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Physique-Chimie 2de

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28
La nucléosynthèse stellaire (II) : fusion du carbone

MOD : Modéliser une transformation par une équation

Pour les étoiles les plus massives, à la fin de la phase de la fusion de l’hélium, des réactions de fusion des noyaux carbone 12 peuvent s’effectuer.
Ces réactions amènent principalement à la création de trois nouveaux noyaux :
  • la première fusion de deux noyaux de carbone 12C^{12}\text{C} crée un noyau de néon 20Ne^{20}\text{Ne} et une autre particule ;
  • la seconde réaction de fusion de deux noyaux de 12C^{12}\text{C} a pour sous-produit un proton ;
  • la troisième réaction de fusion de deux 12C^{12}\text{C} produit un noyau de 23 nucléons ainsi qu’un neutron.

1. Rappeler les règles de conservation pour les transformations nucléaires.


2. Écrire alors l’équation des trois fusions principales du carbone 12.


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19
Nature d’une transformation

MOD : Interpréter une équation de transformation

Pour chaque équation de réaction écrite ci-dessous, identifier et justifier la nature physique, chimique ou nucléaire de la transformation.

a. C3H8(g)+5O2(g)3CO2(g)+4H2O(g)\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{8}(\mathrm{g})+5\, \mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) \rightarrow 3 \,\mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g})+4 \,\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g})


b. H2O(l)H2O(g) \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g})


c. 01n+92235U 3894Sr+54139Xe+301n ^{1}_{0}\text{n} +\, ^{235}_{\,\,92}\text{U} \rightarrow  ^{94}_{38}\text{Sr} +\, ^{139}_{\,\,54}\text{Xe} + 3\, ^{1}_{0}\text{n}


d. 235U(s)235U(l)^{235}\text{U(s)} \rightarrow\,^{235}\text{U(l)}


c. IO4(aq)+2I(aq)+H2O(l)I2(s)+IO3(aq)+2HO(aq)\text{IO}^{-}_{4}\text{(aq)} + 2\:\text{I}^{-}\text{(aq)} + \text{H}_{2}\text{O}\text{(l)} \rightarrow \text{I}_{2}\text{(s)} + \text{IO}^{-}_{3}\text{(aq)} + 2\:\text{HO}^{-}\text{(aq)}

Supplément numérique

B
Déchets radioactifs

APP : Extraire l’information utile et faire un brouillon

On appelle déchets radioactifs les produits des fissions nucléaires qui ne sont pas valorisables c’est à dire que l’on ne peut ré-utiliser directement. La plupart de ces déchets sont des isotopes radioactifs qui font partie de chaînes radioactives qui mettront plus ou moins de temps à aboutir à un isotope qui ne subira plus de transformation radioactive. Au cours de ces transformations successives les noyaux émettent un rayonnement et des particules qui peuvent être dangereux voire mortels. Deux critères permettent de classer les déchets : l’intensité en Bq/g de l’activité radioactive qui mesure la dangerosité immédiate et la durée pendant laquelle le niveau d’activité est nuisible.

1. Rechercher les différentes catégories de déchets radioactifs.

2. Pour chaque catégorie donner un exemple de noyau appartenant à cette catégorie.

3. Le technétium 99 est un déchet produit lors des réactions de fission nucléaire. La quantité de noyaux radioactifs d’un échantillon de technétium est divisée par deux tous les 211 000 ans.
Calculer la durée au bout de laquelle il restera moins de 10 % de noyaux radioactifs dans un échantillon de technétium 990.


4. Quel est le problème majeur posé pour la gestion des déchets nucléaires ?
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27
La nucléosynthèse stellaire (I) : fusion de l’hélium

MOD : Modéliser une transformation par une équation

Camelo Pardalis
L’étoile Camelopardalis expulse une couche de carbone et amorce la fusion d’une nouvelle couche d’hélium autour de son cœur.

Sans l’énergie libérée par la fusion de l’hydrogène, le Soleil s’effondrerait sous son propre poids à cause des forces de gravitation.

C’est ce qui se produit lorsqu’une étoile a fusionné suffisamment d'hydrogène. Le cœur de l’étoile se contracte alors, sa température augmente et les couches extérieures de l’étoile se dilatent fortement : l’étoile devient une géante rouge. Lorsque la température autour du cœur de l’étoile atteint quelque 108 K, la fusion de l’hélium 4He^{4}\text{He} peut s’amorcer. La fusion de l’hélium 4 permet de former deux éléments plus lourds : le béryllium 8Be^{8}\text{Be} et le carbone 12C^{12}\text{C}.

1. Écrire l’équation de la réaction de fusion de deux noyaux d’hélium 4 en béryllium 8.


2. En fusionnant avec un autre noyau ZAX^{A}_{Z}\text{X} l’hélium 4 forme du carbone 12. Identifier le noyau ZAX.^{A}_{Z}\text{X}.


