QCM N° 04

Radioactivité et

énergie nucléaire

 

   

 

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Pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).

 

Énoncé

A

B

C

Réponse

1

Le noyau de l’atome de lithium représenté par la notation est constitué de :

3 électrons, 3 protons et 4 neutrons

3 protons et 4 neutrons

10 nucléons

B

 

 

 

2

Deux noyaux isotopes sont représentés :

Par des symboles différents

Par le même symbole avec A identiques et Z différents

Par le même symbole avec Z identiques et A différents

C

3

Quelle paire de noyaux constitue des isotopes ?

 

 

 

C

4

Parmi les trois noyaux légers proposés, quel est le plus stable ?

 

 

 

B

5

Le diagramme (N, Z) donne la répartition des noyaux de plus grande stabilité. Dans ce diagramme, Z représente le nombre de protons et N le nombre de neutrons. Pour les noyaux légers, les isotopes stables se trouvent :

Proches de la droite d’équation N = Z

Au-dessus de la droite N = Z

Au-dessous de la droite N = Z

A

6

Les noyaux trop riches en neutrons émettent une radioactivité :

α

β+

β–

B

7

Un noyau radioactif α émet :

Des noyaux d’hélium

Des positons

Des électrons

A

8

Si N0 représente le nombre de noyaux radioactifs à la date t = 0 s et λ la constante radioactive caractéristique du noyau étudié, le nombre N de noyaux radioactifs restant à la date  est :

 

 

 

B

9

L’activité d’une substance radioactive représente :

Le nombre de noyaux radioactifs de l’échantillon

Le nombre de becquerels par seconde

Le nombre de noyaux qui se désintègrent par seconde

C

10

L’énergie de liaison du noyau d’hélium  est E = 28 MeV

7,0 MeV

14 MeV

28 MeV

A

 

11

On donne ci-dessus la courbe d’Aston représentant l’opposée de l’énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de nucléons des noyaux. Parmi les noyaux proposés, le plus stable est :

 

 

 

B

12

Un noyau est d’autant plus stable que son énergie de liaison :

Est faible

Est élevée

Est proche de zéro

B

13

L’énergie de liaison E est liée à l’énergie de masse par la relation E = Δm . c2. En notant mp la masse d’un proton, mn la masse d’un neutron et mnoyau la masse d’un noyau, le défaut de masse Δm figurant dans la relation précédente est égal à :

 

 

 

A

14

La réaction nucléaire suivante est une réaction :

 

Impossible

De fission

De fusion

C

15

Si un noyau lourd absorbe un neutron puis se fractionne en noyaux plus légers en libérant des neutrons, on a une réaction nucléaire :

De fusion

De fission

D’explosion

B

 

16

On donne ci-dessus la courbe d’Aston représentant l’évolution de l’opposée de l’énergie de liaison en fonction du nombre de nucléons.

En observant la position du noyau de lithium  sur cette courbe, on peut affirmer que ce noyau aura tendance à participer :

À des réactions de fission

À des réactions de fusion

Ni à des réactions de fission, ni à des réactions de fusion.

B

 

 Questionnaire a été réalisé avec Questy Pour s'auto-évaluer

Représentation symbolique d’un noyau :

Les isotopes

Le diagramme de stabilité

Émission α

Émission β +

Émission β

Loi de décroissance radioactive.

Activité d’un échantillon radioactif

Énergie de liaison d’un noyau.

L ‘énergie de liaison par nucléon.

Stabilité des noyaux et Courbe d’Aston.

Défaut de masse d’un noyau.

La radioactivité artificielle.

La réaction de fission nucléaire

La réaction de fusion nucléaire

 

 Représentation symbolique d’un noyau :

-        Le noyau est constitué de particules appelées nucléons. Les nucléons sont de deux types : les protons et les neutrons.

-        Caractéristiques du proton :

-        Masse : m p = 1,67265 x 10 – 27 kg

-        Charge : + e = 1,602189 x 10 – 19 C

-        C est le symbole du Coulomb unité de charge électrique.

