E = mc² ?!? | l'énergie nucléaire

I. Origine de l'énergie nucléaire et défaut de masse :

Si l'on mesure les masses des différents composés d'un noyau constitué de Z protons et N neutrons, l'on constate que la somme des masses de ces particules est plus élevée que la masse du noyau formé par ces particules.

Quelques  chiffres avec le cas de l'hélium :

• Masse du noyau d'hélium : 6,6492. 10^-27 kg

• Masse des nucléons séparés constituants le noyau d'hélium : 6,7.10^-27 kg

• Soit une différence de masse de :  5,08.10^-29 kg  = ΔM (variation de masse).

Cette différence de masse peut s'expliquer en utilisant la forme découverte par Einstein dans sa théorie de la relativité :

où E = l'énergie ; m = la masse en kg et c = la vitesse de la lumière dans le vide (~3.10⁸m/s)

Par conséquent,

M_x + ΔM =  Σ M_nucléons

M_x .c² + ΔM .c² =  Σ M_nucléons .c²

E_{noyau formé} + ΔM.c² =  E_{noyau constituants séparés}

ΔM.c² correspond à l'énergie nécessaire pour séparer les différents constituants du noyau. ΔM.c² est donc l'énergie de liaison nucléaire.

En étudiant pour chaque élément une étude de l'énergie de liaison par nucléon on obtient le graphique suivant :

(c) Patrick Kohl http://perso.wanadoo.fr/patrick.kohl/images/spectro_part/spectro_part_3_6.gif

L'énergie de liaison  entre les constituants du noyau est de quelques Méga électrons volts. Elle est environ un million de fois plus élevée que l'énergie qui lie les électrons au noyau. Les réactions nucléaires libèrent donc une quantité d'énergie énorme (10⁶ fois plus) comparé aux réactions chimiques.

En général, les noyaux légers et lourds sont moins stables que les noyaux moyens (A~60)

La faible stabilité des noyaux lourds peut s'expliquer par le fait que ces noyaux contiennent beaucoup de protons. Les répulsions électrostatiques interne au noyau deviennent alors non négligeables par rapport à l'attraction nucléaire.

De même pour les noyaux légers, les forces nucléaires étant à courte portée un nucléon situé à la surface du noyau est attiré en son centre et les nucléons du centre sont attirés dans toutes les directions et subissent une force résultante nulle. De ce fait les noyaux les plus stables sont ceux offrant une surface minimale par rapport à leur volume d'où la forme sphérique prêtée aux noyaux.

Deux noyaux légers fusionneront pour en formé un plus lourd et réduire le nombre de nucléons de surface.  Il y aura un dégagement d'énergie

Par contre, deux noyaux lourds fissionneront pour formé des noyaux plus légers

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