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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 au repos.
  • Énergie de liaison par nucléon ($E_l/A$) : Plus cette valeur est grande, plus le noyau est stable.
  • Bilan énergétique d'une réaction : $\Delta E = \sum E_{finales} - \sum E_{initiales}$.
    • Si $\Delta E < 0$ : Réaction exothermique (libération d'énergie).
    • Si $\Delta E > 0$ : Réaction endothermique (absorption d'énergie).

Méthodes à maîtriser

  • Conversion des unités : $1 \text{ u} = 931,5 \text{ MeV}/c^2$.
  • Calcul de $\Delta E$ à partir des masses : $\Delta E = [ \sum m_{produits} - \sum m_{reactifs} ] \cdot c^2$.
  • Utilisation de la courbe d'Aston pour comparer la stabilité de deux noyaux.

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 énergétique : Dans une fission, $\Delta E = (m_{produits} - m_{reactifs}) \cdot c^2$. Le résultat est négatif car l'énergie est libérée.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le signe négatif dans le calcul du défaut de masse (il doit être positif).
  • Confondre $m(X)$ (masse du noyau) et $m(X)$ (masse de l'atome) : si on donne la masse de l'atome, il faut soustraire la masse des électrons.
  • Se tromper dans l'unité de $c^2$ (toujours vérifier si on utilise $c^2$ ou $MeV/c^2$).

🌉 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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Le défaut de masse $\Delta m$ d'un noyau est :

❓ Questions fréquentes

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 la masse du noyau est inférieure à la somme de ses constituants.

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

Kifach n7seb l-energie de liaison par nucleon El/A ?
  1. Calculer d'abord le défaut de masse $\Delta m$ en unité de masse atomique (u).
  2. Calculer l'énergie de liaison $E_l$ en MeV en multipliant $\Delta m$ par 931,5.
  3. Diviser le résultat obtenu par le nombre de nucléons $A$ du noyau.

💡 À retenir : $E_l/A$ permet de comparer la stabilité des noyaux entre eux.

Pourquoi dit-on qu'une réaction est exothermique ?

Une réaction est dite exothermique lorsqu'elle libère de l'énergie vers le milieu extérieur. Mathématiquement, cela correspond à une variation d'énergie $\Delta E$ négative.

💡 À retenir : $\Delta E < 0 \implies$ libération d'énergie.

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

Non, la masse totale des produits est différente de la masse totale des réactifs. Cette différence de masse est convertie en énergie selon la relation d'Einstein $E = \Delta m \cdot c^2$.

💡 À retenir : La masse n'est pas conservée, c'est l'énergie totale (masse + énergie cinétique) qui l'est.

Chno hiya l-far9 bin l-fission o l-fusion ?
  1. La fission : un noyau lourd se casse en deux noyaux plus légers sous l'impact d'un neutron.
  2. La fusion : deux noyaux légers s'assemblent pour former un noyau plus lourd.

💡 À retenir : Les deux libèrent de l'énergie, mais la fusion nécessite des températures très élevées.

Comment convertir des MeV en Joules ?

Il suffit de multiplier la valeur en MeV par $1,6 \cdot 10^{-13}$.

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

Est-ce que tous les noyaux ont la même stabilité ?

Non, la stabilité dépend de l'énergie de liaison par nucléon ($E_l/A$). Plus cette valeur est élevée, plus le noyau est stable. Le fer est l'un des noyaux les plus stables.

💡 À retenir : Les noyaux légers et très lourds sont moins stables que les noyaux de masse intermédiaire.

Kifach n3ref wach n-nawat mosta9ira ?

On compare sa valeur de $E_l/A$ avec celle des autres noyaux. Plus $E_l/A$ est grande, plus le noyau est stable.

💡 À retenir : $E_l/A$ est l'indicateur de stabilité.

La masse des électrons est-elle négligeable ?

Dans le calcul du défaut de masse d'un noyau, on utilise la masse du noyau. Si on utilise la masse de l'atome, il faut soustraire la masse des $Z$ électrons.

💡 À retenir : $m_{noyau} = m_{atome} - Z \cdot m_e$.

Pourquoi le défaut de masse est-il positif ?

Parce que lors de la formation du noyau à partir des nucléons, une partie de la masse est convertie en énergie de liaison pour assurer la cohésion du noyau.

💡 À retenir : La masse du noyau est toujours inférieure à la somme des masses de ses constituants.

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

L'unité standard est le Joule (J), mais en physique nucléaire, on utilise couramment l'électron-volt (eV) ou le méga-électron-volt (MeV).

💡 À retenir : $1 \text{ MeV} = 10^6 \text{ eV}$.

Le nombre de nucléons A change-t-il lors d'une réaction ?

Non, lors de toute réaction nucléaire, le nombre de nucléons (A) et le nombre de charges (Z) sont conservés (lois de Soddy).

💡 À retenir : Conservation de A et Z.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

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

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Exercice 2

Comparer la stabilité des noyaux $^4_2 He$ ($E_l/A = 7,07 \text{ MeV/nucléon}$) et $^{12}_6 C$ ($E_l/A = 7,68 \text{ MeV/nucléon}$).

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Exercice 3

On considère le noyau de Carbone 12 ($^{12}_6 C$). Données : $m(p) = 1,00728 \text{ u}$, $m(n) = 1,00866 \text{ u}$, $m(^{12}_6 C) = 11,99671 \text{ u}$, $1 \text{ u} = 931,5 \text{ MeV}/c^2$.

  1. Calculer le défaut de masse du noyau de Carbone 12.
  2. Calculer son énergie de liaison en MeV.
  3. Calculer l'énergie de liaison par nucléon.
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