Recherchez sur tout Techno-Science.net
       
Techno-Science.net : Suivez l'actualité des sciences et des technologies, découvrez, commentez
Catégories
Techniques
Sciences
Encore plus...
Techno-Science.net
Partenaires
Organismes
 CEA
 ESA
Sites Web
Photo Mystérieuse

Que représente
cette image ?
 A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | +
Réaction nucléaire

Une réaction nucléaire est une transformation d'un ou plusieurs noyaux atomiques, elle se distingue d'une réaction chimique qui concerne les électrons ou les liaisons entre les atomes. Dans une réaction nucléaire, deux noyaux atomiques entrent en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) et produisent des produits différents des particules originelles. En principe, plus de deux particules pourraient entrer en collision, mais cela c'est beaucoup moins probable. Dans le cas de la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour le thorium, est un phénomène physique...), la transformation est spontanée, mais dans le cas d'une réaction nucléaire (Une réaction nucléaire est une transformation d'un ou plusieurs noyaux atomiques, elle se distingue d'une réaction chimique qui concerne les électrons ou les liaisons entre les atomes. Dans une réaction nucléaire,...), elle est produite par une particule mouvante. Si les particules se séparent après la collision sans être transformées, le processus n'est pas une réaction, mais une collision élastique.

Dans l'exemple de réaction montré à droite, 6Li and deuterium réagissent en formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque voyelle se caractérise par son...) un noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est considérablement plus petite que celle de l'atome (10-10 m) et concentre quasiment...) intermédiaire très excité 8Be qui se désintégre très vite en produisant deux particules alpha. Ici, les protons sont représentés par des sphères rouges, et les neutrons, par des sphères bleues.

Représentation

Une réaction nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) peut être représentée par une équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à certaines des quantités...) semblable à celle représentant une réaction chimique. Des désintégrations nucléaires peuvent être représentées d'une manière semblable, mais avec seulement un noyau à gauche.

Chaque particule est écrite avec son symbole chimique, avec son numéro atomique (Le numéro atomique (Z) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre de protons du noyau d'un atome. Un atome peut être schématisé en première approche par une agglomération...) à gauche en bas, et son nombre de masse (Le nombre de masse (A) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre de nucléons du noyau d'un atome.) en haut. Pour le neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec...), le symbole est n. Le proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) peut être écrit "H" (noyau d'hydrogène) ou "p".

Pour vérifier l'équation, on doit contrôler que les sommes des nombres atomiques soient égales à gauche et à droite (à cause de la loi de conservation (En physique, une loi de conservation (rien ne se perd, rien ne se crée) exprime qu'une propriété mesurable particulière d'un système physique isolé reste constante au cours de l'évolution de ce...) de la charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.), et que les sommes des nombres de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...) soient aussi égales à gauche et à droite (à cause de la loi de conservation du nombre baryonique (En physique des particules, le nombre baryonique est un nombre quantique invariant. Il peut être défini comme le tiers du nombre de quarks moins le nombre d'antiquarks dans...). Par exemple:

36Li + 12H → 24He + 24He

Évidemment, l'équation est correcte. Elle pourrait aussi être écrite

36Li + 12H → 2 24He

Représentation simplifiée

Si quelques particules paraissent très souvent, on utilise des abréviations. Par exemple, le noyau 4He (qui s'appelle aussi particule alpha) est abrégé avec la lettre grecque "α". Les deuterons (hydrogène lourd, 2H) sont dénotés simplement "d". Aussi, comme les nombres atomiques sont donnés implicitement par les symboles chimiques, ils peuvent être supprimés quand l'équation a été vérifiée. Finalement, dans beaucoup de réactions, un noyau relativement lourd est frappé par une particule légère d'un petit groupe de particules communes, émettant une autre particule commune, et produisant un autre noyau. Pour ces réactions, la notation peut être beaucoup simplifiée de la manière suivante:

( particule d'entrée, particule de sortie )

Par conséquent, on pourrait périphraser l'exemple précédant en introduisant des symboles:

36Li + d → α + α

puis, supprimant les nombres atomiques:

6Li + d → α + α

et finalement, utilisant la forme condensée:

6Li(d,α)α

Conservation d' énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.)

