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8/8/2019 A to Me Chap 1
1/41
T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 1
L1 - CHIM 110 - ATOMES ET MOLECULES
Cours de Thierry BRIERE
PREMIERE PARTIES : LES ATOMES
Chapitre 1 : Structure de la matire
Cette page est mise disposition sous un contrat Creative Commons.
Vous pouvez lutiliser des fins pdagogiques et NON
COMMERCIALES, sous certaines rserves dont la citation obligatoire
du nom de son auteur et ladresse http://www2.univ-reunion/~briere deson site dorigine pour que vos tudiants puissent y accder.
Merci par avance de respecter ces consignes. Voir contrat
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/fr/http://www2.univ-reunion/~brierehttp://www2.univ-reunion/~brierehttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/fr/8/8/2019 A to Me Chap 1
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 2
QUELQUESQUELQUES NOTIONSNOTIONS
SUR LA STRUCTURE DE LA MATIERESUR LA STRUCTURE DE LA MATIERE
Chapitre 1
Z > 83
N
Excs de
protons+
Excs de
neutrons-Zone de stabilit
20 40 60 80 100
50
10
0
15
0
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 3
Particule symbole Masse Charge lectrique
Proton p+ 1,6724 10-27 kg 1,60219 10-19 C
Neutron n0 1,6747 10-27 kg
Electron e- 9,110 10-31 kg -1,60219 10-19 C
Quelques proprits physiques
On voit que le proton et le neutron ont des masses sensiblement
identiques :
mp = mn = 1,67 10-27 kg.
Les particules lmentaires
Ces particules fondamentales ont t dcouvertes entre 1875 et 1910, ce sont :
Le Proton, le Neutron et lElectron.
Trois particules lmentaires de trs petites dimensions composent toute la matire de lUnivers, avec
ces trois briques fondamentales on peut construire tous les lments qui existent.
Llectron est une particule beaucoup plus lgre, sa masse est
approximativement 2000 fois plus faible que celle du proton ou du
neutron (mp/me = 1833).
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 4
DfinitionL ATOME
En ralit latome nest pas indivisible puisque comme
nous venons de le voir, il est constitu des particules
fondamentales Protons, Neutrons et Electrons.
Atome(du grec atomos, indivisible), particule, constituant essentielde la matire caractristique d'un lment chimique. L'tymologie
grecque du mot atome souligne le caractre indivisible de cetteparticule fondamentale, qui tait considre comme indestructible.
Nous considrerons latome comme la plus petite particule dun lment
dtermin qui puisse exister.
Cette dfinition reste toutefois valable car sil est possible de
dtruire un atome dun lment quelconque pour obtenir les
particules lmentaires qui le composent, llment lui-mme
est dtruit au cours de cette opration.
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 5
Diamtre de l'atome : 2 10-10 m
NOYAU
Z protons
N neutrons
Rayon : 10-14 m
Cortge lectronique
Z lectrons gravitant
autour du noyau
(pour un atome neutre)
Reprsentation symbolique d'un atome (modle plantaire)
Si l'chelle tait respecte la taille de l'atome, de l'ordre de grandeur de
l'Angstrm l'Angstrm(10-10 m) devrait tre 10000 fois plus grande que
celle du noyau (10-14 m).
Orbites lectroniques
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 6
La Mole : unit de quantit de matire
La taille minuscule des atomes et leur masse
extrmement faible fait qu'il y a toujours un nombrenorme d'atomes dans le moindre chantillon de matire.
On a donc dfini une unit de quantit de matire plus
facile d'utilisation : la mole.
La mole est dfinie comme le nombre d'atome de carbone
12 contenu dans 12 g de carbone 12.
En pratique ce nombre est appel nombre d'Avogadro etvaut environ 6,022 10
23
.Une mole d'atome correspond 6,022 1023 atomes, une mole
d'lectrons correspond 6,022 1023 lectrons. etc.
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 7
La Masse des atomes
Normalement la masse d'un atome devrait pouvoir se
calculer simplement en faisant la somme des masses de
ces divers constituants.
matome = Z mproton + N mneutron + Z mlectronma = Z mp + N mn + Z me
La masse des lectrons est trs faible par rapport a celle des neutrons ou
des protons, nous pourrons donc la ngliger.
mp mn 1,67 10-27 kgma 1,67 10-27 (Z + N) 1,67 10-27 A
A = Z + N = Nombre de Masse
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 8
L'atome tant trs petit on prfre utiliser la
masse molaire atomique qui correspond bien sur
la masse d'une mole d'atome (soit fois lamasse de l'atome).
