Préparation aux épreuves communes de contrôle continu
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Exercice 4
Nucléosynthèse stellaire
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Énoncé
Calculatrice non autorisée
L'objectif de cet exercice est d'étudier les réactions nucléaires qui se produisent dans l'Univers, notamment dans les étoiles, et qui engendrent la synthèse des éléments.
Doc. 1
Nucléosynthèse stellaire
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Questions
Quelques secondes après l'explosion originelle, les seuls éléments chimiques présents étaient l'hydrogène, l'hélium et le lithium.
1. La synthèse des éléments chimiques plus lourds se fait par des réactions nucléaires. Pourquoi cette synthèse ne peut-elle pas se faire par des réactions chimiques ?
2. Lorsque le cœur d'une étoile est à une température de l'ordre de 1,5×107 K, les noyaux d'hydrogène subissent des réactions de fusion conduisant à la formation de noyaux d'hélium selon le processus en chaîne suivant :
a.11H+11H→12H+10e.
b.11H+12H→23He+γ.
c.32He+23He→24He+211H
À partir d'une combinaison des équations précédentes, retrouver le bilan de la réaction de formation des noyaux d'hélium à partir de noyaux d'hydrogène : 411H→24He+210e.
3. Lorsque la température atteint environ 108 K, deux noyaux d'hélium se transforment en béryllium 8 radioactif, de très courte période de demi-vie (T=6,9×10−17 s), suivant la réaction nucléaire d'équation : 24He+24He→48Be.
Cette réaction est-elle une réaction de fusion ou de
fission ? Justifier la réponse.
4. Si on note N0 le nombre de noyaux de béryllium 8 initialement formés, quelle fraction en reste-t-il après 6,9×10−17 s ?
5. Le béryllium 8 s'associe avec un noyau d'hélium déjà présent au cœur de l'étoile pour former du carbone 12 612C. Proposer une équation à cette réaction.
6. La dernière étape, la nucléosynthèse stellaire explosive, permet la formation des noyaux lourds. Lors de la désintégration radioactive du noyau de cobalt 2756Co, du fer 2656Fe et une autre particule se forment. Sachant que le nombre total de nucléons et de charges se conservent au cours de la réaction, déterminer si la particule formée est un électron 0−1e−, un proton 11p ou un neutron 01n.
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Exercice 5
Composé ionique
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Énoncé
Calculatrice autorisée
L'oxyde de magnésium MgO est un cristal ionique. Il est constitué d'un réseau d'anions O2− ormant une structure cubique à faces centrées, les cations magnésium Mg2+ occupant le centre du cube et le milieu de chaque arête. La périclase est une espèce minérale de formule MgO avec des traces de fer. Elle est produite naturellement dans les roches métamorphiques par plusieurs réactions secondaires.
Doc. 1
Maille de l'oxyde de magnésium
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Doc. 2
Briques réfractaires à base de périclase
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Les briques réfractaires ont la particularité de conserver leurs
propri étés mécaniques à très haute température. Elles sont
utilisées pour la réalisation de fours, de hauts fourneaux ou
de conduits de cheminées.
Doc. 3
Cristaux de périclase
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Données
Arête de la maille de MgO : a=4,21×10−10 m
Masse atomique moyenne de l'oxygène : m(O)=2,66×10−26 kg
Masse atomique moyenne du magnésium : m(Mg)=4,04×10−26 kg
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Questions
1. À l'aide d'un comptage précis, montrer qu'il y a 4 ions O2− et 4 ions Mg2+ par maille. Cette structure est-elle en accord avec la formule chimique de l'oxyde de magnésium ?
2. Déterminer la masse volumique de MgO en kg·m-3.
3. Quelles sont les conditions de refroidissement lors de la formation de la roche qui justifient la création de cristaux de périclase ?
4. En s'appuyant sur l'usage que l'on fait du périclase dans les briques réfractaires, que peut-on dire de la température de fusion du cristal d'oxyde de magnésium ?
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