Dans ton cours de biologie au lycée, tu as probablement entendu parler du terme "fission binaire", qui fait référence à la division en deux des cellules mères pour produire deux nouvelles cellules.
En chimie, nous avons des processus similaires impliquant la division des noyaux atomiques.
Si tu veux en savoir plus sur ce qui arrive au noyau atomique lors de la fission nucléaire, continue à lire !
- Ce résumé de cours porte sur la fission nucléaire.
- Tout d'abord, nous allons définir les particules élémentaires, le noyau atomique et le rayonnement alpha.
- Nous verrons la radioactivité et la désintégration radioactive.
- Ensuite, nous parlerons de la fusion nucléaire et des réactions nucléaires qui se produisent dans le soleil.
- Ensuite, nous explorerons la fission nucléaire et examinerons quelques exemples impliquant la fission.
- Nous examinerons l'uranium et la différence entre la fission et la fusion nucléaires.
- Nous terminerons notre résumé de cours par la centrale nucléaire.
Particules élémentaires
Avant de plonger dans la fission et la fusion nucléaires, parlons des bases des réactions nucléaires, ainsi que des tendances du tableau périodique en matière de radioactivité.
Tout d'abord commençons notre résumé de cours par définir les particules élémentaires.
Une particule élémentaire est une particule inconnue dans sa composition : on ne sait pas si elle est constituée d'autres particules plus petites. La particule qui se trouve à l'intérieur d'un atome, dont la taille est inférieure à celle de l'atome, est une particule élémentaire.
Pourquoi est-il important de connaître les particules élémentaires ?
La connaissance des particules élémentaires nous permet de comprendre pourquoi et comment les atomes réagissent, et ce qui se passe lorsqu'ils réagissent.
Noyau atomique
La figure-1 montre la structure d'un atome. À l'intérieur du noyau atomique, on trouve des protons et des neutrons, tandis que les électrons gravitent autour du noyau dans le nuage électronique.
- Le numéro atomique est le nombre de protons d'un élément (ou charge lorsqu'il s'agit de particules nucléaires).
- La masse atomique est la masse moyenne d'un atome, compte tenu des masses de ses isotopes.
Fig.1- Structure d'un atome de carbone Dans le noyau, il existe d'autres particules nucléaires que le proton et le neutron. Ce sont :
- La particule alpha \( \alpha \) ;
- La particule bêta \( \beta \) ;
- Le positron et le rayon gamma \( \gamma \) .
Particule nucléaire | Symbole | Masse \( uma \) ) | Charge |
Particule alpha | \( ^{4} _{2} \alpha \) | \( 4,00151 \) | \( +2 \) |
Neutron | \( ^{1} _{0} n \) | \( 1,00866 \) | \( 0 \) |
Proton | \( ^{1} _{1} p \) | \( 1,00728 \) | \( +1 \) |
Particule bêta | \( ^{0} _{-1} \beta \) | \( 0,00015 \) | \( -1 \) |
Positron | \( ^{0} _{1} \beta \) | \( 0,00015 \) | \( +1 \) |
Rayon gamma | \( ^{0} _{0} \gamma \) | \( 0 \) | \( 0 \) |
Les rayonnements alpha et bêta sont des types de rayonnements de particules, tandis que le rayonnement gamma est un type de rayonnement électromagnétique.
Dans les particules nucléaires, le chiffre du haut est le numéro de masse (nombre de protons + neutrons), et le chiffre du bas est le numéro atomique (nombre de protons ou charge de la particule nucléaire).
Par exemple, une particule de proton \( p \) a un numéro de masse de \( 1 \) et une charge de \( +1 \) .
Qu'est-ce qu'est le rayonnement alpha ?
Le rayonnement alpha est composé de noyaux d'hélium en mouvement rapide éjectés du noyau d'atomes lourds instables sous l'effet d'interactions électromagnétiques et fortes.
Les particules alpha, quant à elles, ont un numéro atomique de \( 2 \) et un numéro de masse de \( 4 \) ( \(2 \) protons \( + \) \( 2 \) neutrons).
Les particules alpha sont également équivalentes aux noyaux d'hélium, \( ^{4} _{2} He \)
Fig.2- Rayonnement alpha.
