Réaction nucléaire - Définition et Explications

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...) 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...), 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...), 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...) un noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de...) 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...) 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...) 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...) en haut. Pour le neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.), le symbole est n. Le proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) 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...) de la charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...), et que les sommes des nombres de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) 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...). 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...)

Il est possible que de l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) 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...) 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,...) 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,...):

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...): 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...) 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...) 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...) atomique. Éventuellement, cette énergie est libérée par transmutation (La transmutation est la transformation d'un élément chimique en un autre par une...) 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...) des particules et de la section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une...) de la réaction.

Comparaison entre neutrons et ions

Dans la collision initiale, les particules doivent s'approcher si près pour que la force nucléaire (La force nucléaire est une force qui s'exerce entre nucléons. Elle est responsable de la...) 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...) considérable. Même si le nucléide cible fait partie d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) 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...) 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...)
  • une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) 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...) (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...), aucune dérive n'est à craindre, cette réaction explosive est contenue par la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) gravitationnelle. Regardons ce qui ce passe au sein 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...), la fission consiste à séparer le noyau de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) (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...), 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...), 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...), 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...) car les électrons refusent de 'graviter' autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...). (Imaginez que la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) est le noyau et que la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du...) est un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...); 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...) 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...) 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...) de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...). 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...) comme la nôtre de briller pendant 10 milliards d'années.
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