Réaction nucléaire - Définition

Conservation de l'énergie

Il est possible que de l'énergie cinétique soit libérée pendant une réaction (réaction exothermique), ou que de l'énergie cinétique 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 le site du NIST : (en) Atomic Weights and Isotopic Compositions with Relative Atomic Masses.

D'après cette table, le noyau ₃⁶Li a une masse atomique de 6,015 unités de masse atomique (abrévié u), le deutéron 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 apparaitre comme énergie cinétique. Utilisant la formule d'Einstein E = mc², on peut déterminer la quantité d'énergie libérée.

Mais d'abord, il faut calculer l'énergie équivalente à une unité de masse atomique :

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)

= 931,5 MeV,

Par conséquent, 1 u .c² = 931,5 MeV.

Alors, la quantité d'énergie cinétique produite est 0,0238 × 931 MeV = 22,4 MeV.

Ou, exprimé d'une manière différente : la masse (au repos) 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 du nucléide ⁴He est exceptionnellement large (relativement aux réactifs), parce que le noyau de ⁴He est doublement magique. Par conséquent, les particules alpha paraissent souvent au côté droit de l'équation (dans les produits).

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

• énergie cinétique des particules produites ;
• émission des photons 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 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 des particules et de la section efficace de la réaction.