-        Caractéristiques du neutron :       

-        Masse : m n = 1,67496 x 10 – 27 kg

-        Le nombre de nucléons est noté A, on l’appelle aussi le nombre de masse.

-        Le nombre de protons que contient le noyau est noté Z.

-        On l’appelle le numéro atomique ou le nombre de charge.

-        Le nombre de neutrons : AZ.

-        Les deux nombres A et Z suffisent pour caractériser un noyau

-        La notation représente le noyau d’un atome.

 Les isotopes

-        Des noyaux possédant le même nombre de protons mais des nombres différents de neutrons sont appelés isotopes.

-        Deux isotopes sont représentés par le même symbole car ils ont le même nombre de charge Z et sont apparentés au même élément chimique.

-        Il existe environ 350 noyaux naturels et plus de 2500 noyaux artificiels obtenus en laboratoire.

-        Exemples :

-              Atomes isotopes

-        Composition d’un morceau de graphite

 Le diagramme de stabilité

  

-        L’ensemble des noyaux stables (en rouge) forme sur la représentation graphique la vallée de stabilité.

-        Les noyaux légers stables se répartissent au voisinage de la première bissectrice (N = Z autant de protons que de neutrons).

-        Les noyaux lourds stables s’écartent de la bissectrice. Ils ont plus de neutrons que de protons.

-        Pour les noyaux instables :

-        En bout de la vallée de stabilité, ils se désintègrent en émettant des particules alpha α : ils sont radioactifs alpha.

-        Au-dessus de la vallée de stabilité, ils sont émetteur β -.  Au-dessous du domaine de stabilité, ils sont émetteurs β +

-        Tableau réduit :

 

-        Le bore   est un noyau léger de numéro atomique Z < 20. Il se trouve sur la droite d’équation N = Z, ce qui lui confère un caractère plus stable que les autres noyaux proposés.

-        Pour les noyaux légers A < 20, les isotopes stables se trouvent proches de la droite d’équation N = Z.

-        Pour les noyaux lourds A > 20, la zone de stabilité s’écarte de la droite d’équation N = Z en passant au-dessus.

-        Un noyau instable est un noyau qui possède :

-        Trop de protons

-        Trop de neutrons

-        Trop de nucléons.

-        La cohésion du noyau est due à l’existence d’une interaction forte, attractive qui unit l’ensemble des nucléons et qui prédomine devant l’interaction électrique (répulsion entre les protons).

-        Il y a antagonisme entre l’interaction forte et la répulsion des protons.

-        Dans certains cas la cohésion n’est pas suffisante, on dit que les noyaux sont instables.

-        Ils se désintègrent spontanément, on dit qu’ils sont radioactifs. Ce sont des radionucléides.

 

 Émission α

-        Les noyaux trop lourds qui ont trop de protons et de neutrons émettent une radioactivité α.

-        Équation :

 Émission β +

-        Les noyaux trop riches en protons émettent une radioactivité β +.

-        Équation :

 Émission β

-        Les noyaux trop riches en neutrons émettent une radioactivité β .

-        Équation :

 

 Loi de décroissance radioactive.

-        Le nombre de noyaux radioactifs N (t) présents à la date t dans un échantillon est donné par la loi de décroissance radioactive.

-        N (t) = N 0 e λt

-        N 0 représente le nombre de noyaux radioactifs initialement présents t = 0 s.

-        Nombre N de noyaux radioactifs restant à la date :

-         

 Activité d’un échantillon radioactif  

-        L’activité A(t) d’un échantillon radioactif à la date t est le nombre de désintégrations par seconde de cet échantillon.

-        L’unité d’activité est le becquerel Bq en hommage à Henri Becquerel. 1 Bq = 1 désintégration par seconde.

-        La décroissance de l’activité suit la même loi que la décroissance du nombre de noyau radioactif d’un échantillon.