Les particules alpha sont constituées de deux protons et de deux neutrons et ont une portée de quelques centimètres dans l'air. Le processus de production de particules alpha est appelé désintégration alpha.
Bien que ces particules puissent être absorbées par des feuilles métalliques et du papier de soie, elles sont fortement ionisantes (c'est-à-dire qu'elles ont suffisamment d'énergie pour interagir avec les électrons et les détacher des atomes). Parmi les trois types de rayonnement, le rayonnement alpha est non seulement le moins pénétrant et le plus court, mais aussi le plus ionisant.
Radioactivité
En matière de radioactivité, tous les éléments possédant un numéro atomique (nombre de protons) supérieur à \( 83 \) sont considérés comme radioactifs. En d'autres termes, le polonium \( Po \) et tous les éléments qui suivent le polonium seront radioactifs !
Les noyaux considérés comme radioactifs sont également appelés radionucléides, et les atomes contenant ces noyaux sont appelés radio-isotopes.
Fig.3- Le tableau périodique des éléments
Prenons un exemple !
L'un des éléments suivants est-il susceptible d'être radioactif ?
a- \( Ca \)
b- \( Ag \)
c- \( Hg \)
d- \( Fr \)
Parmi les éléments suivants, le seul élément dont le numéro atomique est supérieur à \( 83 \) est le francium \( Fr \) . Donc, "d" est la bonne réponse.
La radioactivité est également affectée par le nombre de protons et de neutrons de l'isotope. En général, les isotopes dont le noyau contient un nombre pair de protons et de neutrons sont plus susceptibles d'être plus stables que ceux dont le noyau contient un nombre impair de protons et de neutrons.
La chimie nucléaire consiste à étudier les modifications du noyau des éléments. Ces changements sont les sources de la radioactivité !
Réaction nucléaire
Parlons maintenant des réactions nucléaires, c'est-à-dire des réactions qui se produisent dans le noyau d'un atome.
Une réaction nucléaire se produit lorsque deux noyaux, ou un noyau et une particule subatomique (proton, neutron ou électron) entrent en collision pour former des produits.
La transformation nucléaire
Une transformation nucléaire est une transformation au cours de laquelle il y a une modification de la structure du noyau atomique.
Contrairement aux transformations chimiques qui concernent les électrons autour du noyau, dans le cas de la transformation nucléaire la modification se passe au niveau du noyau.
Les désintégrations radioactives
Les désintégrations radioactives sont considérées comme des réactions nucléaires spontanées.
La désintégration radioactive se produit lorsque le noyau d'un atome se décompose spontanément, libérant de l'énergie et de la matière.
En ce qui concerne la désintégration radioactive, différentes voies de désintégration nucléaire peuvent se produire, comme la désintégration \( \alpha \) , la désintégration \( \beta \) , l'émission de positrons, la capture d'électrons et la désintégration \( \gamma \) .
Par exemple, la désintégration bêta qui se produit dans un noyau de césium \( Cs \) est un exemple de réaction nucléaire. La désintégration \( \beta \) est une forme de désintégration nucléaire dans laquelle une particule \( \beta \) est émise.
Maintenant que nous avons appris ce que sont les réactions nucléaires et les particules nucléaires qui existent, parlons de deux types importants de réactions nucléaires : la fusion et la fission nucléaires.
Qu'est-ce que la fusion nucléaire ?
La fusion nucléaire est la fusion de deux ou plusieurs noyaux plus légers pour former un noyau plus lourd et plus stable.
L'image ci-dessous (figure 3) montre le processus de fusion nucléaire. Dans cet exemple, des températures élevées de plusieurs millions de degrés Celsius \( °C \) provoquent la fusion de petits noyaux d'hydrogène, formant un noyau plus gros et libérant un noyau d'hélium (particule alpha). Lors de la fusion nucléaire, d'énormes quantités d'énergie nucléaire sont libérées.
Fig.4- Le processus de fusion nucléaire
Le soleil
Sais-tu que l'énergie produite par les étoiles (par exemple, le soleil) provient de la fusion nucléaire ? Dans le soleil, la fusion des protons d'hydrogène pour former de l'hélium dégage d'immenses quantités d'énergie !