Il est possible que de l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est égale au travail nécessaire pour faire...) soit libérée pendant une réaction (réaction exothermique), ou que de l'énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) doit être ajoutée pour rendre possible la réaction (réaction endothermique). Pour décider cette question, il faut une table de masse des particules très exacte (voir http://physics.nist.gov/PhysRefData/Compositions/index.html). D'après cette table, le noyau 36Li a une masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse relative d'un atome de cet isotope ; la comparaison est faite avec le carbone 12 dont la masse atomique est fixée à 12 unités. La masse atomique...) de 6.015 unités de masse atomique (abrévié u), le deuteron a 2.014 u, et le noyau 24He a 4.0026 u. Par conséquent:

  • Masse de repos totale à gauche = 6.015 + 2.014 = 8.029 u
  • Masse de repos totale à droite = 2 × 4.0026 = 8.0052 u
  • Perte de masse = 8.029 - 8.0052 = 0.0238 unités de masse atomique.

Dans une réaction nucléaire, l'énergie relativiste totale est conservée. Par conséquent, la masse perdue doit réapparaître comme énergie cinétique. Utilisant la formule d'Einstein E = mc², on peut déterminer la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de...) d'énergie libérée.

Mais d'abord, il faut calculer l'énergie équivalente à une unité de masse atomique (L'unité de masse atomique unifiée (symbole u ou uma ) est une unité de mesure standard, utilisée pour mesurer la masse des atomes et des molécules.):

1 u c2 = (1.66054 × 10-27 kg) × (2.99792 × 108 m/s)2 
= 1.49242 × 10-10 kg (m/s)2 = 1.49242 × 10-10 J (Joule)
× (1 MeV / 1.60218 × 10-13 J)
= 931.49 MeV,
Par conséquent, 1 u c2 = 931.49 MeV.

Alors, la quantité d'énergie cinétique produite est 0.0238 × 931 MeV = 22.4 MeV.

Ou, exprimé d'une manière différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de...): la masse est réduite par 0.3 %.

C'est une grande quantité d'énergie pour une réaction nucléaire; la quantité est si grande parce que l'énergie de liaison par nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau atomique, i.e. les protons et les neutrons qui sont tous deux des baryons. Le nombre de nucléons par atome est généralement noté « A », et...) du nucléide 4He est exceptionnellement large, parce que le noyau de 4He est doublement magique. Par conséquent, les particules alpha paraissent souvent au coté droit de l'équation.

L'énergie libérée dans une réaction nucléaire peut apparaître en trois manières différentes:

  • énergie cinétique des particules produites
  • émission des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit...) de très grande énergie, appelés rayons gamma
  • une partie de l'énergie peut rester dans le noyau, comme niveau métastable.

Si le noyau produit est métastable, cela est indiqué par un astérisque ("*") près de son nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) atomique. Éventuellement, cette énergie est libérée par transmutation nucléaire.

En général, le noyau produit a un numéro atomique différent, et par conséquent, la configuration de ses couches électroniques n'est pas juste. Alors les électrons, en s'arrangeant, émettent aussi des rayons X.

"Q-value"

En écrivant l'équation pour la réaction nucléaire (d'une manière analogue à une équation pour une réaction chimique) on peut ajouter l'énergie de réaction à droite:

Noyau cible + projectile -> Noyau produit + éjectile + Q.

Pour le cas spécial discuté en haut, nous avons déjà calculé l'énergie de réaction: Q = 22.4 MeV. Alors:

36Li + 12H → 24He + 24He + 22.4 MeV

L'énergie de réaction ("Q-value" en anglais) est positive pour les réactions exothermiques et négative pour les réactions endothermiques. D'une part, elle est la différence entre les sommes des énergies cinétiques à droite et à gauche. Mais d'autre part, elle est aussi la différence entre les masses de repos nucléaires à gauche et à droite (et de cette manière, nous avons calculé la valeur en haut).

Taux de réaction

Si une réaction est vérifiée quant aux numéros atomiques et nombres de masse (comme montré en haut), cela ne veut pas dire que la réaction peut avoir lieu. Le taux de réaction dépend de l'énergie des particules, du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) des particules et de la section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la physique des particules....) de la réaction.

