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Physique · Agronomie, vétérinaire & architecture — ENA Meknès (agriculture)

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 $^A_Z X$, $\Delta m = [Z \cdot m_p + (A-Z) \cdot m_n] - m(X)$. Il est toujours positif.
  • Énergie de liaison ($E_l$) : $E_l = \Delta m \cdot c^2$. Elle représente l'énergie qu'il faut fournir pour séparer les nucléons.
  • Stabilité : Plus l'énergie par nucléon $\frac{E_l}{A}$ est grande, plus le noyau est stable.
  • Équivalence : $1 \text{ u} = 931,5 \text{ MeV}/c^2$.
  • Bilan énergétique : $\Delta E = [ \sum m_{produits} - \sum m_{réactifs} ] \cdot c^2$.
    • Si $\Delta E < 0$ : Réaction exothermique (libération d'énergie).
    • Si $\Delta E > 0$ : Réaction endothermique (absorption d'énergie).

Méthodes à maîtriser

  1. Calculer $\Delta m$ avec précision (utiliser au moins 4 chiffres après la virgule).
  2. Convertir les unités : $1 \text{ MeV} = 1,602 \cdot 10^{-13} \text{ J}$.
  3. Comparer la stabilité de deux noyaux en calculant $\frac{E_l}{A}$.
  4. Appliquer la conservation du nombre de nucléons ($A$) et de charge ($Z$) pour équilibrer une équation.

Exemples corrigés

  • Calcul de $E_l$ : Pour le noyau $^4_2 He$, avec $m(He) = 4,0015 \text{ u}$, $m_p = 1,0073 \text{ u}$, $m_n = 1,0087 \text{ u}$. $\Delta m = [2(1,0073) + 2(1,0087)] - 4,0015 = 0,0305 \text{ u}$. $E_l = 0,0305 \times 931,5 = 28,41 \text{ MeV}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir $c^2$ si les masses sont en kg.
  • Confondre $E_l$ (énergie de liaison) et $\frac{E_l}{A}$ (stabilité).
  • Inverser les produits et les réactifs dans le calcul du bilan énergétique.

🌉 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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L'unité de l'énergie de liaison est :

❓ Questions fréquentes

Le défaut de masse peut-il être négatif ?

Non, par définition, le défaut de masse est la différence entre la masse théorique (somme des nucléons) et la masse réelle du noyau. Comme la masse réelle est toujours inférieure à la somme des nucléons, $\Delta m$ est toujours positif.

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

Pourquoi utilise-t-on l'unité de masse atomique (u) ?

Le kilogramme est une unité trop grande pour les particules atomiques. L'unité de masse atomique (u) est définie comme le douzième de la masse d'un atome de carbone 12, ce qui facilite les calculs.

💡 À retenir : $1 \text{ u} \approx 1,66 \cdot 10^{-27} \text{ kg}$.

Quelle est la relation entre El et la stabilité ?

L'énergie de liaison totale ($E_l$) ne suffit pas à comparer la stabilité de deux noyaux différents. Il faut impérativement calculer l'énergie de liaison par nucléon $\frac{E_l}{A}$.

💡 À retenir : $\frac{E_l}{A}$ est le vrai indicateur de stabilité.

Est-ce que l'énergie libérée dépend de la vitesse des noyaux ?

Dans le cadre du programme, on considère les noyaux au repos avant et après la réaction. L'énergie libérée provient uniquement de la variation de masse.

💡 À retenir : $\Delta E = \Delta m \cdot c^2$ (système au repos).

Est-ce que le nombre de nucléons se conserve ?

Oui, lors de toute réaction nucléaire, le nombre total de nucléons ($A$) et le nombre de charges ($Z$) se conservent toujours.

💡 À retenir : Lois de Soddy (conservation de $A$ et $Z$).

Kifach n7seb l-t-ta9a l-moubadala f t-tafa3ol?
  1. 7seb majmou3 koutlat l-mou-t-tafa3ilat (réactifs).
  2. 7seb majmou3 koutlat l-nawatij (produits).
  3. 7seb $\Delta E = (\sum m_{produits} - \sum m_{réactifs}) \cdot c^2$.

