FICHE DE RÉVISION – Transformations Nucléaires et Isotopes
(Niveau : Seconde)
Transformations Nucléaires et Isotopes
Comprendre la structure du noyau, les isotopes et les réactions qui libèrent une énergie immense.
Partie 1 : Le Noyau Atomique et les Isotopes
Le noyau d’un atome est composé de particules appelées nucléons :- Les protons (charge positive)
- Les neutrons (charge neutre)
Notation d’un noyau : \(^{A}_{Z}X\)
- \(X\) est le symbole de l’élément (ex: C, U, H…).
- \(Z\) est le numéro atomique : c’est le nombre de protons. C’est ce qui définit l’élément chimique. (Ex: tout ce qui a Z=6 est du Carbone).
- \(A\) est le nombre de masse : c’est le nombre total de nucléons (Protons + Neutrons).
- Le nombre de neutrons \(N\) se calcule par : \(N = A – Z\).
Le Carbone 12 : \(^{12}_{6}\text{C}\).Il a \(Z=6\) protons.Il a \(A=12\) nucléons au total.Il a donc \(N = 12 – 6 = 6\) neutrons.
Définition des Isotopes
Des isotopes sont des atomes qui possèdent le même nombre de protons (même \(Z\)) mais un nombre de neutrons différent (donc un \(A\) différent).Ils appartiennent au même élément chimique mais n’ont pas la même masse.
Les isotopes du Carbone :
- Le Carbone 12 : \(^{12}_{6}\text{C}\) (6 protons, 6 neutrons) -> Stable.
- Le Carbone 13 : \(^{13}_{6}\text{C}\) (6 protons, 7 neutrons) -> Stable.
- Le Carbone 14 : \(^{14}_{6}\text{C}\) (6 protons, 8 neutrons) -> Radioactif.
Partie 2 : La Transformation Nucléaire
Une transformation nucléaire est une transformation au cours de laquelle le noyau d’un atome est modifié. Un ou plusieurs noyaux réagissent pour en former de nouveaux.Lois de Conservation (Lois de Soddy) :Lors d’une réaction nucléaire, il y a conservation :
- Du nombre de masse \(A\) (le nombre total de nucléons ne change pas).
- Du numéro atomique \(Z\) (la charge totale ne change pas).
Exemple : Désintégration du Carbone 14Le Carbone 14 (\(^{14}_{6}\text{C}\)) est instable et se transforme naturellement en Azote 14 (\(^{14}_{7}\text{N}\)) en émettant un électron (\(^{0}_{-1}\text{e}\)).Écriture symbolique : \(^{14}_{6}\text{C} \rightarrow ^{14}_{7}\text{N} + ^{0}_{-1}\text{e}\)Vérifions les lois :1. Conservation de A : \(14 \rightarrow 14 + 0\). (On a bien 14 = 14).2. Conservation de Z : \(6 \rightarrow 7 + (-1)\). (On a bien 6 = 6).Le Carbone (Z=6) s’est transformé en Azote (Z=7) : c’est bien une transformation nucléaire.
🚨 Comment différencier les 3 transformations ? 🚨
- Physique : Les molécules sont 100% identiques. Seul l’état change.\( \text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{H}_2\text{O(g)} \) (L’espèce H₂O est la même).
- Chimique : Les atomes sont conservés, mais forment de nouvelles molécules.\( \text{CH}_4 + 2 \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2 \text{H}_2\text{O} \) (Les atomes C, H, O se réarrangent).
- Nucléaire : Les noyaux sont modifiés. Les éléments eux-mêmes changent. la transformation nucleaire vient du nucléon .
- \( ^{14}_{6}\text{C} \rightarrow ^{14}_{7}\text{N} + … \) (Le Carbone devient de l’Azote).
Partie 3 : Aspects Énergétiques (Fission et Fusion)
Les transformations nucléaires mettent en jeu des énergies colossales, sans commune mesure avec les énergies des transformations chimiques (combustion) ou physiques (changement d’état).Cette énergie provient d’une très petite perte de masse lors de la réaction (décrite par la célèbre formule \(E=mc^2\)).1. La Fission Nucléaire (Centrales Nucléaires)
La fission (du latin *fissio*, « casser ») est une réaction où un noyau lourd (ex: Uranium 235) est percuté par un neutron et se brise en deux noyaux plus légers.Cette réaction libère :
- D’autres neutrons (qui peuvent provoquer une réaction en chaîne).
- Une énorme quantité d’énergie.
Équation d’une fission possible de l’Uranium 235 : $$ ^{235}_{92}\text{U} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow ^{141}_{56}\text{Ba} + ^{92}_{36}\text{Kr} + 3 \text{ }^{1}_{0}\text{n} + \text{Énergie} $$
2. La Fusion Nucléaire (Soleil)
La fusion (le contraire de la fission) est une réaction où deux noyaux légers (ex: des isotopes de l’Hydrogène) se combinent (fusionnent) pour former un noyau plus lourd (ex: Hélium).Cette réaction ne peut se produire qu’à des températures et des pressions extrêmes. Elle libère encore plus d’énergie que la fission.Application : C’est la réaction qui se produit au cœur du Soleil et des étoiles.