Comparaison entre neutrons et ions

Dans la collision initiale, les particules doivent s'approcher si près pour que la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) nucléaire forte (d'un rayon d'action très réduit) puisse entrer en jeu. Comme les particules nucléaires ont normalement des charges positives, ils doivent surmonter une répulsion électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) considérable. Même si le nucléide cible fait partie d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) neutre, l'autre particule doit s'approcher du noyau de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être...) positive. Par conséquent, il faut d'abord accélérer les projectiles à haute énergie, par exemple, par:

  • accélérateur de particules (Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à...)
  • une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) très grande, quelques millions de degrés, produisant des réactions thermonucléaires, comme au centre du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée d'hydrogène...) (voir plus bas)
  • rayons cosmiques

Les neutrons, d'autre part, n'ont pas de charge électrique, et ils peuvent effectuer une réaction nucléaire à des énergies très petites. Fréquemment, la section efficace croît même si l'énergie décroît.

Le Soleil

Le Soleil est un énorme réacteur (Un réacteur peut désigner :) thermonucléaire auto-entretenu. Pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une...), aucune dérive n'est à craindre, cette réaction explosive est contenue par la force gravitationnelle. Regardons ce qui ce passe au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères qui englobe...) du Soleil pour comprendre ce qu'est une réaction nucléaire.

  • Il existe deux types de réaction, la fission et la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la fusion s'effectue à température...), la fission consiste à séparer le noyau de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...) (séparer les protons et les neutrons entre eux) et la fusion est le fait d'associer deux noyaux pour former un nouveau noyau. Tous les éléments sont formés ainsi : à l'origine de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), il n'y avait que de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) mais les réactions au cœur des étoiles forment tous les autres éléments jusqu'au fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la...), les éléments plus lourds sont formés par un autre procédé.
  • Sachez que la fusion produit beaucoup plus d'énergie (Les premières bombes nucléaires fissionnaient des atomes d'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que...), mais aujourd'hui les bombes nucléaires fusionnent des atomes hydrogène, bombe H (La bombe H (aussi appelée bombe à hydrogène, bombe à fusion ou bombe thermonucléaire) est une bombe nucléaire dont l'énergie principale provient de la...), ces bombes sont beaucoup plus puissantes et destructrices).
  • Dans notre soleil, du fait des très hautes températures qui y règnent, les particules sont très agitées et possèdent énormément d'énergie cinétique (vitesse). Du fait de la grande vitesse (On distingue :) des atomes, les atomes ne peuvent exister sous forme normale ( Forme normale (bases de données relationnelles) Forme normale (lambda-calcul) En calcul des propositions: formes normales conjonctives et formes normales disjonctives En théorie des langages formels : Forme Normale de...) car les électrons refusent de 'graviter' autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...). (Imaginez que la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...) est le noyau et que la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance...) est un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.); si on chauffe la Terre (soyez imaginatif) elle se mettra à vibrer. Plus on chauffe, plus elle vibre fort, ces vibrations deviendront si fortes que la Lune ne pourra plus tourner autour, on dira donc que la Terre est ionisée).
  • Bien qu'ils se dirigent les uns vers les autres, les noyaux ne s'entrechoquent pas car la force électromagnétique (La force électromagnétique est, avec la force de gravitation, l'interaction faible, et l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales de...) les repousse (les noyaux sont tous les deux positifs). Mais si on augmente la température, les noyaux gagnent de la vitesse et lors des chocs, ils se rapprochent toujours de plus en plus, jusqu'à ce que les noyaux entrent en contact et que la force nucléaire forte prenne le relais, mais comme elle est des milliers de fois plus puissante que la force électromagnétique, les noyaux se lient entre eux et forment un seul atome.
  • La propriété remarquable de cette réaction réside dans le fait que la masse du noyau est légèrement inférieure à la somme des masses des deux protons du début de la réaction. La réaction nucléaire de fusion s'accompagne donc d'une perte de masse.
  • Or, Einstein montra par la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant théorique qu'expérimental.) que la masse peut se transformer en énergie et que l'énergie peut se transformer en masse selon la célèbre formule E = MC2 qui énonce que l'énergie est égale au produit de la masse par le carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la...) de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière (299 792 458 m/s) a été mesurée dès le XVIIe siècle par l'astronome danois Ole Christensen Rømer qui avait observé en 1676 un retard de...). La perte de masse de la réaction citée plus haut correspond à une libération d'énergie. C'est ainsi qu'en transformant une fraction de sa masse que notre Soleil trouve les ressources qui lui sont nécessaires. Cette méthode est beaucoup plus efficace que les réactions chimiques ou la contraction Kelvin-Helmholtz. Elle permet à une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche...) comme la nôtre de briller pendant 10 milliards d'années.
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

Vous pouvez soumettre une modification à cette définition sur cette page. La liste des auteurs de cet article est disponible ici.