrogène en hélium, dans son cœur ; il rayonne une puissance d’environ

3, 8 \times 10^{26}

W. Quand l’hydrogène de leur cœur s’épuise, les étoiles fusionnent l’hélium en carbone ; les plus massives fabriquent ensuite des éléments plus lourds.

Exemples

Convertir. Une fission d’uranium 235 libère environ 200 MeV, soit $200 \times 1, 60 \times 10^{- 13} = 3, 20 \times 10^{- 11}$ J.

Énergie d’un gramme d’uranium 235. Masse d’un noyau : $235 \times 1, 67 \times 10^{- 27} \approx 3, 92 \times 10^{- 25}$ kg. Nombre de noyaux dans 1,0 g $= 1, 0 \times 10^{- 3}$ kg : $N = \frac{1, 0 \times 10^{- 3}}{3, 92 \times 10^{- 25}} \approx 2, 55 \times 10^{21}$ . Énergie : $E = 2, 55 \times 10^{21} \times 3, 20 \times 10^{- 11} \approx 8, 2 \times 10^{10}$ J.

Comparer. Le méthane libère $5, 0 \times 10^{7}$ J par kilogramme brûlé : pour $8, 2 \times 10^{10}$ J, il faut en brûler $\frac{8, 2 \times 10^{10}}{5, 0 \times 10^{7}} \approx 1, 6 \times 10^{3}$ kg, soit 1,6 tonne de méthane pour 1 gramme d’uranium 235.

Réflexe — je convertis les MeV en joules (× $1, 60 \times 10^{- 13}$ ) et les grammes en kilogrammes ; je calcule la masse d’un noyau ( $A \times 1, 67 \times 10^{- 27}$ kg), le nombre de noyaux, puis l’énergie totale ; pour comparer avec un combustible chimique, je divise.

Attention — dans une centrale, la vapeur d’eau n’est pas la source d’énergie : sa formation est un changement d’état qui transporte l’énergie thermique libérée par les fissions. Et les rayonnements émis par les matières radioactives sont ionisants : on s’en protège par la distance, par des écrans (plomb, béton) et en limitant la durée d’exposition.

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Pour aller plus loin

Revoir. Le noyau, ses protons et ses neutrons (3^e) : Atome : noyau, électrons et neutralité ; la production d’électricité dans une centrale (3^e) : Électricité : produire dans une centrale.

Dans les autres chapitres de seconde. Composition d’un atome, écriture conventionnelle, taille et masse du noyau : Le noyau de l’atome. L’énergie d’un changement d’état, $Q = m \times L$ : Transformations physiques : changements d’état et énergie. Ajuster une équation chimique : Transformations chimiques : équation et réactif limitant. Compter des entités avec la mole : Dénombrer les entités : la mole.

Se verra en 1^re et en terminale. Le caractère aléatoire de la désintégration, la demi-vie et la datation au carbone 14 (enseignement scientifique de 1^re) : Éléments chimiques : de l’Univers au vivant ; l’équivalence masse-énergie $E = m c^{2}$ et la masse perdue chaque seconde par le Soleil : Rayonnement solaire : fusion et puissance reçue. Les types de radioactivité α et β, le diagramme $(N, Z)$ et la loi de décroissance (spécialité de terminale) : Décroissance radioactive et demi-vie.

Pour aller plus loin : la médecine nucléaire. Des isotopes radioactifs servent de traceurs en imagerie (technétium 99m, émetteur γ, en scintigraphie ; fluor 18, émetteur de positons, en tomographie par émission de positons) ou de sources pour détruire des cellules cancéreuses (radiothérapie au cobalt 60, iode 131 pour la thyroïde).

À retenir

Un noyau $_{Z}^{A} X$ contient $Z$ protons et $N = A - Z$ neutrons ; $Z$ définit l’élément. Des isotopes ont le même $Z$ et des $A$ différents : mêmes propriétés chimiques, propriétés nucléaires différentes.
Une réaction nucléaire conserve le nombre de nucléons (somme des $A$ ) et la charge (somme des $Z$ ) ; elle s’écrit avec des noyaux et des particules (neutron, proton, électron, positon, noyau d’hélium 4, photon γ).
Fission : un noyau lourd, frappé par un neutron, se scinde et libère des neutrons (réaction en chaîne). Fusion : deux noyaux légers s’unissent, à très haute température. Désintégration : un noyau instable se transforme seul.
Physique : une espèce change d’état. Chimique : les espèces changent, les éléments et les noyaux sont conservés. Nucléaire : les noyaux changent, et souvent l’élément.
$1 M e V = 1, 60 \times 10^{- 13}$ J. À masse égale, une transformation nucléaire libère environ un million de fois plus d’énergie qu’une combustion : c’est l’énergie des centrales (fission de l’uranium 235) et du Soleil (fusion de l’hydrogène).

Questions fréquentes

Qu’est-ce que des isotopes ?

Des noyaux qui ont le même numéro atomique Z (même élément, même nombre de protons) mais des nombres de nucléons A différents : ils ne diffèrent que par leur nombre de neutrons. Le carbone 12 et le carbone 14 sont deux isotopes du carbone ; leurs atomes ont les mêmes propriétés chimiques.

Comment compléter une équation de réaction nucléaire ?

On écrit que la somme des nombres de nucléons A est la même de chaque côté de la flèche, puis que la somme des Z (la charge) l’est aussi, sans oublier les coefficients. On identifie ensuite l’inconnue par son Z : Z = 0 et A = 1 pour le neutron, Z = −1 et A = 0 pour l’électron, Z = 2 et A = 4 pour le noyau d’hélium 4.

Quelle est la différence entre fission et fusion ?

La fission casse un noyau lourd (uranium 235) frappé par un neutron en deux noyaux plus légers, en libérant quelques neutrons (2 ou 3 en général) : c’est la réaction des centrales. La fusion unit deux noyaux légers en un noyau plus lourd ; elle exige une température de millions de kelvins : c’est la réaction du Soleil.

Comment savoir si une transformation est physique, chimique ou nucléaire ?

Si une même espèce change seulement d’état, elle est physique. Si de nouvelles espèces apparaissent avec les mêmes éléments, elle est chimique. Si les noyaux sont modifiés, avec des noyaux ou des particules dans l’équation et souvent un élément qui en devient un autre, elle est nucléaire.

Combien d’énergie libère une transformation nucléaire ?

Plusieurs mégaélectronvolts par noyau (environ 200 MeV pour une fission d’uranium 235, avec 1 MeV = 1,60 × 10⁻¹³ J), contre quelques électronvolts par entité pour une réaction chimique. À masse égale, c’est environ un million de fois plus qu’une combustion : 1 g d’uranium 235 vaut environ 1,6 tonne de méthane.

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