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Physique · Prépa concours post-bac — CPGE (dossier & entretien)

Noyaux, masse et énergie

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  • Défaut de masse ($\Delta m$) : Pour un noyau $^A_Z X$, le défaut de masse est : $\Delta m = [Z \cdot m_p + (A-Z) \cdot m_n] - m(^{A}_{Z}X)$. Il est toujours positif.
  • Énergie de liaison ($E_l$) : $E_l = \Delta m \cdot c^2$. Elle représente l'énergie qu'il faut fournir au noyau pour séparer ses nucléons.
  • Énergie de liaison par nucléon ($\frac{E_l}{A}$) : Plus cette valeur est grande, plus le noyau est stable.
  • Équivalence masse-énergie : $1 , u = 931,5 , \text{MeV}/c^2$.
  • Bilan énergétique : Pour une réaction $^A_1 Z_1 X_1 + ^A_2 Z_2 X_2 \rightarrow ^A_3 Z_3 X_3 + ^A_4 Z_4 X_4$, l'énergie libérée est $E_{lib} = |(m_{final} - m_{initial}) \cdot c^2| = |(E_{l, final} - E_{l, initial})|$.

Méthodes à maîtriser

  • Calculer le défaut de masse avec précision (garder au moins 4 chiffres après la virgule).
  • Convertir les unités : $1 , \text{MeV} = 1,602 \cdot 10^{-13} , \text{J}$.
  • Utiliser la courbe d'Aston pour comparer la stabilité de deux noyaux.
  • Savoir que dans une réaction nucléaire, la masse totale diminue si de l'énergie est libérée.

Exemples corrigés

  • Calcul de $E_l$ : Pour le deutérium $^2_1 H$, $\Delta m = (1 \cdot m_p + 1 \cdot m_n) - m(^2_1 H)$. On multiplie par $931,5$ pour avoir $E_l$ en MeV.
  • Bilan d'énergie : Si $E_{lib} > 0$, la réaction est exothermique (libère de l'énergie).

Erreurs fréquentes

  • Oublier le signe "moins" dans le calcul de $\Delta m$.
  • Confondre $m(X)$ (masse du noyau) et $m(atom)$ (masse de l'atome, il faut alors soustraire la masse des électrons).
  • Se tromper dans l'unité de $c^2$ lors de la conversion.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Noyaux, masse et énergie

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Quelle est l'unité de l'énergie de liaison ?

❓ Questions fréquentes

Est-ce que l'énergie de liaison est une énergie stockée ?

Oui, c'est l'énergie qu'il faut fournir au noyau pour le dissocier en nucléons isolés. C'est une mesure de la force de l'interaction forte qui maintient les nucléons ensemble.

💡 À retenir : Plus l'énergie de liaison est grande, plus le noyau est "soudé".

Pourquoi utilise-t-on l'unité "u" ?

Parce que les masses des noyaux sont extrêmement faibles (de l'ordre de $10^{-27}$ kg). L'unité $u$ simplifie les calculs.

💡 À retenir : $1 , u = 1,66054 \cdot 10^{-27} , \text{kg}$.

Quelle est la relation entre la courbe d'Aston et la radioactivité ?

La courbe d'Aston montre que les noyaux les plus stables sont ceux situés vers le milieu de la courbe ($A \approx 60$). Les noyaux très lourds (fission) ou très légers (fusion) cherchent à se rapprocher de cette zone de stabilité.

💡 À retenir : La radioactivité est un processus naturel pour atteindre la stabilité.

Est-ce que c est toujours 3 cdot 10^8 m/s ?

Oui, c'est la célérité de la lumière dans le vide. Dans les calculs nucléaires, on utilise souvent $c^2$ en $\text{MeV}/u$ pour simplifier.

💡 À retenir : $c^2 \approx 931,5 , \text{MeV}/u$.

Est-ce que la réaction nucléaire est instantanée ?

La fission peut être provoquée et très rapide (réaction en chaîne), tandis que la radioactivité naturelle dépend de la demi-vie du noyau.

💡 À retenir : Le temps dépend du type de réaction.

