(S-8A-1) L'énergie nucléaire :noyaux et atomes

Note : Voici un aperçu sur l'énergie nucléaire, plus long et plus détaillé que celui de la section (S-8). Il a été présenté par David P. Stern, en tant que participant à une présentation dynamique (« flexbook ») sur la physique en Virginie organisée par la fondation CK-12, selon le protocole "contribution et partage entre tous". Il a été conçu comme complément à l’enseignement de la physique, à l’école secondaire. Il comporte également des problèmes et des questions.

    L'énergie nucléaire est devenue une source importante de production d’électricité, aux Etats-Unis et ailleurs. Elle peut encore se développer, au moins tant que subsistent les problèmes écologiques qui freinent la combustion du carbone, bon marché, et que l’utilisation de l'énergie solaire est encore en cours de développement.

    Cependant, elle n’est pas facile à expliquer et cela demande une certaine connaissance de la physique moderne. On ne peut que proposer ici une vue générale : un aspect quantitatif, avec les calculs nécessite         l’acquisition préalable d’un niveau supérieur.

1.     La matière est composée d’atomes très petits. Dans la nature, il y en a 92 variétés ( les "éléments chimiques"),  sans tenir compte des éléments supplémentaires créés artificiellement (et en notant que le technétium est trop instable pour avoir survécu sur la Terre). Les Atomes peuvent se combiner chimiquement pour former la grande variété des molécules existant sur la Terre, correspondantes à l’ensemble des matériaux découverts ou artificiellement créés.
   
2.      Les propriétés chimiques des atomes sont déterminées par des forces électriques : les électrons, légers et de charge électrique négative sont équilibrés par un nombre égal de protons, beaucoup plus lourds, mais avec la même charge mais positive. Les atomes possédent aussi des neutrons. similaires aux protons, mais sans charge électrique.

    Par ailleurs, des ions se forment dans les gaz raréfiés si une tension suffisante y est appliquée (et par d'autres procédés). Ils transmettent alors des courants électriques dans les appareils à éclairage fluorescent (aidé par des électrons libres), et aussi dans l'ionosphère et dans l'espace plus lointain.

3.      Dans le vide, on peut également "évaporer (faire bouillir)" les électrons d’un objet chaud ( référence #3). Par d’autres méthodes, dans le vide, on peut créer des ions "libres" positifs ou négatifs (atomes ayant perdu un ou plusieurs électrons, ou auxquels se sont joints des électrons « immigrés »). Certains peuvent être accélérés en laboratoire par des "accélérateurs" à des vitesses proches de celle de la lumière, et acquérir de hautes énergies. Une grande partie de nos connaissances sur les atomes proviennent des études des collisions de ces particules rapides avec des atomes.
   
   
4.     L'élément le plus léger est l’atome d' hydrogène, dont la partie positive est un unique "proton", 1836 fois plus lourd que l'électron. Le "poids atomique" des autres atomes correspond au nombre approximatif de fois qu’ils sont plus lourds que l'hydrogène, par exemple 4 pour la partie principale de l'hélium, 12 pour celle du carbone, 14 pour l'azote, 16 pour l'oxygène et ainsi de suite, jusqu'à 238 pour la principale variété de l'uranium, l'atome le plus lourd présent dans la nature.
   
   
   Le noyau d'hélium a une charge positive de 2 protons, mais est 4 fois plus lourd. De même, le carbone pèse 6 fois sa charge. Cela veut dire que ces noyaux contiennent de plus un nombre égal de " protons sans charge", appelés neutrons. Un neutron libre (découvert par Chadwick en 1931) est éjecté au cours de certaines collisions nucléaires (voir ci-dessous), mais reste instable --et en moyenne après 10 minutes, il se transforme en un proton, un électron et un très léger neutrino, sans charge.

       1 gramme d'hydrogène, 4 grammes d'hélium, 12 de carbone etc. contiennent A = 6.022 10²³ atomes, une constante connue comme le nombre d'Avogadro . C'est aussi le nombre de molécules de 2 grammes d'hydrogène (molécule H₂), 18 grammes d'eau (molécule H₂O), 44 grammes de dioxyde de carbone (molécule CO₂) et ainsi de suite - -le nombre formé par la somme des masses atomiques des composants et qui donne le poids moléculaire .
   