-        A (t) = A 0 e λt

 Énergie de liaison d’un noyau.

-        La cohésion d’un noyau  est due aux interactions fortes entre les nucléons.

-        Pour briser un noyau, le milieu extérieur doit fournir de l’énergie.

-        L’énergie de liaison E d’un noyau est l’énergie libérée lors de la formation du noyau à partir des nucléons au repos :

-        Puisque la masse du système diminue, le système libère de l’énergie.

-        C’est cette énergie que l’on appelle l’énergie de liaison.

-        E = |Δm| . c2

-         

-        Avec : |Δm| = |mx - [Z . mp + (A Z) . mn]|

 L ‘énergie de liaison par nucléon.

-        La connaissance de l’énergie de liaison par nucléon est très utile car elle permet de comparer la stabilité des différents noyaux.

-        L’énergie de liaison par nucléon est donnée par la relation :

-         

-        C’est le quotient de l’énergie de liaison par le nombre de nucléon du noyau.

-        Unité : on l’exprime le plus souvent en méga-électron-volt par nucléon : MeV / nucléon.

 Stabilité des noyaux et Courbe d’Aston.

-        Un noyau atomique est d’autant plus stable que son énergie de liaison par nucléon est grande.

-        La courbe d’Aston est la représentation de la quantité  en fonction de A.

-        On a choisi cette fonction pour que les noyaux les plus stables se trouvent dans la partie la plus basse de la courbe.

-        Les noyaux stables sont ceux qui ont une énergie de liaison par nucléon d’environ 8 MeV / nucléon.

-        Les noyaux instables peuvent évoluer de deux manières :

-        Les noyaux lourds (A > 195) peuvent se briser en deux noyaux plus légers appartenant au domaine de stabilité. 

-         Ils subissent une réaction nucléaire de fission.

-         Les noyaux légers (A < 20) peuvent fusionner pour donner un noyau plus lourd appartenant au domaine de stabilité.

-        Certains noyaux légers  peuvent fusionner pour donner un noyau placé plus bas dans le diagramme. 

-         Ce sont les réactions nucléaires de fusion.

-        Voir la courbe d'Aston suivante :

 

 Défaut de masse d’un noyau.

-        La masse d’un noyau atomique au repos est toujours inférieure à la somme des masses des nucléons qui le constituent. Les nucléons étant pris séparément et au repos.

-         Le noyau de symbole: est constitué de Z protons et de ( A – Z ) neutrons

-        La masse des nucléons : .

-        La masse du noyau X est m noyau, alors :

-        La quantité : représente le défaut de masse du noyau.

-        C’est une grandeur strictement positive.

 La radioactivité artificielle.

-        En 1934, Irène et Frédéric Joliot – Curie découvre la radioactivité artificielle.

-        Une feuille d’aluminium est bombardée avec des particules alpha produites par du polonium 210.

-        Première étape :

-         

-        C’est une transmutation (α, n) produisant du phosphore 30 radioactif.

-        Le phosphore 30 est émetteur β+.

-        Deuxième étape :

-         

 

 La réaction de fission nucléaire

-        La réaction de fission est une réaction nucléaire provoquée.

-        Au cours d’une fission nucléaire, un neutron lent (neutron thermique) brise un noyau lourd fissile en deux noyaux légers.

-        Cette réaction libère de l’énergie.

-        Un neutron lent que l’on appelle aussi neutron thermique a une énergie cinétique : EC < 0,1 eV.

-        Remarque : Les noyaux formés par fission sont généralement radioactifs.

-        Équation-bilan :

-         

-        Il existe un très grand nombre de fissions différentes.

-        Exemple :

-         

 La réaction de fusion nucléaire

-        Au cours d’une fusion nucléaire, deux noyaux légers s’unissent pour former un noyau lourd.

-        C’est une réaction nucléaire provoquée qui libère de l’énergie.

-        Exemple : fusion d’un noyau de deutérium et d’un noyau de tritium.

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