A l'origine les chimistes ne connaissaient pas la
masse relle des atomes, ils avaient donc dfini unechelle relative des masses molaires atomiques en
comparant la masse des divers lments entre eux
en ayant choisi comme rfrence le carbone qui ils
avaient attribu arbitrairement une masse molaire
atomique de 12 g.
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 9
Cette unit de masse adapte l'tude des objets
microscopique est dfinie comme tant le douzime de la
masse de l'atome de carbone.Une mole de carbone pesant par convention 12 g et
correspondant N atomes de carbone, un atome de
carbone pse donc 12 / N g et l'unit de masse atomique
vaut donc 1 / N g.Il y a donc une correspondance directe entre la masse d'un
atome en u.m.a et sa masse molaire en g.
1 u.m.a = 1 / N g = 1 / 6,022 1023 1,67 10-24 g 1,6710-27 kg
Dire qu'un atome une masse de Mu.m.a est quivalent
dire que sa masse molaire atomique est de Mg.mol-1.
L'unit de masse atomique :
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 10
Comme nous l'avons vu plus haut la masse du proton (ou
celle du neutron) est justement pratiquement gale cette
masse de 1,67 10-27 kg.
mp mn 1 u.m.a
La masse de l'atome exprime en u.m.a ou sa masse
molaire exprime en g sont pratiquement gales son
nombre de masse A = Z + N.
et comme : ma 1,67 10-27 (Z + N) 1,67 10-27 A
Dans la plupart des situations courantes en chimie
cette approximation sera valable et pourra donc tre
utilise si on n'a pas besoin d'une prcision extrme.
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 11
noyau
Cortge lectronique
simplifi
Z lectrons
Z protons N neutrons
Construction des divers atomes :
Un lment chimique est caractris par lenombre Z de protonscontenu
dans son noyau, selon le nombre N de neutrons prsents, il existe
plusieurs isotopes de cet lment.
Pour l'atome neutre ( l'exclusion des ions) Z lectrons vont graviter
autour du noyau. Nous tudierons plus loin la faon dont ces
lectrons s'organisent dans le cortge lectronique.
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 12
Z =1
N = 0
A = Z + N = 1
Z =1
N = 1
A = Z + N = 2
Z =1
N = 2
A = Z + N = 3
Z =2
N = 1
A = Z+ N = 3
Z =2
N = 2
A =Z+ N = 4
Z =2
N = 4
A = Z + N = 6
Reprsentation symbolique des trois isotopes de l'lment Hydrogne
Reprsentation symbolique des trois isotopes de l'lment HliumH
1
1 H
2
1
H3
1
Hydrogne
normal
Deutrium Tritium
He3
2He
6
2
He4
2
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 13
Un difice atomique est reprsent par un symbole
chimique Xcompos de une ou deux lettres, gauche de
ce symbole, on place en indice le numro atomique Z de
l'lment (nombre de protons) Dans le cas d'un ion la
charge de celui-ci sera prcise en exposant droite dusymbole X.
Le symboleXseul dsigne l'lment en gnral, si on veut dsigner
un isotope particulier on prcisera la composition exacte du noyau en
indiquant le nombreNde neutrons prsents. Dans la pratique ce n'esttoutefois pas N qui est indiqu mais la somme A = Z + N appele
Nombre de Masse. A est plac en exposant et a gauche du symbole
chimique.
A
XZ
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 14
L'abondance relative des diffrents isotopes
Nous venons de voir qu'un mme atome pouvait
correspondre divers isotopes qui ne diffrent entre eux que
par le nombre de neutrons prsents dans le noyau. On
pourrait donc a priori imaginer une infinit d'isotopes
diffrents pour chaque lment.
Dans la pratique ce nombre d'isotopes est limit seulement quelques-uns. D'autre part, pour la plupart des atomes, un seuls des isotopes
stables est prsent en quantit apprciable dans la nature les autres
isotopes tant seulement prsents l'tat de traces.
On dsigne par abondance naturelle le pourcentage en
nombre d'atomes de chacun des isotopes prsents dans le
mlange naturel. Cette abondance est quivalente la
fraction molaire de chaque isotope stable.
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 15
Ainsi le carbone prsente deux isotopes stables naturels :
appels couramment Carbone 12 et Carbone 13.