5.     Pour désigner un élément dans la nature, un symbole abrégé est utilisé. Exemples : H pour l'hydrogène, O pour l'oxygène, C pour le carbone, U pour l'uranium, Na pour le sodium (natrium), Pb pour le plomb (plumbum), Cl pour le chlore, pour Fe pour le fer (Ferrum), etc. En fait, la plupart des atomes naturels ont plusieurs variétés (isotopes), qui diffèrent très peu, d’un poids très proche de la masse de leur proton. Pour désigner un isotope, on ajoute à son symbole un exposant désignant son poids atomique. Par exemple, le chlore naturel est un mélange d'environ 75% de ³⁵Cl et de 25% de ³⁷Cl.

       On connaît 3 isotopes pour l’Hydrogène (H) : l'hydrogène ordinaire ¹H , l’hydrogène "lourd" ²H (dénommé aussi "deuterium" D) composant 1 / 6000 de l'atome dans la nature, et le "tritium" ³H qui est instable, mais peut être artificiellement créé, et se détruit en moyenne en 12,5 ans (sa "demi-vie", délai au bout duquel seule la moitié de ses atomes a disparue). Il se transforme en un isotope d'hélium ³en émettant un électron et un de ses neutrons (voir (7) ci-dessous) se transforme en proton.
   

6.     6. Mis à part les électrons, la masse de l'atome est concentrée dans un très compact "noyau atomique".
   
7.      Le noyau de l'isotope le plus courant de l'hélium vaut le double de la charge positive des protons, mais près de 4 fois leur masse. En fait, il contient deux protons et deux neutrons, des particules semblables aux protons, mais légérement plus lourdes et sans charge électrique. Les légers atomes  possèdent un nombre égal de protons et de neutrons, par exemple, 6 +6 pour ¹²C, 8+8 pour ¹⁶O. Pour les atomes plus lourds, la proportion de neutrons devient majoritaire, d’autant plus que le poids atomique augmente. Par exemple²³⁸U possède 92 protons et 146 neutrons. Les isotopes d'un même élément ont le même nombre de protons ( égal au nombre d'électrons et déterminant les propriétés chimiques), mais un nombre différent de neutrons. Ce déséquilibre (voir plus loin) joue un rôle crucial dans la libération de l'énergie nucléaire par la réaction de fission en chaîne.
   
8.    Les noyaux atomiques peuvent être instables ---en particulier, pour les éléments très lourds et pour les isotopes dont le nombre de neutrons diffère sensiblement de celui de l’isotope le plus commun. Les noyaux instables peuvent aboutir par "transformation radioactive" à un état plus stable. La plupart des noyaux radioactifs le font en émettant l'un des trois types de "radiations nucléaires", désignées, pour des raisons historiques, par les 3 premières lettres de l'alphabet grec, soit les radiations alpha, beta, gamma .

       Les particules Alpha (α) sont des noyaux d'hélium, dont l’émission transforme un atome en un autre diminué de 2 protons et 2 neutrons (la particule alpha, après avoir été ralentie par les collisions, se combine à deux électrons du milieu environnant et devient un hélium normal, tandis que l'atome émetteur récupère deux électrons, ce qui conserve neutre le matériau environnant. Les particules alpha pénètrent très peu dans la matière et ne peuvent traverser la peau. Toutefois, ils sont très nocifs en cas d'ingestion - comme dans le cas d'Alexandre Litvinenko, un officier russe exilé à Londres, qui y est décédé en Novembre 2006 après avoir été empoisonné au polonium α-émetteur.

       Les particules Beta sont des électrons rapides, émis lors de la transformation d’un neutron en proton. Il s'agit généralement des neutrons d’un noyau instable, encore que des neutrons libres, produits en laboratoire au cours de collisions à haute énergie ( à partir de particules accélérées, ou par des particules alpha naturelles frappant des noyaux de béryllium) peuvent aussi faire l'objet de ce type de transformation, avec une demi-vie d'environ 10 minutes,  production d’un proton, d’un électron et d'un "neutrino" ", sans charge, presque pas de masse ou de ses deux "anti-neutrino, tous pouvant traverser la matière pratiquement sans entraves.