Une importante réaction de fusion nucléaire qui se produit dans les étoiles de faible masse comme le soleil s'appelle la réaction en chaîne proton-proton. Au cours de ce processus, deux \( ^{1} H \) entrent en collision, formant un \( ^{2} H \) (également appelé deutérium), et émettent un positron.
Ensuite, \( ^{2} H \) entrera en collision avec un autre protium \( ^{1} H \) , formant de l'hydrogène-3 \( ^{3} H \) et émettra un rayon gamma. L'hydrogène-3 est très instable, il va donc rapidement fusionner avec un autre hydrogène \( 3 \) .
Lorsque deux \( ^{3} H \) se rencontrent et entrent en collision, ils libèrent un noyau d'hélium, deux hydrogène-1 et beaucoup d'énergie !
Qu'en est-il des éléments plus lourds que l'hélium ? Eh bien, ils sont formés par des réactions de fusion ultérieures entre des atomes d'hélium, connues sous le nom de processus triple-alpha.
Définissons maintenant la fission nucléaire. !
Qu'est-ce que la fission nucléaire ?
Le mot "fission" signifie division. La fission nucléaire signifie la séparation du noyau d'un atome.
Définition de la fission nucléaire
La fission nucléaire est le processus qui consiste à diviser un noyau lourd en deux noyaux de masse plus faible (nombre de protons plus neutrons).
Comment se déroule la fission nucléaire ?
Lorsqu’un neutron est projeté sur le noyau atomique, celui-ci se divise et dégage une énorme quantité de chaleur. Lors de la fission nucléaire, le noyau libère deux ou trois neutrons, qui entrent à leur tour en collision avec d'autres noyaux. Cette réaction en chaîne peut conduire à une puissante explosion.
Fig.5- Le processus de la fission nucléaire
La fission de l'atome provoque un autre phénomène, une radioactivité intense. Les deux morceaux d'atomes émettent des rayonnements \( \alpha , \beta \space et \space \gamma \) .
Le rayonnement gamma \( \gamma \) est le plus dangereux pour les organismes vivants. Il faut plusieurs centimètres de plomb, d'eau ou de béton pour l'arrêter.
Les réactions de fission se produisent rarement dans la nature, et ont généralement lieu dans des réacteurs nucléaires. La fission nucléaire libère également de grandes quantités d'énergie qui peuvent même être utilisées pour produire de l'électricité !
La fusion nucléaire libère \( 3 \) à \( 4 \) fois plus d'énergie que la fission nucléaire !
Dans l'industrie nucléaire, il s'agit d'un atome d'Uranium-235.
Uranium
L'isotope instable de l'uranium, l'uranium 235, est couramment utilisé pour les réactions de fission nucléaire. Dans cette réaction de fission, un neutron entre en collision avec le noyau de l'uranium-235, créant ainsi de l'uranium-236. La haute énergie créée par la collision divise le noyau d'uranium 236 en noyaux plus petits. Pendant la division et la libération d'énergie, d'autres neutrons sont produits !
Si ces neutrons entrent en collision avec un autre noyau d'uranium 235, celui-ci subira une fission, ce qui entraînera une augmentation de l'énergie et la production d'autres neutrons.
Fig.6- fission nucléaire de l'uranium
De nombreuses réactions peuvent se produire lors de la fission nucléaire de l'U-235, notamment :
$$ ^{1} _{0}n + ^{235} _{92}U \rightarrow ^{137} _{52}Te + ^{97} _{40}Zr + 2( ^{1} _{0}n) $$
$$ ^{1} _{0}n + ^{235} _{92}U \rightarrow ^{142} _{56}Ba + ^{91} _{36}Kr + 3( ^{1} _{0} n ) $$
Différence entre la fusion nucléaire et la fission nucléaire
Pour simplifier les choses, résumons les différences entre la fusion nucléaire et la fission nucléaire dans le tableau ci-dessous.
Fusion nucléaire | Fission nucléaire |
Fusion de deux ou plusieurs noyaux légers pour former un noyau plus lourd et plus stable. | Le processus de division d'un noyau lourd en deux noyaux de masse plus faible. |
Se produit dans les étoiles, comme le soleil. | Se produit rarement dans la nature. Associé aux réacteurs nucléaires. |
Environnement à haute température nécessaire. | Nécessite des neutrons à grande vitesse et des noyaux lourds. |
Nécessite une énergie extrêmement élevée pour que deux protons ou plus soient suffisamment proches pour entrer en collision. | N'a pas besoin de beaucoup d'énergie pour diviser les atomes. |
Libère \( 3 \) à \( 4 \) fois plus d'énergie que la fission. | Libère de grandes quantités d'énergie. |
Maintenant, j'espère que tu es plus confiant dans ta compréhension de la fission nucléaire !
