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Physique · Prépa concours post-bac — IAV & ENA Meknès

Transformations nucléaires

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

  • Composition du noyau : Un noyau est noté ${}_Z^A X$, avec $A$ le nombre de nucléons et $Z$ le nombre de protons.
  • Défaut de masse : $\Delta m = [Z \cdot m_p + (A-Z) \cdot m_n] - m({}_Z^A X)$.
  • Énergie de liaison : $E_l = \Delta m \cdot c^2$. Elle est toujours positive.
  • Énergie par nucléon : $\frac{E_l}{A}$ permet de comparer la stabilité des noyaux. Plus elle est grande, plus le noyau est stable.
  • Lois de conservation (Soddy) : Lors d'une réaction nucléaire, il y a conservation du nombre de nucléons ($A$) et du nombre de charges ($Z$).
  • Bilan énergétique : $\Delta E = \sum E_{final} - \sum E_{initial} = [m_{produits} - m_{réactifs}] \cdot c^2$.

Méthodes à maîtriser

  • Calculer le défaut de masse avec précision (garder 5 chiffres après la virgule).
  • Convertir les unités : $1 , u = 931,5 , MeV/c^2$.
  • Utiliser les lois de Soddy pour identifier une particule manquante dans une équation.
  • Tracer ou exploiter la courbe d'Aston (énergie de liaison par nucléon).

Exemples corrigés

  • Calcul de $\Delta E$ : Pour une réaction $A + B \rightarrow C + D$, $\Delta E = (m_C + m_D - m_A - m_B) \cdot c^2$. Si $\Delta E < 0$, la réaction est exothermique (libère de l'énergie).

Erreurs fréquentes

  • Oublier le signe moins dans le calcul de $\Delta m$.
  • Confondre l'énergie de liaison $E_l$ et l'énergie de liaison par nucléon $E_l/A$.
  • Ne pas convertir les unités de masse en $kg$ si on utilise $c$ en $m/s$.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Transformations nucléaires

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Quelle est l'unité du défaut de masse ?

❓ Questions fréquentes

C'est quoi la différence entre la fission et la fusion ?
  1. La fission est la cassure d'un noyau lourd (ex: Uranium) en deux noyaux plus légers sous l'impact d'un neutron.
  2. La fusion est l'union de deux noyaux légers (ex: Hydrogène) pour former un noyau plus lourd.
  3. Les deux libèrent de l'énergie, mais la fusion libère beaucoup plus d'énergie par nucléon.

💡 À retenir : Fission = Division, Fusion = Union.

Kifach n7seb l-énergie li t-tla9at f-chi tfa3ol ?
  1. Ktab l-mo3adala dyal t-tfa3ol mzyan.
  2. 7seb l-ktla dyal n-nawat li kharjin (produits) o n9ess minha l-ktla dyal n-nawat li dakhlin (réactifs).
  3. Dreb l-far9 li l9iti f-$c^2$.
  4. Ila knti khddam b-l-unité $u$, dreb f-931,5 bach tkhrej b-MeV.

💡 À retenir : $\Delta E = (m_{produits} - m_{réactifs}) \cdot c^2$.

Est-ce que le défaut de masse peut être négatif ?

Non, le défaut de masse $\Delta m$ est par définition une valeur positive car la masse du noyau est toujours inférieure à la somme des masses de ses nucléons isolés.

💡 À retenir : $\Delta m > 0$ toujours.

chno hiya l-3ala9a bin l-ktla o t-ta9a ?

Hiya l-3ala9a dyal Einstein: $E = m \cdot c^2$. Hada kay3ni bli l-ktla momkin t7wel l-ta9a, o hadchi li kayوقع f-t-tfa3olat n-nawya.

💡 À retenir : $c \approx 3 \cdot 10^8 , m/s$.

Pourquoi on divise El par A ?

On divise par $A$ pour comparer la stabilité de noyaux qui n'ont pas le même nombre de nucléons. C'est la seule façon de savoir quel noyau est le plus "solide".

💡 À retenir : Plus $E_l/A$ est grand, plus le noyau est stable.

wach l-neutron 3ndo ch7na ?

Non, le neutron est électriquement neutre ($q = 0$). C'est pour ça qu'il peut pénétrer facilement dans le noyau sans être repoussé par les protons.

💡 À retenir : $Z=0$ pour le neutron.

kifach n3ref wach t-tfa3ol moustabir wla la ?
  1. Chof l-énergie de liaison par nucléon ($E_l/A$).
  2. Ila kan l-noyau l-jadid 3ndo $E_l/A$ kbar mn l-qdim, rah t-tfa3ol moustabir.

💡 À retenir : La nature cherche toujours la stabilité (énergie minimale).

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

L'unité standard est le Joule (J), mais en physique nucléaire, on utilise très souvent le mégaélectronvolt (MeV).

💡 À retenir : $1 , MeV = 1,6 \cdot 10^{-13} , J$.

Est-ce que la masse se conserve dans une réaction nucléaire ?

Non, la masse totale des produits est légèrement inférieure à la masse totale des réactifs. Cette "perte" de masse est convertie en énergie selon $E = \Delta m \cdot c^2$.

💡 À retenir : La masse ne se conserve pas, mais l'énergie totale (masse + énergie) se conserve.

Est-ce que les isotopes ont la même énergie de liaison ?

Non, car ils ont un nombre de neutrons différent, donc leur masse et leur stabilité diffèrent.

💡 À retenir : Même $Z$, mais $A$ différent.

Pourquoi le noyau n'éclate pas avec la répulsion des protons ?

Il existe une force appelée "interaction forte" qui est beaucoup plus puissante que la répulsion électrostatique et qui maintient les nucléons ensemble.

💡 À retenir : L'interaction forte est attractive à très courte portée.

Comment calculer l'énergie libérée par une mole ?
  1. Calcule l'énergie libérée par un seul noyau (en Joules).
  2. Multiplie ce résultat par le nombre d'Avogadro ($N_A \approx 6,02 \cdot 10^{23} , mol^{-1}$).

💡 À retenir : $E_{mole} = | \Delta E | \cdot N_A$.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On considère la réaction de fusion : ${}_1^2 H + {}_1^3 H \rightarrow {}_2^4 He + {}_0^1 n$. Données : $m({}_1^2 H) = 2,01355 , u$ ; $m({}_1^3 H) = 3,01550 , u$ ; $m({}_2^4 He) = 4,00150 , u$ ; $m({}_0^1 n) = 1,00866 , u$. Calculer l'énergie libérée par cette réaction en MeV.

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Exercice 2

Soit le noyau ${}{27}^{60} Co$. Calculer son énergie de liaison par nucléon en $MeV/nucléon$. Données : $m(p) = 1,00728 , u$ ; $m(n) = 1,00866 , u$ ; $m({}{27}^{60} Co) = 59,9190 , u$.

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Exercice 3

Un échantillon contient $N_0$ noyaux. Sachant que l'énergie libérée par un noyau est $E_0 = 3,2 , MeV$, calculer l'énergie totale libérée par 1 gramme de deutérium (${}_1^2 H$).

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