       Les rayons Gamma , analogues aux rayons X, sont des variétés du rayonnement électromagnétique [voir ci-dessous] en liaison avec la lumière et les ondes radio. Comme pour la lumière visible, ils ne peuvent être émis qu’à des niveaux d’énergie bien définis, par des électrons situés à un niveau d’énergie "excités" et sautant d'un "niveau d'énergie" à un autre, plus bas. Les rayons gamma se créent à partir des noyaux en passant d'un niveau d'énergie excité à un autre - voire le plus bas, le stable "niveau fondamental."
   

9.     Le terme radiation doit être utilisé avec précaution. Les physiciens l’appliquent habituellement au "rayonnement électromagnétique (EM) ", une famille de perturbations se propageant à travers l'espace et qui regroupe les ondes radio, micro-ondes, la lumière (visible, infrarouge et ultraviolet), rayons X, rayons gamma. Ces variétés recouvrent l’ensemble des radiations. Elles ont des longueurs d'onde différentes et sont décrites qualitativement dans la référence #4.

    Les rayonnements Nucléaires , émis par les noyaux instables, peuvent être électromagnétiques (rayons gamma) ou constitués de particules possédant une masse (rayons alpha et bêta) et quelquefois accompagnées de rayons gamma. De plus, les isotopes artificiels peuvent émettre des neutrons et des positons (électrons positifs).

       Trop de personnes ignorent la différence entre «radiations nucléaires» et «rayonnement électromagnétique»! On réchauffe fréquemment des aliments au four à micro-ondes mais les noyaux atomiques ne sont alors pas  en jeu mais seulement des ondes radio très courtes, dont l'énergie est absorbée en majeure partie par la cuisson de la nourriture (et non par des atomes individuels). Ce débat sur l'énergie nucléaire s’applique à la plupart des radiations nucléaires. Dans cet exemple (ici seulement ) le mot «radiation» ne veut pas dire radiation nucléaire.
   

10.    Dans un atome, les électrons, négatifs, entourent le noyau, positif, qui les retient par attraction électrique, comme les planètes sont retenues par la gravité du Soleil.

      Il y a cependant de grandes différences car les lois de Newton sont modifiées à l’échelle des distances atomiques et subatomiques, qui est du domaine de la mécanique quantique. En un sens, la matière se comporte comme le sable : à grande échelle, il s’écoule comme un fluide, mais à petite échelle, son comportement dépend de l'existence des grains individuels. La « granularité » "obéit aux phénomènes quantiques et est déterminée par "h", la constante naturelle dite "Constante de Planck" d’après son découvreur. Pour plus d'informations sur les phénomènes quantiques, voir référence #5 et les 7 fichiers web qui lui sont liés (Q2 ... Q8.htm).

        h et la lumière (ou n’importe quel  rayonnements EM) sont liés par une équation fondamentale. On dit souvent que la lumière peut à la fois être onde et particule. Fondamentalement, le rayonnement EM se propage comme une onde avec une longueur d'onde L (également désignée par λ, lambda, la lettre grecque L),une vitesse c ( la vitesse de la lumière, 300.000 km / sec). Un "train d'ondes" entier, de vitesse c, passe chaque seconde par un point (vide) de l’espace, découpé en oscillations de haut en bas (ici, peu importe qu’elles soient dues à la force magnétique ou électrique), séparées chacune d’une longueur L, de sorte que le nombre total d’excursions de haut en bas ( la fréquence f de l'onde) est par seconde
    

    f = c/L
    (aussi désignée par ν, la lettre grecque N). La longueur d'onde peut être mesurée, et caractérise tous les phénomènes optiques.

        Toutefois, quand une onde EM perd de son énergie, cela ne concerne que l'énergie des "photons", dont chacun contient une énergie :
    

    E = h f
    avec h la constante de Planck.

        En Allemagne, Max Planck (prix Nobel 1918) a proposé cette équation en 1900 à propos de la répartition des couleurs émises par les objets chauds, mais son importance n’a été reconnue pour les processus atomiques qu’après qu’Einstein eu interprété en 1905 l'éjection des électrons atomiques soumis à des lumières de différentes couleurs (effet photo électrique). C'est pour cela d’ailleurs qu’Einstein a reçu son prix Nobel en 1921 et non pas pour sa découverte de la relativité!  Les photons sont analogues à des particules,  juste localisées à l'atome qui absorbe l'énergie, et ne se répartissant pas dans tout l'espace comme pour les ondes. Pour plus de détails, voir la référence #4 et les pages web référence #5 ci-dessus.