💡 À retenir : $\Delta E$ negative = t-tafa3ol kay-t-tla9 t-ta9a.

Qu'est-ce que le défaut de masse ?

Le défaut de masse est la différence entre la somme des masses des nucléons isolés (protons et neutrons) et la masse réelle du noyau. Il est toujours positif car une partie de la masse est convertie en énergie de liaison lors de la formation du noyau.

💡 À retenir : $\Delta m = \sum m_{nucléons} - m_{noyau} > 0$.

Kifach n7seb l-isti9rar dyal nawat?

Bach t3ref nawat wach masta9ra, khassek t7seb l-mi3yar $\frac{E_l}{A}$ (t-ta9a dyal r-rabt l-koll nowiya).

  1. 7seb $\Delta m$.
  2. 7seb $E_l = \Delta m \cdot c^2$.
  3. 9sem $E_l$ 3la $A$.

💡 À retenir : Li 3ndha $\frac{E_l}{A}$ kbir, hiya li masta9ra kter.

Pourquoi le noyau est-il plus léger que la somme de ses nucléons ?

Lors de la formation du noyau, une partie de la masse des nucléons est convertie en énergie de liaison ($E_l$) selon la relation d'Einstein $E = mc^2$. Cette énergie assure la cohésion des nucléons entre eux.

💡 À retenir : La masse disparue est l'énergie qui "colle" les nucléons.

Est-ce que la réaction de fusion libère toujours de l'énergie ?

Oui, pour les noyaux légers (comme les isotopes de l'hydrogène), la fusion produit un noyau plus stable avec une énergie de liaison par nucléon plus élevée, ce qui libère de l'énergie sous forme cinétique et radiative.

💡 À retenir : La fusion est exothermique pour les éléments légers.

Chno hiya l-far9 bin l-inchiṭar o l-indimaj?
  1. L-inchiṭar (fission) : nawat ta9ila (bhal Uranium) kat-t9sem l-jouj nawat khfaf.
  2. L-indimaj (fusion) : jouj nawat khfaf (bhal Deuterium) kaytjam3ou bach y3tiwna nawat wa7da.

💡 À retenir : L-inchiṭar f l-moufa3ilat, l-indimaj f n-noujoum.

Comment convertir des MeV en Joules ?

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

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

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On considère la réaction de fusion suivante : $^2_1 H + ^3_1 H \to ^4_2 He + ^1_0 n$. Données : $m(^2_1 H) = 2,0136 \text{ u}$ ; $m(^3_1 H) = 3,0155 \text{ u}$ ; $m(^4_2 He) = 4,0015 \text{ u}$ ; $m(^1_0 n) = 1,0087 \text{ u}$.

  1. Calculer la variation de masse $\Delta m$ en u.
  2. Calculer l'énergie libérée $E_{lib}$ en MeV.
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Exercice 2

Le noyau de Fer $^{56}_{26} Fe$ a une masse $m = 55,9207 \text{ u}$. Données : $m_p = 1,0073 \text{ u}$, $m_n = 1,0087 \text{ u}$.

  1. Calculer le défaut de masse $\Delta m$ du noyau de Fer.
  2. Calculer son énergie de liaison $E_l$ en MeV.
  3. Calculer l'énergie de liaison par nucléon $\frac{E_l}{A}$ en MeV/nucléon.
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Exercice 3

Un réacteur nucléaire utilise la fission de l'Uranium 235 : $^{235}{92} U + ^1_0 n \to ^{94}{38} Sr + ^{140}_{54} Xe + 2 \cdot ^1_0 n$. Sachant que l'énergie libérée par un noyau est $E = 180 \text{ MeV}$, calculer l'énergie libérée par 1 gramme d'Uranium 235. Données : $M(U) = 235 \text{ g/mol}$, $N_A = 6,02 \cdot 10^{23} \text{ mol}^{-1}$.

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