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- Cet article se concentre sur la conversion masse-énergie.
- Tout d'abord, nous examinerons l' équation de conversion de masse d'Einstein.
- Ensuite, nous utiliserons cette équation dans un exemple.
- Ensuite, nous étudierons la réaction de désintégration radioactive et calculerons la quantité d'énergie libérée au cours de cette réaction.
- Ensuite, nous étudierons la conversion masse-énergie qui se produit dans le soleil et que l'on appelle lafusion solaire .
- Enfin, nous étudierons la conversion masse-énergie qui se produit lors de l'explosion d'une bombe atomique.
L'équation de conversion masse-énergie d'Einstein
Examinons de plus près cette équation, d'accord ?
$$E=mc^2$$
Où :
- E est l'énergie,
- m est la masse
- c est la vitesse de la lumière.
Le point clé ici est que tous les objets ont une quantité intrinsèque d'énergie stockée en eux. La vitesse de la lumière est un nombre assez important (environ 3x108 m/s), donc même une petite particule peut avoir beaucoup d'énergie stockée en elle.
Pour comprendre ce que je veux dire, prenons un exemple.
Exemple de conversion masse-énergie
Disons que nous avons un joli chat tuxedo qui pèse 3,63 kg (environ 8 livres). Quelle quantité d'énergie ce chat contient-il ? Eh bien, introduisons-la dans notre formule :
$$E=mc^2$$.
$$E=(3.63\,kg)(3x10^8\frac{m}{s})^2$$
$$E=(3.63\,kg)(9x10^{16}\frac{m^2}{s^2})$$
$$E=3.267x10^17\frac{kg*m^2}{s^2}$$
$$1\,Joule(J)=1\frac{kg*m^2}{s^2}$$
$$E=3.267x10^17\,J$$
À titre de référence, une bombe atomique libère environ 1,5-1013 joules, ce qui est environ 22 000 fois plus puissant .
Même si tu regardes maintenant ton ami à fourrure de travers, il ne s'agit pas vraiment d'une bombe à retardement. En réalité, il est assez difficile de convertir cette masse en énergie, c'est pourquoi les armes nucléaires sont utilisées dans les guerres plutôt que les chats (ou des objets tout aussi lourds).
Annihilation de la matière et de l'antimatière
Il est incroyablement difficile de libérer toute l'énergie d'une espèce. Le seul moyen d'y parvenir est l'annihilation. Il s'agit d'un processus au cours duquel la matière et l'antimatière entrent en collision et libèrent toute cette énergie par le biais d'ondes électromagnétiques.
Par exemple, si un électron (-e) et un positron (+e) entrent en collision, ils s'annihilent l'un l'autre et libèrent l'énergie stockée sous forme de rayons gamma.
En fait, ces deux espèces "s'annulent", ce qui libère toute l'énergie stockée dans la matière. Cependant, ce processus est très rare car il n'y a pas beaucoup d'antimatière.
Réaction de conversion masse-énergie
L'une des façons de convertir la masse en énergie est la désintégration radioactive.
Au cours de la désintégration radioactive, un noyau instable émet des radiations sous forme d'énergie et/ou de particules pour devenir plus stable
Nous pouvons utiliser l'équation de conversion masse-énergie pour calculer l'énergie émise en raison de la perte de masse par émission de particules.
Par exemple, calculons la perte d'énergie due à cette réaction :
Nous voyons ici la désintégration d'un atome de césium (Cs). Il convertit un de ses neutrons (n) en un proton (p+) et un électron (e-), qui sont éjectés. Comme l'espèce gagne un proton, elle devient du baryum (Ba).
Chaque élément possède un nombre déterminé de protons, appelé numéro atomique. Lorsque le numéro atomique change (c'est-à-dire que le nombre de protons change), l'identité de l'élément change,
Tout d'abord, nous devons calculer le changement de masse. Nous passons d'un échantillon de césium-137 radioactif (masse 136,907 g/mol) à un échantillon de baryum-137 neutre (136,906 g/mol). Le changement de masse est donc de :
$$\Delta m=m_{produit}-m_{réactif}$$$\Delta m=(136.906\frac{g}{mol})-(136.907\frac{g}{mol})
$$\Delta m=(136.906\frac{g}{mol})-(136.907\frac{g}{mol})$$
$$\Delta m=-0.001\frac{g}{mol}$$
Si nous supposons qu'il y a 1 mole de l'échantillon, il y a un changement de masse de -0,001 g ou -1x10-6 kg.