3. Dans certaines conditions une réaction de fusion entre l’hélium 4 et le carbone 12 peut avoir lieu. Identifier le noyau alors formé.
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Comprendre les attendus

25
Thé radioactif

COM : Utiliser un vocabulaire scientifique rigoureux

Cathy-Anne, élève de seconde, passe les vacances avec ses parents. Pendant le petit déjeuner, ils discutent de l’article qu’ils ont lu dans le journal, et tout particulièrement de l’extrait ci-dessous.

Le 1er novembre 2006, au bar de l’hôtel Millenium à Londres, l’ancien lieutenant-colonel des services de renseignement soviétique passé à l’ouest, Alexandre Litvinenko rencontre deux hommes d’affaires russes, sans trop savoir si ce sont des suppôts de ce Vladimir Poutine qu’il vomit en public depuis huit ans. Il ne se méfie pas de ces ex-espions ayant soi-disant raccroché qui l’ont persuadé de venir à ce rendez-vous. C’est en réalité un véritable guet-apens. Dans le thé très british que lui offrent ces hôtes venus du froid, infuse du polonium 210, un redoutable poison radioactif.

D’après Le Nouvel obs, 26 août 2017.

 Marie Curie Statue
Le polonium a été nommé en hommage aux orgines polonaises de Marie Curie (ici en statue à Varsovie, Pologne).

1. Donner la composition d’un noyau de polonium 210 ainsi que sa notation symbolique.


Cathy-Anne explique à ses parents que les noyaux de polonium se transforment en plomb 206 en émettant une particule et de l’énergie qui détruisent les cellules du corps, et que le nom de ce processus est la radioactivité β\beta^-.

2. À l’aide des lois de conservation, identifier la particule émise.


3. Est-ce bien une désintégration β\beta^- ? Justifier.


Données

Numéro atomique :
  • Polonium : Z=Z = 84 ;
  • Plomb : Z=Z = 82.


Détails du barème
TOTAL /4 pts

0,5 pt
1. Décrire la composition du noyau.
0,5 pt
1. Donner l’écriture symbolique du polonium.
1 pt
2. Déterminer ZZ et AA de la particule émise à partir des lois de conservation.
0,5 pt
2. Identifier la particule émise.
0,5 pt
3. Identifier le type de transformation nucléaire cohérente avec les résultats de la question précédente.
1 pt
3. Justifier la réponse.
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24
Mesures et incertitude

VAL : Précision et incertitude

Champ de fleurs à Hitashi.
Champ de fleurs à Hitashi.

Des mesures de l’activité massique de feuilles d’épinard dans la ville d’Hitachi suite à l’accident nucléaire de la centrale de Fukushima Dai-ichi (valeur de référence : 54 kBq/kg) ont été effectuées sur différents échantillons ayant la même provenance. Deux séries de ces mesures réalisées avec deux instruments de mesure différents ont abouti aux valeurs du tableau ci-dessous.

Mesure instrument 1 (kBq·kg-1) 47 51 52 53 51 55 58 65
Mesure instrument 2 (kBq·kg-1) 47 46 53 51 52 54 49 48


Pour chaque instrument, calculer la valeur moyenne et l’écart-type expérimental. Conclure quant à la fiabilité et la précision de chaque instrument.

INFO :
Des unités pour la mesure de la radioactivité

Becquerel : unité pour mesurer l’activité radioactive d’un échantillon. 1 Bq est égal à une désintégration par seconde.

Sievert : le sievert mesure la dose de rayonnement absorbée par le corps humain et les effets qui y sont associés.
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21
Découverte d’isotopes

MOD : Modéliser une transformation par une équation

Marie Curie

Marie Curie, alors doctorante dans le laboratoire d’Henri Becquerel, a travaillé sur le rayonnement émis par des minerais d’uranium. Elle remarque avec son mari Pierre qu’après avoir séparé l’uranium de toutes les impuretés, celles-ci émettaient encore un rayonnement plus intense que celui de l’uranium isolé. Plus tard, ils identifieront deux éléments responsables de ce rayonnement qu’ils nommeront radium et polonium.
Le radium 226Ra^{226}\text{Ra} subit deux désintégrations successives, la seconde étant une désintégration de type α\alpha. Après les deux désintégrations, le noyau obtenu est du polonium de symbole 84218Po^{218}_{\,\,84}\text{Po}.

1. Représenter sous la forme d’un schéma la chaîne radioactive allant du radium au polonium. On notera ZAX^{A}_{Z}\text{X} le noyau de l’isotope intermédiaire.
Couleurs
Formes
Dessinez ici


2. À l’aide des lois de conservation, identifier ZAX^{A}_{Z}\text{X} et la nature de la première désintégration.
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23
Copie d'élève à commenter

Proposer une justification pour chaque erreur relevée par le correcteur.

1. Une transformation nucléaire c’est quand les atomes et les éléments se transforment en modifiant le nombre de neutrons.

