Fiche de révision : Éléments et transformations nucléaires

📋 Plan du Cours

1. Spectres et composition des astres
2. Abondances dans les milieux
3. Formation des éléments stellaires
4. Fusion et fission nucléaires
5. Applications énergétiques des réactions
6. Découverte et mesure de la radioactivité

📖 1. Spectres et composition des astres

🔑 Notions clés & Définitions

• Spectre : Arc-en-ciel obtenu par décomposition de la lumière blanche à l’aide d’un prisme ou d’un réseau.

★ À maîtriser

• L’analyse de la lumière émise par une étoile, décomposée puis comparée aux spectres connus des éléments terrestres, permet d’en déterminer la composition chimique.

• Le spectre d’émission d’une étoile est continu et présente des raies noires dues à l’absorption de certains éléments de son atmosphère.

Compléments

• En 1859, Gustav Kirchhoff identifie la plupart des éléments de l’atmosphère solaire en comparant le spectre solaire à celui des éléments présents sur Terre.

📖 2. Abondances dans les milieux

📝 Points essentiels

• La matière connue de l’Univers est constituée en masse de :

  • 74 % d’hydrogène
  • 24 % d’hélium
  • 1 % d’oxygène
  • 0,5 % de carbone
  • 0,5 % de tous les autres éléments connus

• Sur Terre, les proportions en quantité de matière sont de :

  • 49 % d’oxygène
  • 16 % de magnésium
  • 14 % de fer
  • 14 % de silicium
  • 7 % d’autres éléments

• Dans le corps humain, les proportions en quantité de matière sont de :

  • 61 % d’hydrogène
  • 24 % d’oxygène
  • 13 % de carbone
  • 1 % d’azote
  • 1 % d’autres éléments

💡 Astuce mémo

Univers léger en H et He ; Terre riche en O, Mg, Fe et Si.

📖 3. Formation des éléments stellaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléosynthèse stellaire : Formation de noyaux par fusion successive dans le cœur des étoiles, à partir de l’hydrogène et jusqu’au fer dans les étoiles suffisamment massives.

★ À maîtriser

• Dans le cœur des étoiles, des noyaux d’hydrogène fusionnent pour former de l’hélium, puis les noyaux formés fusionnent à leur tour pour produire des noyaux plus lourds.

• L’hydrogène et l’hélium sont les éléments les plus abondants de l’Univers parce qu’ils sont les plus légers.

Compléments

• Les transformations nucléaires successives dans les étoiles massives peuvent former des noyaux de fer.

• Le tableau périodique rassemble les éléments formés par :

  • nucléosynthèse
  • désintégration
  • expériences en laboratoire

• Le tableau périodique compte 118 éléments connus et son premier tableau a été établi par le chimiste russe Dimitri Mendeléev.

• Dans la notation nucléaire, Z désigne le nombre de protons et A le nombre de nucléons.

💡 Astuce mémo

H fusionne → He → noyaux plus lourds → Fe.

📖 4. Fusion et fission nucléaires

★ À maîtriser

📌 La fusion assemble des noyaux légers pour former un noyau plus lourd, tandis que la fission scinde un noyau lourd en noyaux plus légers.

Compléments

📐 Formule - La fusion du deutérium et du tritium s’écrit ${}^{3}_{1}\mathrm{H}+{}^{2}_{1}\mathrm{H}\rightarrow{}^{4}_{2}\mathrm{He}+{}^{1}_{0}\mathrm{n}$.

📐 Formule - La fusion du béryllium 8 avec l’hélium 4 produit du carbone 12 selon ${}^{8}_{4}\mathrm{Be}+{}^{4}_{2}\mathrm{He}\rightarrow{}^{12}_{6}\mathrm{C}$.

📐 Formule - La fusion du carbone 12 avec l’hélium 4 produit de l’oxygène 16 selon ${}^{12}_{6}\mathrm{C}+{}^{4}_{2}\mathrm{He}\rightarrow{}^{16}_{8}\mathrm{O}$.

• Lors d’une fusion, le noyau formé possède un nombre de masse supérieur à celui de chacun des noyaux initiaux.

📐 Formule - La fission de l’uranium 235 bombardé par un neutron s’écrit ${}^{1}_{0}\mathrm{n}+{}^{235}_{92}\mathrm{U}\rightarrow{}^{94}_{38}\mathrm{Sr}+{}^{140}_{54}\mathrm{Xe}+2{}^{1}_{0}\mathrm{n}$.

• Lors d’une fission, chaque noyau formé possède un nombre de masse inférieur à celui du noyau lourd initial.

💡 Astuce mémo

Fusion : des noyaux légers s’assemblent ; fission : un noyau lourd se scinde.

📖 5. Applications énergétiques des réactions

★ À maîtriser

• La fission est provoquée lorsqu’un noyau lourd fissile est percuté par un neutron de faible énergie et se scinde généralement en deux noyaux plus légers, en produisant 2 ou 3 neutrons.

• La fusion nucléaire de deux noyaux légers en un nucléide plus lourd dégage une forte quantité d’énergie à l’origine de la lumière des étoiles.

• À masse engagée équivalente, la fusion dégage 5 à 10 fois plus d’énergie que la fission.

Compléments

• La fission nucléaire est très exoénergétique et l’énergie des bombes atomiques provient de fissions en chaîne volontairement non contrôlées.

• Les centrales nucléaires produisent de l’électricité grâce à l’énergie libérée lors des fissions des atomes d’uranium.

📌 Sur Terre, produire l’énergie de fusion de manière contrôlée et rentable reste impossible dans les conditions décrites, car l’amorçage nécessite des températures et des pressions colossales difficiles à atteindre et à entretenir.

• L’énergie des bombes à hydrogène provient de la fusion nucléaire.

📖 6. Découverte et mesure de la radioactivité

🔑 Notions clés & Définitions

• Becquerel : Unité de mesure de l’activité d’un échantillon radioactif, c’est-à-dire du nombre de désintégrations qui s’y produisent par seconde.

★ À maîtriser

• En 1896, Henri Becquerel observe qu’une plaque photographique placée dans l’obscurité près d’un composé contenant de l’uranium se tache sans exposition au soleil, ce qui conduit à la découverte de la radioactivité.

Compléments

• Becquerel conclut que l’uranium émet naturellement un rayonnement inconnu, qu’il nomme « rayon uranique ». - Henri Becquerel

💡 Astuce mémo

Uranium près d’une plaque dans l’obscurité → plaque tachée → radioactivité découverte.