Nous pouvons maintenant introduire ce résultat dans notre formule de conversion masse-énergie :
$$\Delta E=\Delta m*c^2$$.
$$\Delta E=(-1x10^{-6}\,kg)(3x10^8\frac{m}{s})^2$$
$$\Delta E=-9x10^{10}\,J$$
La quantité d'énergie libérée ici est beaucoup, beaucoup plus importante que celle d'une réaction chimique standard.
Conversion masse-énergie dans le soleil
T'es-tu déjà demandé comment le soleil produisait de l'énergie ? La réponse est la fusion nucléaire.
Lafusion nucléaire est le processus par lequel des noyaux atomiques plus petits se combinent pour former un noyau plus lourd, libérant ainsi de l'énergie.
En gros, il y a plusieurs collisions pour fabriquer des noyaux de plus en plus lourds jusqu'à ce que nous formions le noyau d'hélium stable (qui a 2 protons et 2 neutrons).Maintenant, faisons nos calculs !
Dans le soleil, quatre noyaux d'hydrogène fusionnent pour former des noyaux d'hélium. Si la masse totale des quatre noyaux d'hydrogène est de 4,03130 amu et que la masse d'un noyau d'hydrogène est de 4,00268, quelle est la quantité d'énergie totale libérée ?
$$\Delta m=m_{produit}-m_{réacteurs}$$
$$\Delta m=(4.00268\,amu)-(4.03130\,amu)$$
$$\Delta m=-0.02862\,amu$$$
En supposant qu'il y ait 1 mole de réactifs, le changement de masse est de -0,02862 g ou -2,862x10-5 kg.
$$\Delta E=\Delta mc^2$$
$$\Delta E=(-2.862x10^{-5}\,kg)(3x10^{8}\frac{m}{s})^2$$
$$\Delta E=2.58x10^12\,J$$
C'est beaucoup d'énergie ! !!
Conversion de l'énergie de masse dans une bombe atomique
Les bombes atomiques fonctionnent grâce à un processus différent appelé fission nucléaire.
Lafission nucléaire est le processus de division d'un noyau, qui libère de l'énergie
Le fonctionnement d'une bombe atomique repose sur une réaction de fission en chaîne :
- Un neutron libre frappe le noyau d'un élément radioactif (ex : l'uranium).
- Le choc arrache quelques neutrons au noyau radioactif.
- Ces neutrons désormais libres frappent d'autres noyaux, libérant ainsi plus d'énergie/neutrons.
Cette réaction en chaîne se déclenche presque instantanément, ce qui explique la grande quantité d'énergie libérée.
Bien que les bombes elles-mêmes soient massives, la variation de masse est beaucoup plus faible. Par exemple, une bombe atomique pesant environ 1,86x107 kilogrammes n'en a converti que 0,9 gramme en énergie.
Bien que cela puisse sembler minime en théorie, calculons l'énergie libérée.
Calcule l'énergie libérée lorsqu'une liaison atomique convertit 0,9 gramme (9x10-4 kg) en énergie :
$$\Delta E=\Delta m*c^2$$$.
$$\Delta E=(9x10^{-4}\,kg)(3x10^8\frac{m}{s})^2
$$\Delta E=8.1x10^{13}\,J$$
À titre de référence, c'est comme si tu faisais exploser plus de 22 000 tonnes de TNT.
Conversion masse-énergie - Principaux enseignements
- L'équation de la conversion masse-énergie est la suivante : $$E=mc^2$$.
- Où E est l'énergie, m la masse et c la vitesse de la lumière.
- La masse est généralement convertie en énergie par une réaction nucléaire ou radioactive.
- Au cours de la désintégration radioactive, un noyau instable émet des radiations sous forme d'énergie et/ou de particules pour devenir plus stable.
- Lafusion nucléaire est le processus par lequel des noyaux atomiques plus petits se combinent pour former un noyau plus lourd, libérant ainsi de l'énergie.
- Lafission nucléaire est le processus de division d'un noyau, qui libère de l'énergie.
Références
- Fig.1-Désintégration radioactive du césium (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bd/Beta-decay-example.svg/640px-Beta-decay-example.svg.png) par MikeRun sur Wikimedia Commons sous licence CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/)
- Fig.2-Fusion nucléaire solaire (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/78/Fusi%C3%B3n_solar.png/640px-Fusi%C3%B3n_solar.png) par Borb sur Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Borb) sous licence CC BY-SA 3,0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en)
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