Pourquoi le défaut de masse est-il toujours positif ?

Le défaut de masse $\Delta m$ est positif car la masse d'un noyau est toujours inférieure à la somme des masses de ses nucléons isolés au repos. Cette différence de masse correspond à l'énergie libérée lors de la formation du noyau à partir de ses constituants.

💡 À retenir : La masse "manquante" s'est transformée en énergie de liaison.

Kifach n3ref wach nawat mosta9ira wla la?

Bach t3ref l-istirar dyal nawat, khassek thseb t-ta9a dyal r-rabt l-koul nawiya ($E_l/A$).

  1. Hseb $E_l$ dyal nawat.
  2. 9semha 3la $A$ (3adad l-nawiyat).
  3. 9aren l-9ima li l9iti m3a l-manhana dyal Aston.

💡 À retenir : Ma kbarat $E_l/A$, ma kant n-nawat akter istirar.

Est-ce que la masse des électrons doit être prise en compte ?

Oui, si l'énoncé donne la masse de l'atome $m(^{A}{Z}X)$ au lieu de la masse du noyau $m(^{A}{Z}X_{noyau})$. Il faut alors soustraire la masse des $Z$ électrons : $m_{noyau} = m_{atome} - Z \cdot m_e$.

💡 À retenir : Toujours vérifier si l'énoncé parle de "noyau" ou d'"atome".

Chno hiya l-far9 bin l-indimaj o l-inchiTar?
  1. L-inchiTar (fission) : nawat ta9ila (kbira) kat-t9sem l-jouj nawiyat akhaf.
  2. L-indimaj (fusion) : jouj nawiyat khafifa (sghar) kay-tjam3ou bach y3tiw nawat atqal.

💡 À retenir : Bjoujhom kay-tjou fihom t-ta9a, walakin l-indimaj kay-tleb darajat harara 3alya bzaf.

Comment convertir des MeV en Joules ?

Il suffit de multiplier la valeur en MeV par $1,602 \cdot 10^{-13}$.

💡 À retenir : $1 , \text{MeV} = 1,602 \cdot 10^{-13} , \text{J}$.

Kifach n7seb t-ta9a l-mouharrara (libérée) f tafa3oul?
  1. Hseb l-koutla dyal l-moutafa3ilat ($m_{init}$).
  2. Hseb l-koutla dyal n-nawatij ($m_{final}$).
  3. Hseb $\Delta m = m_{final} - m_{init}$.
  4. $E_{lib} = |\Delta m| \cdot c^2$.

💡 À retenir : $E_{lib}$ khassa tkoun dima mouwaba (positive).

Le défaut de masse dépend-il du nombre de nucléons ?

Oui, car le défaut de masse est lié à la cohésion du noyau. Plus il y a de nucléons, plus l'énergie de liaison totale est grande, mais ce qui compte pour la stabilité est le rapport $E_l/A$.

💡 À retenir : Le défaut de masse augmente avec $A$, mais pas de façon linéaire.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On considère la réaction de fusion : $^2_1 H + ^3_1 H \rightarrow ^4_2 He + ^1_0 n$. Données : $m(^2_1 H) = 2,01355 , u$ ; $m(^3_1 H) = 3,01550 , u$ ; $m(^4_2 He) = 4,00150 , u$ ; $m(^1_0 n) = 1,00866 , u$.

  1. Calculer la variation de masse $\Delta m$ de cette réaction.
  2. Calculer l'énergie libérée en MeV.
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Exercice 2

Calculer l'énergie de liaison par nucléon du noyau de Fer $^{56}{26}Fe$. Données : $m(^{56}{26}Fe) = 55,92067 , u$ ; $m_p = 1,00728 , u$ ; $m_n = 1,00866 , u$.

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Exercice 3

Un noyau de Thorium $^{230}{90}Th$ se désintègre en Radium $^{226}{88}Ra$.

  1. Écrire l'équation de désintégration.
  2. Calculer l'énergie libérée par cette désintégration en Joules. Données : $m(Th) = 229,9737 , u$ ; $m(Ra) = 225,9771 , u$ ; $m(\alpha) = 4,0015 , u$.
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