Centrale nucléaire
Les centrales nucléaires sont généralement construites près de la mer parce qu'elles ont besoin d'un accès à l'eau pour le liquide de refroidissement. Malgré sa mauvaise réputation, l'énergie nucléaire est une excellente source d'électricité.
Aujourd'hui, plus de \( 400 \) centrales nucléaires dans le monde produisent \( 400 GW \) (gigawatts) d'électricité, soit suffisamment pour alimenter \( 400 \) millions de foyers pendant un an !
Une centrale nucléaire (également appelée réacteur nucléaire) est une série de machines qui contrôlent la fission nucléaire pour produire de l'électricité. La plupart des centrales utilisent l'uranium comme combustible, en particulier l'isotope 235.
L'isotope 235 de l'uranium est rare - il représente moins de \( 1 \% \) de l'uranium mondial.
On peut aussi utiliser un isotope du plutonium (plutonium 239).
- Les atomes du combustible nucléaire sont forcés de se briser. En se divisant, les atomes libèrent des produits de fission. Ceux-ci incitent les atomes voisins à se diviser, ce qui déclenche une réaction en chaîne.
- En se séparant, les atomes libèrent de l'énergie sous forme de chaleur :
- Cette chaleur est utilisée pour transformer l'eau en vapeur.
- La vapeur entraîne des turbines (conversion de la chaleur → énergie cinétique).
- Le mouvement des turbines entraîne un générateur (conversion de l'énergie cinétique → énergie électrique).
Pour empêcher les réactions en chaîne de devenir incontrôlables, les centrales nucléaires contiennent des barres de contrôle en bore. Ces barres absorbent les neutrons, les empêchant de diviser d'autres atomes d'uranium. L'élévation des barres accélère le taux de désintégration, tandis que leur abaissement le ralentit.
Rappelle-toi qu'il s'agit d'électricité produite à partir de réactions nucléaires. L'énergie nucléaire produit de grandes quantités d'électricité sans émissions de carbone ni polluants, mais elle génère des déchets radioactifs qui doivent être stockés avec précaution.
Nous espérons que ce résumé de cours t’a expliqué ce qu'est la fission nucléaire.
Fission nucléaire - Points clés
- Une particule élémentaire est une particule inconnue dans sa composition : on ne sait pas si elle est constituée d'autres particules plus petites.
- À l'intérieur du noyau atomique, on trouve des protons et des neutrons, tandis que les électrons gravitent autour du noyau dans le nuage électronique.
- Le rayonnement alpha est composé de noyaux d'hélium en mouvement rapide éjectés du noyau d'atomes lourds instables sous l'effet d'interactions électromagnétiques et fortes.
- Les noyaux considérés comme radioactifs sont également appelés radionucléides, et les atomes contenant ces noyaux sont appelés radio-isotopes.
- Une réaction nucléaire se produit lorsque deux noyaux, ou un noyau et une particule subatomique (proton, neutron ou électron) entrent en collision pour former des produits.
- La désintégration radioactive se produit lorsque le noyau d'un atome se décompose spontanément, libérant de l'énergie et de la matière.
- La fusion nucléaire est le processus qui consiste à combiner deux ou plusieurs noyaux légers pour former un noyau plus lourd et plus stable.
- La fission nucléaire est le processus qui consiste à diviser un noyau lourd en deux noyaux ayant un nombre de masses plus faible (nombre de protons plus neutrons).
- L'isotope instable de l'uranium, l'uranium 235, est couramment utilisé pour les réactions de fission nucléaire.
- L'énergie produite par les étoiles (par exemple, le soleil) provient de la fusion nucléaire.
- Une centrale nucléaire (également appelée réacteur nucléaire) est une série de machines qui contrôlent la fission nucléaire pour produire de l'électricité. La plupart des centrales utilisent l'uranium comme combustible, en particulier l'isotope 235.
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