Une des réactions de fusion dans le Soleil : $$ ^{2}_{1}\text{H} + ^{3}_{1}\text{H} \rightarrow ^{4}_{2}\text{He} + ^{1}_{0}\text{n} + \text{Énergie} $$ (Deutérium + Tritium \(\rightarrow\) Hélium + 1 neutron)
Partie 4 : Entraînement (Exercices)
- Exercice 1 (Isotopes) : On donne les noyaux suivants : \(^{39}_{19}\text{K}\) (Potassium), \(^{40}_{18}\text{Ar}\) (Argon), \(^{40}_{19}\text{K}\) (Potassium), \(^{40}_{20}\text{Ca}\) (Calcium).Lesquels sont isotopes entre eux ? Justifier.
- Exercice 2 (Identifier) : Identifier la nature (physique, chimique ou nucléaire) de chaque transformation :a) \( \text{I}_2\text{(s)} \rightarrow \text{I}_2\text{(g)} \)b) \( ^{238}_{92}\text{U} \rightarrow ^{234}_{90}\text{Th} + ^{4}_{2}\text{He} \)c) \( 2 \text{H}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 2 \text{H}_2\text{O(l)} \)
- Exercice 3 (Écriture symbolique) : La fission du Plutonium 239 (\(^{239}_{94}\text{Pu}\)) par un neutron peut produire du Tellure 138 (\(^{138}_{52}\text{Te}\)) et 3 neutrons. Écrire l’équation et identifier le noyau manquant \(^{A}_{Z}X\).\( ^{239}_{94}\text{Pu} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow ^{138}_{52}\text{Te} + ^{A}_{Z}X + 3 \text{ }^{1}_{0}\text{n} \)
- Exercice 4 (Énergie) : Comment une centrale nucléaire produit-elle de l’énergie (chaleur) ? Et comment le Soleil produit-il la sienne ?
Partie 5 : Corrections Détaillées
Correction Exercice 1 (Isotopes)
Par définition, des isotopes ont le même numéro atomique \(Z\) (même nombre de protons) mais un nombre de masse \(A\) différent.Regardons les numéros \(Z\) (en bas) :\(^{39}_{19}\text{K}\) (Z=19)\(^{40}_{18}\text{Ar}\) (Z=18)\(^{40}_{19}\text{K}\) (Z=19)\(^{40}_{20}\text{Ca}\) (Z=20)Les deux noyaux qui ont le même Z (Z=19) sont \(^{39}_{19}\text{K}\) et \(^{40}_{19}\text{K}\).Ils ont bien des nombres de masse A différents (39 et 40). Ce sont donc des isotopes.
Correction Exercice 2 (Identifier)
- a) \( \text{I}_2\text{(s)} \rightarrow \text{I}_2\text{(g)} \) : L’espèce chimique est I₂ (diiode) des deux côtés. Seul l’état (solide \(\rightarrow\) gaz) change. C’est une transformation physique (une sublimation).
- b) \( ^{238}_{92}\text{U} \rightarrow ^{234}_{90}\text{Th} + … \) : Un élément (Uranium, Z=92) se transforme en un autre (Thorium, Z=90). C’est une transformation nucléaire.
- c) \( 2 \text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2 \text{H}_2\text{O} \) : Les atomes H et O se réarrangent pour former une nouvelle molécule (H₂O). C’est une transformation chimique.
Correction Exercice 3 (Écriture symbolique)
Équation : \( ^{239}_{94}\text{Pu} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow ^{138}_{52}\text{Te} + ^{A}_{Z}X + 3 \text{ }^{1}_{0}\text{n} \)On applique les lois de conservation de Soddy :1. Conservation de A (masse) :Total A (gauche) = 239 + 1 = 240Total A (droite) = 138 + A + 3 \(\times\) 1 = 141 + ADonc : \( 240 = 141 + A \Rightarrow A = 240 – 141 = 99 \).2. Conservation de Z (charge) :Total Z (gauche) = 94 + 0 = 94Total Z (droite) = 52 + Z + 3 \(\times\) 0 = 52 + ZDonc : \( 94 = 52 + Z \Rightarrow Z = 94 – 52 = 42 \).Le noyau manquant est \(^{99}_{42}X\). (L’élément Z=42 est le Molybdène, Mo).Réponse : \(^{99}_{42}\text{Mo}\).
Correction Exercice 4 (Énergie)
Centrale nucléaire : Elle produit de l’énergie grâce à la fission nucléaire. Des noyaux lourds (comme l’Uranium) sont « cassés » en noyaux plus légers, ce qui libère une grande quantité de chaleur.Soleil : Il produit de l’énergie grâce à la fusion nucléaire. Au cœur de l’étoile, des noyaux légers (comme l’Hydrogène) se combinent (fusionnent) pour former des noyaux plus lourds (comme l’Hélium), ce qui libère une quantité d’énergie encore plus grande.
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