Nombre de Masse 12 13
Abondance 98,9 % 1,1%
Ces abondances seront supposes (et on peut le vrifier) identiques
quelle que soit la provenance du Carbone tudi qu'il s'agisse du
charbon extrait dans une mine de Pologne, d'un diamant extrait du sol
sud-africain ou de charbon de bois fabriqu dans les hauts de La
Runion.
Cette abondance naturelle a pu tre mesure et on la
trouve dans des tables.
On admet que l'abondance naturelle de chacun des
isotopes est toujours la mme quelle que soit laprovenance de l'chantillon tudi.
Leurs abondances naturelles sont les suivantes :
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 16
Masse Molaire de l'lment :
M = xi Mi
Comme un lment est constitu d'un mlange de divers isotopes et
que les proportions de ces divers isotopes sont constantes on va
pouvoir dfinir pour chaque lment une masse molaire moyenne qui
tiendra compte de sa composition.
xi dsignant l'abondance naturelle de l'isotope i demasse molaire Mi.
Soit dans l'exemple du Carbone :
MC = 0,9889 * M(12C) + 0,011* (M
13C)
Si on n'a pas besoin d'une extrme prcision on pourra
assimiler les masses molaires de chacun des isotopes
leur nombre de masse.
MC = 0,9889 * 12 + 0,011* 13 = 12,02 g mol-1
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 17
Pour certains lments, il existe d'autre part des
isotopes naturels ou artificiels instables appels
radioactifs.
Isotopes radioactifs instables
En raison de leur instabilit leur abondance varie au
cours du temps et n'est donc jamais prcise.
Ainsi deux isotopes radioactifs du carbone existent :
le Carbone 14 ( 6 protons, 8 neutrons) et le Carbone 11
(6 protons, 5 neutrons).
Cela nous amne discuter de la stabilit des atomes et
particulirement de celle de leur noyau.
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 18
La stabilit des divers isotopes :
La radioactivit
Nous n'entrerons pas ici dans le dtail mais nous
noncerons simplement les principaux rsultats concernant
cette branche importante de la physique.
Parmi la centaine d'lments connus seul les 83 premiers (
l'exception du Techntium (Z=43) et du Promthium (Z=61)
possdent au moins un isotope stable.
A partir du Polonium (Z=84) il n'existe plus de nuclidesstables, ils sont tous radioactifs.
P l i l t d Z 30 t t l i t
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 19
Pour les premiers lments de Z < 30 on constate que les isotopes
stables contiennent un nombre de neutrons sensiblement gal celui
des protons. Z = N.
Au del de Z = 30 les isotopes stables contiennent un nombre de
neutrons plus lev que celui des protons : N > Z.
Z = N
Z
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1020
30
40
50
607080
90
100
110
120130
140
N
Zone de stabilit
Diagramme de stabilit des isotopes
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 20
On peut expliquer simplement ce fait en considrant que
les protons chargs positivement se repoussent, l'ajout
de neutrons stabilise les nuclides par un effet de
"dilution" des charges positives qui en tant plusloignes les unes des autres auront tendance moins
se repousser.
Plus le nombre de protons augmente et plus le nombre de
neutrons devra augmenter pour que le nuclide soit stable.
Si le nombre de protons devient trop lev (Z >84) cet effet de
dilution des charges devient inefficace et il nexiste plus de noyaux
stables.
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 21
Notons que le fait que les noyaux des atomes soient
stables implique obligatoirement l'existence de forces
d'intensit plus grandes que celle de la force
lectrostatique de Coulomb qui, si elle tait seule,
dtruirait le noyau.
Ces forces sont nommes forces nuclaires et sont au
nombre de deux la force nuclaire forte et la forcenuclaire faible que nous n'tudierons pas en dtail ici.
Le rapport entre le nombre de proton et le nombre de
neutron est le facteur principal qui va fixer la stabilit oul'instabilit d'un nuclide donn.
Il existe trois formes de radioactivit diffrentes :
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 22
Radioactivit -Cette forme de radioactivit concerne les isotopes
instables qui possdent un excs de neutrons et sont donc
situs au dessus de la zone de stabilit.
De tels noyaux chercheront se stabiliser en augmentant
Z et en diminuant N.
On peut considrer que pour de tels nucldes un neutronse transforme en proton, la charge positive du noyau va
donc augmenter, ce qui n'est possible qu'a la condition
qu'une charge ngative quivalente soit ejecte du noyau.