2. L’équation de la transformation radioactive β+\beta^{+} du plomb 205 est :
82205Pb82205Tl ^{205}_{\,\,82}\text{Pb} \rightarrow \xcancel{^{205}_{\,\,82}\text{Tl}}
+10e+\, ^{0}_{1}\text{e}

La particule émise est un électron.

3. Lors d’une réaction de fission un noyau dit fissibleest cassé en deux par un autre noyau produisant des noyaux et des neutrons.

4. Les centrales nucléaires transforment de l’énergie chimique de l’élément uranium en énergie électrique.

5. Une réaction de fusion nucléaire est la transformation de deux noyaux isotopes d’un même élément en un noyau plus lourd.
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22
Radioactivité naturelle

MATH : Pratiquer le calcul numérique

Rayan effectue des recherches sur internet pour la présentation du projet qu’il doit faire en Physique-Chimie sur la radioactivité. Il lit l’article suivant :

« À travers notre alimentation ou en respirant nous assimilons des éléments radioactifs qui ont été produits par les rayonnements cosmiques ou qui sont contemporains de la formation du système solaire. Nous sommes nous-mêmes radioactifs ! Huit mille atomes [...] se désintègrent par seconde dans notre corps. » La moitié de ces atomes est du potassium 40.

D’après laradioactivite.com


1.
Le potassium 40 a la particularité de se désintégrer selon un processus β\beta^- dans 90 % des cas et selon un processus β+\beta^+ dans 10 % des cas. Donner les noyaux produits dans chaque situation.


Un compteur Geiger-Müller mesure le nombre de désintégrations par seconde c'est-à-dire l'activité en becquerel.

2. Quelle serait l’activité moyenne d’un humain en becquerel ?


3. L’énergie dégagée lors d’une transformation β\beta^- est de 2,1 ×\times 10-13 J et de 2,4 ×\times 10-13 J lors d’une β+\beta^+. Pour un humain, calculer l’énergie par seconde dégagée due aux réactions de désintégration du potassium 40.


4. On considère que pour une personne de 70 kg une exposition à une dose radioactive équivalente à une énergie inférieure à 0,7 J n’entraîne pas de risque notable pour la santé. Comparer cette énergie avec celle calculée à la question précédente.


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20
Laissez-moi manger ma banane !

MATH : Effectuer un calcul numérique

Banane radioactive

La dose équivalente banane (DEB) est une unité de mesure non officielle qui a été mise au point à des fins pédagogiques pour comparer les doses radioactives à la dose ingérée due au potassium 40 lorsque l’on mange une banane. Elle permet aux autorités de communiquer sur les risques encourus lors d’une exposition à un rayonnement radioactif en comparant la mesure de l’impact d’une dose radioactive sur l’homme en Sievert (unité officielle) à la dose générée par l’ingestion d’une banane.
La dose radioactive létale est de l’ordre de 4 500 mSv. Une banane moyenne correspond à une dose de 0,1 nSv.

Combien de bananes faut-il ingérer pour atteindre la dose létale ?

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26
Les propulsions des sous-marins

MOD : Modéliser une transformation par une équation

Avec le développement de l’industrie nucléaire, l’armée a pu équiper ses sous-marins de réacteurs nucléaires.

La première génération française de sous-marins nucléaires d’attaque (SNA) constitue la classe Rubis et comporte 6 navires.

Le Perle, sous-marin nucléaire d'attaque (SNA) de classe Rubis.
Le Perle, sous-marin nucléaire d'attaque (SNA) de classe Rubis.

L’avantage de la propulsion avec un réacteur nucléaire est de garantir une autonomie considérable en comparaison à la propulsion électrique (la propulsion utilisant un combustible classique est impossible pour un sous-marin en immersion profonde).

Tout comme les réacteurs des centrales nucléaires électriques, les réacteurs nucléaires embarqués dans les sous-marins nucléaires fonctionnent grâce à la fission de l’uranium 235U.^{235}\text{U}. Le fonctionnement classique d’un réacteur nucléaire peut être résumé par la chaîne suivante :
  • sous l’action d’un neutron, les noyaux d’uranium 235 se scindent en deux noyaux et un ou plusieurs neutrons ;
  • cette fission libère de l’énergie qui chauffe un fluide caloporteur ;
  • le fluide caloporteur élève la température de l’eau dans un autre circuit. Cette eau se vaporise ;
  • la vapeur d'eau sous pression fait tourner une turbine, permettant d’alimenter des moteurs électriques.

1. Rappeler les deux éléments nécessaires en plus du combustible pour qu’une combustion ait lieu.


2. Expliquer alors pourquoi une propulsion au diesel n’est pas envisageable pour un sous-marin en plongée profonde.


3. Identifier les deux transformations ayant lieu lors du fonctionnement d’un réacteur nucléaire et justifier le caractère nucléaire, chimique ou physique de ces transformations.


4. Proposer une équation pour chacune de ces transformations.


Réacteur nucléaire d’un briseglace russe.
Réacteur nucléaire d’un briseglace russe.
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