        Selon les règles quantiques, un électron appartenant à un atome de gaz ne peut se déplacer que sur certaines orbites bien définies et sur aucune autre - comme l' onde  des modèles stables bien définis, par exemple le son d'un instrument de musique. Quand un atome est "excité" (par exemple, par les forces électriques des tubes fluorescents ou des lampes à vapeur de sodium de l'éclairage publique), un électron peut être déplacé à un niveau plus énergique, puis, revenant à un niveau inférieur, émettre de la lumière dans des fréquences bien définies (exemples à référence #6 ), donc perçue (si visible), avec des couleurs spécifiques. Chaque fréquence représente (par l'équation ci-dessus), la différence d'énergie entre deux états de l'atome. Tous ces électrons abotissent au "niveau fondamental ", celui de l'énergie la plus basse, qui est stable. Ce niveau (déterminé par les lois quantiques), empêche l'électron de se déplacer plus loin et de "tomber" dans le noyau de l'atome.
    
    Pour le plaisir : Du fait de la radioactivité d’éléments comme l'uranium et le potassium, l'énergie nucléaire réchauffe aussi l’intérieur de la Terre, surtout  la croûte terrestre. Bien que les éléments radioactifs ne constituent qu'une infime partie des composants de la Terre, la chaleur qui résulte de l’absorption de leurs rayonnements ne peut facilement s’échapper. Considérez que vous occupez un espace d’un mètre carré : si la croûte terrestre présente partout les mêmes caractéristiques chimiques, toute la chaleur radioactive produite à l’aplomb d’une colonne de 100 km au-dessous de vous ne peut sortir que par cette petite région. (La profondeur pourrait être plus grande, mais la production de chaleur est faible aux grandes profondeurs). On peut dire aussi que toute la chaleur des centrales géothermiques, des sources chaudes et des volcans provient de noyaux atomiques
    
    Et soit dit en passant ...L’hélium de la Terre (celui des ballons de jeu, par exemple) est en pratique totalement extrait du gaz naturel, et trouve son origine dans les α-particules émises par l'uranium, le thorium ou certains produits affiliés. Pour preuve, l'hélium du Soleil contient une petite quantité d’isotope ³He (1 neutron, deux protons), mais l'hélium terrestre ⁴He est presque pur. 
    
    

    Problèmes:

    (réponses en section S-8A-5)
    
    
    1.     1. Si le chlore est composé de 25% de ³⁷Cl et 75 % de ³⁵Cl, et  A est le nombre d'Avogadro - quelle est la masse de A atomes de chlore? (C’est le poids atomique effectif du chlore naturel).
       
       
    2.     2. A l’ aide d’un dictionnaire, définir brièvement par ordre alphabétique, avec vos propres termes :
       
       Radiation, particule alpha, atome, poids atomique, nombre d'Avogadro, particules électromagnétiques à rayonnement bêta, électron, niveau d'énergie, états de l'atome, états excités du noyau atomique, fréquence des ondes EM, rayons gamma, niveau de base , demi-vie, ion, isotope, molécule, poids moléculaire, neutrino, neutron, radiation nucléaire, noyau (de l'atome), photon, constante de Planck, proton, mécanique quantique.
       
       
    3.     Les ions à très haute énergie en provenance de l'espace («rayons cosmiques") parviennent au sommet de la magnétosphère terrestre, heurtent des atomes et s’éparpillent en fragments, dont certains sont des neutrons. Un neutron, qui n’est pas dévié par les forces magnétiques, peut s’échapper sur une trajectoire rectiligne, alors que les électrons et les protons sont déviés et peuvent être piégés magnétiquement. Ces « éclaboussures » dans l'atmosphère obéissent généralement à la force magnétique et retournent à celle-ci.
       Ces fragments pourraient-ils être à l'origine de la "ceinture des radiation", piégée par le champ magnétique de la Terre?
       
       
    4.     La demi-vie d’un isotope radioactif étant de 2 jours, combien faut-il environ de temps pour qu’il n’en reste qu’1 / 1000 dans un échantillon donné?
       
       
    5.     5. Le poids de l'hydrogène (composé de molécules H₂ ) est d’environ 90 grammes par mètre cube. Combien de molécules d'hydrogène y a- t’il dans un micron cube (un micron est le millionième du mètre)?

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Auteur et responsable:   Dr. David P. Stern
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Dernière mise à jour 2-11-2009