Cette charge ngative correspond au dpart d'un lectron dunoyau.
(il se forme galement une particule lmentaire appele anti-neutrino )
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 23
1
-1
La raction de transformation du neutron en proton
s'crit donc :
neutron proton + lectron + anti-neutrino
p1
n0
1
e0
Au cours de cette raction, le nombre de protons varie
et on transforme donc un lment en un autre, il s'agit
d'unetransmutation.
+
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 24
Z + 1
A
Au cours de ces ractions les lments ne sont pas
conservs, en revanche la somme des nombres de
masse et la somme des numros atomiques se
conservent.
Elment X Elment Y + lectron + anti-neutrino
Z
A
e0X-1
Y +
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 25
Le positron est l'anti-particule de l'lectron, il possde une
mme masse mais une charge oppose celui-ci.
Radioactivit +Il s'agit en quelque sorte du phnomne "inverse" du
prcdant.
De tel noyaux chercheront se stabiliser en augmentant Net en diminuant Z.
On peut considrer que pour de tels nucldes un proton se
transforme en neutron. Simultanment un positron est ject
du noyau.(il se forme galement un neutrino v)
Cette forme de radioactivit concerne les isotopes
instables qui possdent un excs de protons et sont donc
situs au dessous de la zone de stabilit.
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 26
proton neutron + positron + neutrino
p1
1
n0
1
e1
0
Au cours de cette raction, le nombre de protons varie et on
transforme donc un lment en un autre, il s'agit ici aussi d'une
transmutation.
Elment X Elment Y + positron + neutrino
YZ - 1
Ae
1
0
Z
AX +
+
+
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 27
Ici, le nombre des protons et celui des neutrons sont
modifis simultanment par mission de particules (noyaux d'Hlium 4 ).
Radioactivit Cette forme de radioactivit concerne essentiellement les
lments "lourds" de numro atomique Z > 83.
Elment X Elment Y + particule
He2
4
Z - 2
A - 4YX
Z
A
Diagramme de stabilit des isotopes
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 28
Z > 83
N
Diagramme de stabilit des isotopes
Z
Excs de protons
+
Excs de neutrons-Zone de stabilit
20 40 60 80 100
50
100
150
Prvision a priori du type de radioactivit dun isotope instable
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 29
Prvision a priori du type de radioactivit d un isotope instableIl suffit de comparer le nuclide instable avec un nuclide stable du mme
lment. Pour se stabiliser, lisotope instable va chercher se rapprocher
de la structure de lisotope stable.
Exemple du carbone (Z = 6)Isotopes stables : 12C : 6 protons et 6 neutrons et 13C: 6 protons et 7 neutrons
Isotope instable : 11C : 6 protons et 5 neutrons
Pour ressembler 12C il lui faudrait un neutron supplmentaire
Un proton va donc se transformer en neutron et le noyau va expulser une charge
positive : metteur+
Pour ressembler 13C il lui faudrait un neutron de moins
Un neutron va donc se transformer en proton et le noyau va expulser une charge
ngative : metteur-
Isotope instable : 14C : 6 protons et 8 neutrons
C6
11
B5
11e+
1
0+
C6
14
N7
14e-
-1
0+
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 30
Energie de cohsion des noyaux - Energie Nuclaire
Nous avons signal prcdemment l'existences des
forces nuclaires (forte et faible) qui s'opposant la forcede Coulomb taient responsables de la stabilit (ou de la
cohsion) du noyau.
A ces forces sont associe une nergie appele nergie
de cohsion (ou parfois nergie de liaison) du noyau.
Le noyau est plus stable que ses lments (protons et
neutrons) spars, lors de la formation du noyau, il y a donc
libration d'nergie.
D'aprs la relation d'Einstein d'quivalence
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 31
D aprs la relation d Einstein d quivalence
Masse - Energie
E = m C2
cette nergie correspond une masse.
En d'autre termes lors de la formation du noyau partir de
ces lments spars une partie de la masse des particules
est transforme en nergie.
La masse du noyau est toujours infrieure la somme des
masses de ces constituants, Il y a une perte de massem quise transforme en nergie avec
E = m C2
Pour dtruire le noyau il faudra fournir une nergie quivalente
8/8/2019 A to Me Chap 1
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 32
Pour dtruire le noyau, il faudra fournir une nergie quivalente.
Un noyau sera d'autant plus stable que son nergie de
cohsion sera grande.
