Transformation nucléaire

Introduction

Tu as vu au chapitre précédent que lors d'une transformation chimique, les atomes sont conservés : seules les liaisons entre eux se réorganisent. Lors d'une transformation nucléaire, c'est tout autre chose : c'est le noyau de l'atome lui-même qui se transforme. Les protons et les neutrons se réorganisent, et un élément chimique peut se transformer en un autre élément.

Les transformations nucléaires sont à l'origine de phénomènes considérables : l'énergie du Soleil (fusion nucléaire), l'énergie produite dans les centrales nucléaires (fission nucléaire) et la radioactivité naturelle.

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1. Rappel : composition du noyau

Un noyau est caractérisé par :

• son numéro atomique Z : nombre de protons (définit l'élément chimique),
• son nombre de masse A : nombre total de nucléons (protons + neutrons),
• son écriture conventionnelle : ᴬ_Z X.

Le nombre de neutrons est : N = A − Z.

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2. Les isotopes

2.1 Définition

Des isotopes sont des atomes qui possèdent le même nombre de protons Z (donc le même élément chimique) mais un nombre de neutrons N différent (donc un nombre de masse A différent).

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2.2 Exemples

Isotopes de l'hydrogène (Z = 1) :

Isotopes du carbone (Z = 6) :

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3. Les réactions nucléaires

3.1 Différence fondamentale avec les réactions chimiques

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3.2 Lois de conservation

Lors d'une réaction nucléaire, deux grandeurs sont conservées :

• Le nombre de masse A total (conservation du nombre de nucléons).
• Le numéro atomique Z total (conservation de la charge).

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3.3 Écriture symbolique

Une réaction nucléaire s'écrit de la même manière qu'une équation, avec les notations ᴬ_Z X pour chaque noyau ou particule :

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4. Aspects énergétiques des transformations nucléaires

4.1 Des énergies colossales

Les transformations nucléaires libèrent des quantités d'énergie incomparablement plus grandes que les transformations chimiques. Pour donner un ordre de grandeur : la fission d'1 kg d'uranium 235 libère autant d'énergie que la combustion d'environ 2 000 tonnes de pétrole.

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4.2 La fusion nucléaire : l'énergie du Soleil

Dans le Soleil, des noyaux légers (principalement l'hydrogène) fusionnent pour former des noyaux plus lourds (hélium). Cette réaction de fusion nucléaire libère une énergie considérable sous forme de lumière et de chaleur.

C'est cette énergie qui fait briller le Soleil depuis environ 4,6 milliards d'années — et il en a encore pour autant.

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4.3 La fission nucléaire : les centrales nucléaires

Dans une centrale nucléaire, un noyau lourd (uranium 235 ou plutonium 239) se casse en deux noyaux plus légers sous l'impact d'un neutron. Cette réaction de fission nucléaire libère de l'énergie thermique, utilisée pour produire de la vapeur d'eau qui entraîne une turbine et un alternateur.

Les neutrons produits peuvent à leur tour provoquer la fission d'autres noyaux d'uranium : c'est la réaction en chaîne.

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5. Identifier la nature d'une transformation

Tu dois savoir distinguer les trois types de transformation à partir d'une description ou d'une écriture symbolique :

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L'essentiel du chapitre

Isotopes : atomes de même Z (même élément) mais de A différent (nombre de neutrons différent). Mêmes propriétés chimiques, propriétés physiques légèrement différentes.

Réaction nucléaire : le noyau se transforme. Conservation de A (nucléons) et de Z (charge) de chaque côté de l'équation.

Fusion nucléaire : des noyaux légers fusionnent en un noyau plus lourd → énergie du Soleil. Exemple : 4 H → He.

Fission nucléaire : un noyau lourd se casse en noyaux plus légers → énergie des centrales nucléaires. Exemple : U-235 → Ba + Kr + neutrons.

Énergie nucléaire : incomparablement plus grande que l'énergie chimique (rapport ≈ 10⁶).

Distinguer les 3 types : physique (état change), chimique (liaisons changent, éléments conservés), nucléaire (noyaux changent, éléments transformés).