Transcript Enoncé

TP n°10 B : La fusion nucléaire et la « bombe H » (TD)
Objectifs :
- Utiliser la relation d’Einstein : E = m.c 2
- Recueillir et exploiter des informations sur les réactions nucléaires
I. Etude de la fusion de l’hydrogène dans le soleil
Le Soleil brille car lors de la fusion de l’Hydrogène (H) en Hélium (He), il y a libération d’énergie sous forme de
photons.
Etudions la réaction de fusion entre le deutérium
et le tritium
deux isotopes de l’hydrogène
L’équation de la fusion s’écrit :
+
→
+
+γ
est un neutron expulsé et γ le rayonnement électromagnétique émis (photons émis)
1. Lors d’une réaction nucléaire, le nombre de nucléons et la charge électrique globale sont conservés (lois de
Soddy). Démontrer ces deux conservations à partir de la réaction de fusion écrite ci-dessus.
2. Les photons émis ont-ils une masse ? Si oui, de quelle valeur ?
3. A votre avis, si on pouvait placer sur une balance Roberval :
,
d’un côté et
,
de l’autre, qu’observerait-on ?
4. Faisons une simulation de cette pesée grâce à l’animation
« pesee_atomes.swf » (voir ci-contre)
Donnée : les masses sont tellement petites qu’on les
exprime en unité de masse atomique (uma) abrégé (u) :
1 uma = 1g.mol-1 = (1/NA) g
 1 uma = 1,66054 × 10-24 g = 1,66054 × 10-27 kg
Relever les masses au repos (en u) :
mavant = m(
maprès = m(
) + m(
) + m(
)=
)=
Conclure :
5. Exprimer la perte de masse |∆m| avec mavant et maprès.
6. En quoi a pu se transformer ce défaut de masse |∆m| ?
3
7. En s’appuyant sur la relation d’Einstein, exprimer la variation d’énergie de masse ∆E en fonction |
|.
8. A quoi sert cette énergie « manquante » ?
Appel n°1 : Appeler le professeur pour qu’il évalue vos réponses
(A) réponses correctes
(B) 2 ou 3 réponses fausses
(C) 4 ou 5 réponses fausses
(D) plus de 5 réponses fausses
II. Interaction forte et défaut de masse
1. D’après la réaction de fusion
qui se sont recombinés ?
+
→
+
+ γ, combien a-t-on, en tout, de protons Z et de neutrons N
2. Mesurer avec l’animation la masse des nucléons au repos :
mnucléons = Z×mp + N×mn = ……..mp + ……..mn =
Comparer mnucléons et mavant , puis commenter :
3. Comparer la masse de l’atome d’hélium
m(
avec la masse des ses nucléons pris séparément.
)=
mnucléons = Zmp + Nmn = ……..mp + ……..mn =
4. Exprimer ∆E en fonction de |
|:
5. Puisque l’interaction forte assure la cohésion du noyau expliquer à quoi correspond l’énergie ∆E et de ce fait
l’origine du défaut de masse.
6. Calculer la valeur de ∆E en Joules, après avoir pensé à convertir |
On rappelle que c = 3,00×108 m.s-1.
| en kg.
Appel n°2 : Appeler le professeur pour qu’il évalue vos réponses
(A) réponses correctes
(B) 2 réponses fausses
(C) 3réponses fausses
(D) plus de 3 réponses fausses
4
III. Etude de la Bombe H
La « bombe H » ou bombe à fusion thermonucléaire a été mise au point au début des années 1950 par les
américains E. Teller et S.M. Ulman. Elle est constituée de deux parties principales. Dans l’étage primaire se trouve
une bombe au plutonium 239. Son explosion communique aux noyaux de lithium 6 et de deutérium présents dans
l’étage secondaire l’énergie nécessaire pour déclencher leur fusion. Il s’en suit une réaction en chaine ou fission,
puis fusion et fissions s’enchainent de façon incontrôlée libérant ainsi une énergie dévastatrice.
Le plutonium est radioactif avec une période de 24 110 ans et se désintègre en produisant de l'uranium 235 selon
une radioactivité α. Il peut aussi, s’il est bombardé de neutrons (comme ici dans la bombe H) se fissurer : on parle
de réaction de fission. Il se scinde alors en deux noyaux plus petits.
La réaction de fission est la suivante :
1. Déterminer le noyau
+
→
+
+3
impliqué. Voir la classification périodique en annexe.
2. L’énergie de fission permet d’assurer la fusion des noyaux de lithium 6 et de deutérium. Pourquoi faut-il
fournir de l’énergie à ces noyaux pour qu’ils fusionnent ?
3. Parmi les multiples réactions possibles dans l’étage secondaire, la fusion de deux deutériums peut donner de
l’hélium 3 (réaction 1) ou encore du tritium (réaction 2). Ecrire les équations de fusions correspondantes.
Réaction 1 :
Réaction 2 :
4. Déterminer l’énergie de masse libérée par la réaction 1en Joules. On s’aidera de l’animation pour les mesures
des masses.
Appel n°3 : Appeler le professeur pour qu’il évalue vos réponses
(A) réponses correctes
(B) 2 réponses fausses
(C) 3réponses fausses
(D) plus de 3 réponses fausses
5
Annexe TP 10B
6