Cette nergie de cohsion est de l'ordre du MeV/nuclon
(1 MeV = 106 eV = 1,6 10-13 J).
On peut porter sur un diagramme appel courbe d'Astonla reprsentation graphique de cette nergie moyenne de
cohsion en fonction du nombre A de nuclons.
La courbe obtenue prsente un maximum vers A = 60, les
atomes correspondant tant les atomes les plus stables qui
existent.
Courbe dAston : On porte lnergie moyenne de cohsion par nuclon
E/A en fonction de A
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 33
A = Z + N
E / A (MeV/nuclon)
8,8
7,5
Courbe d'Aston
50 100 150 200 250
2
H
56
Fe
238
U
Zone de plus grande stabilit
0,5
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 34
Les atomes dont l'nergie moyenne de liaison par nuclon
est faible ( de E / A < 7,5 MeV / nuclon) vont chercher a se
stabiliser et a se rapprocher de la zone de stabilit maximalevers A = 60.
Deux processus diffrents sont possibles :
La pente de la courbe d'Aston est trs importante pour la
zone des atomes "lgers" de A < 15.
Du cot des atomes "lourds" de A > 15 cette pente est
beaucoup plus douce.
FUSION FISSION
Atomes lgers Atomes lourds
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 35
A = Z + N
E / A (MeV/nuclon)
8,8
7,5
Courbe d'Aston
50 100 150 200 250
Zone de plus grande stabilit
FISSION
Stabilisation des atomes lgers = FUSION
Stabilisation des atomes lourds = FISSION
FUSION
La fission nuclaire:
8/8/2019 A to Me Chap 1
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 36
La fission nuclaire:
Les atomes de nombre de masse trs levs, lorsque ils sont bombards
par des neutrons peuvent subir une cassure conduisant a des atomes
plus lgers et a des neutrons.
Les neutrons mis peuvent leur tour provoquer la fission d'atomes
voisins, on une raction en chane explosive.
Lors du processus il se produit une perte de masse et un
important dgagement d'nergie.
Cette raction n'est toutefois possible que si la masse de
l'chantillon utilis est suprieure une masse appele
masse critique.
Ce type de raction en chane quand il n'est pas contrl est
la base de la bombe atomique (Bombe A).
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 37
L'nergie libre par ce type de raction est norme de
l'ordre de 200 Mev /atome (2 1013 J / mole).
La fission de 1 g d'Uranium 238 libre ainsi autant d'nergieque la combustion de 3 tonnes de charbon.
Ce qui explique que, malgr tous les problmes inhrents
cette technique (dchets etc), les centrales nuclaires aientt dveloppes et soient encore largement utilises.
On peut nanmoins contrler le processus pour obtenir une
libration d'nergie rgulire, on a alors une centrale
nuclaire.
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 38
235
U
92
1
n
0
139
Ba
56
1
3 n
0
94
Kr
36
235
U
92
1
n
0
139
Xe
54
1
2 n
0
95
Sr
38
235
U
92
1
n
0
135
I
53
1
4 n
0
97
Y
39
Exemples de ractions de fission :
La Fusion nuclaire
8/8/2019 A to Me Chap 1
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 39
La Fusion nuclaire
Les atomes lgers vont chercher se stabiliser par raction
de fusion. Au cours de ce type de ractions, deux noyaux
lgers vont fusionner pour donner un atome plus lourd etdiverses particules.
Au cours de ce processus il va y avoir perte de masse et
important dgagement d'nergie.
Cette sorte de raction est l'origine de l'nergie des toiles.
C'est aussi la raction utilise dans les bombe H.
En raison de la forte pente de la courbe dAston pour les
atomes lgers ce processus est encore plus nergtique que
la fission. Des recherches sont toujours menes pour
domestiquer cette nergie mais on est encore loin d'une
utilisation pacifique de la fusion nuclaire.
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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 40
1
4 H
1
4
He
2
0
2 e1
Exemples de ractions de fusion :
2
H
1
3
H
1
4He
2
1n
0
+
8/8/2019 A to Me Chap 1
41/41
T BRIERE ATOMES Ch 1 41
CONCLUSION
Au cours de ce premier chapitre nous avons rappel
les notions essentielles concernant la structure de la
matire.
La matire est constitu datomes.
Nous nous sommes intresss plus particulirement
au noyau contenant des protons et des neutrons.
Lors des chapitres suivants nous nous intresseronsau cortge lectronique des atomes qui est la base
de la ractivit chimique des lments.