Fiche de révision : Structure de l’atome et énergie nucléaire

📋 Plan du Cours

1. Constitution et modèles de l’atome
2. Nucléides et relations entre noyaux
3. Masses atomiques et masses molaires
4. Radioactivité et stabilité nucléaire
5. Défaut de masse et énergie de liaison
6. Fusion et fission nucléaires

📖 1. Constitution et modèles de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Particule fondamentale, caractéristique d’un élément chimique, constituant la matière et considérée comme indestructible.
• Numéro atomique : Le nombre de protons du noyau et définit l’élément chimique.
• Nombre de masse : La somme du nombre de protons Z et du nombre de neutrons N du noyau.

★ À maîtriser

• L’expérience de Rutherford sur la feuille d’or, réalisée en 1909 avec des particules α, montra que la matière est lacunaire et que la masse et les charges positives sont concentrées dans les noyaux. - Ernest Rutherford

• L’électron porte une charge de −1,60219 × 10⁻¹⁹ C, le proton une charge de +1,60219 × 10⁻¹⁹ C et le neutron une charge nulle.

Compléments

• Le proton et le neutron ont chacun une masse d’environ 1,67 × 10⁻²⁷ kg, tandis que la masse de l’électron est environ 1 800 fois plus faible que celle du proton ou du neutron.

💡 Astuce mémo

Atome lacunaire, noyau dense

📖 2. Nucléides et relations entre noyaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléide : Un type d’atome dont le noyau est caractérisé par le couple (A, Z).
• Isotones : Des nucléides qui possèdent le même nombre de neutrons.

★ À maîtriser

📌 Les isotopes d’un élément ont le même nombre de protons Z mais des nombres de neutrons N différents, tandis que les isobares ont le même nombre de masse A.

• Les atomes isotopes possèdent les mêmes propriétés chimiques dues aux électrons, mais des propriétés physiques, telles que la masse et la radioactivité, différentes en raison de leur noyau.

Compléments

• L’hydrogène naturel contient 99,985 % de ¹H, 0,015 % de ²H et 10⁻⁷ % de ³H.

💡 Astuce mémo

Isotopes : même Z ; isobares : même A

📖 3. Masses atomiques et masses molaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Unité de masse atomique : Vaut un douzième de la masse d’un atome de carbone 12, dont la masse est définie comme 12 u.

★ À maîtriser

• La mole est définie comme le nombre d’atomes de carbone 12 contenus dans 12 g de carbone 12, et la masse molaire de l’isotope ¹²C vaut 12 g·mol⁻¹.

• Le nombre d’Avogadro est 6,022 × 10²³ mol⁻¹ ; une mole d’entités contient donc 6,022 × 10²³ de ces entités.

📐 Formule - La masse molaire atomique d’un élément naturel est la moyenne pondérée des masses molaires isotopiques : $M_X = \sum_i \alpha_i M_i$.

Compléments

• L’équivalent en masse de 1 u est 1,66057 × 10⁻²⁷ kg.

📐 Formule - La masse molaire moléculaire est la somme des masses molaires atomiques des atomes de la molécule : $M_M = \sum_j M_{x(j)}$.

📖 4. Radioactivité et stabilité nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité : La propriété de certains isotopes instables d’émettre un rayonnement lors de leur transmutation.

★ À maîtriser

• Les 275 noyaux stables connus sont répartis près de N = Z pour les noyaux légers et de N = 1,5 Z pour les noyaux lourds ; les noyaux de masse atomique supérieure à 209 sont instables.

• Un noyau lourd possédant un excès de nucléons peut se désintégrer en émettant un noyau d’hélium, appelé particule α.

• Un noyau possédant un excès de neutrons peut émettre une particule β⁻ et un antineutrino ; cette transformation isobarique convertit un neutron en proton.

Compléments

• La radioactivité naturelle a été découverte par H. Becquerel en 1896 sur l’uranium, puis Pierre et Marie Curie ont étudié le radium et le polonium.

• Lors d’une désintégration α ou β, le noyau fils peut être excité et se désexciter en émettant un rayonnement γ électromagnétique très énergétique.

💡 Astuce mémo

Excès de neutrons → émission β−

📖 5. Défaut de masse et énergie de liaison

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie de liaison : L’énergie associée à la différence entre la masse du noyau et celle de ses nucléons séparés.

★ À maîtriser

• Dans une réaction nucléaire, la différence entre la masse des produits et celle des réactifs peut être convertie en énergie, ce qui explique le défaut de masse.

📐 Formule - L’énergie correspondant à un défaut de masse Δm est donnée par la relation d’Einstein $\Delta E = \Delta m c^2$.

Compléments

• Pour le manganèse 55, la masse du noyau est 54,938 u, tandis que celle de 25 protons, 30 neutrons et 25 électrons séparés est 55,449 u.

• L’énergie de liaison par nucléon du manganèse 55 est de 8,81 MeV par nucléon.

💡 Astuce mémo

Défaut de masse → énergie de liaison

📖 6. Fusion et fission nucléaires

★ À maîtriser

• La fusion du deutérium et du tritium dégage environ 20 MeV.

• Une fission de l’uranium 235 peut dégager environ 200 MeV.

Compléments

• La comparaison de l’énergie par réaction indique environ 20 MeV pour une fusion de deutérium et tritium contre environ 200 MeV pour une fission, mais le document compare également des nombres de noyaux différents par gramme.

💡 Astuce mémo

Fusion légère : environ 20 MeV ; fission : environ 200 MeV

📊 Tableaux de synthèse

Relations entre nucléides