PHYSIQUE-CHIMIE | 2DE | SÉQUENCE 13 | CHAPITRE 13

👂 J'écoute

Les transformations nucléaires

Distinguer physique, chimique et nucléaire ; écrire une équation avec les lois de Soddy ; relier fission, fusion, énergie et géopolitique (dont ITER).

SÉQ. 13 | OBJECTIFS

👂 J'écoute

À la fin de cette séquence, je sais…

  • définir une transformation nucléaire,
  • reconnaître des isotopes (dont ceux de l'hydrogène),
  • écrire une équation nucléaire en respectant les lois de Soddy,
  • identifier physique / chimique / nucléaire (et fission / fusion),
  • relier l'énergie nucléaire à \(E = mc^{2}\) (défaut de masse),
  • situer le nucléaire dans l'énergie, la défense et le projet ITER.

SÉQ. 13 | MODE D'EMPLOI DU COURS

👂 J'écoute

Comment lire ce cours ?

  • 📝 À noter  je copie (définitions, lois, schéma),
  • 👂 J'écoute  je pose le stylo,
  • ✏️ À faire  j'applique Soddy / j'identifie le type,
  • 🧪 À vivre  je discute enjeux (énergie, défense, ITER).

SÉQ. 13 | OUVERTURE

🧪 À vivre

Pourquoi le nucléaire compte

Avant les équations : énergie, défense, et un chantier à deux pas d'ici.

⚡ ÉNERGIE

En France, le nucléaire fournit une grande part de l'électricité (centrales à fission). Enjeu de souveraineté et de décarbonation.

🛡️ DÉFENSE

Bombe A : fission (Hiroshima, Nagasaki). Bombe H : fusion (beaucoup plus énergétique). Dissuasion et traités de non-prolifération.

🔬 ITER (CADARACHE)

Près d'Aix-en-Provence : projet international de fusion contrôlée (comme dans les étoiles), pour tester une énergie du futur.

Question de classe : même physique du noyau, usages civils ou militaires très différents. Comment les distinguer ?

SÉQ. 13 | FIL ROUGE

👂 J'écoute

Trois familles de transformations

PHYSIQUE

Les espèces sont conservées (ex. : glace → eau).

CHIMIQUE

Les éléments sont conservés, pas les espèces (ex. : combustion).

NUCLÉAIRE

Les noyaux changent : nouveaux éléments possibles.

On formalisera tout ça avec un schéma d'identification (partie IV).

SÉQ. 13 | PLAN DU COURS

📝 À noter

I

La transformation nucléaire

  • I. La transformation nucléaire
    • a. Définition
  • II. Les noyaux isotopes
  • III. Équation de transformation
  • IV. Identification d'une transformation

SÉQ. 13 | I. TRANSFORMATION NUCLÉAIRE

📝 À noter

I.a Définition

📘 TRANSFORMATION NUCLÉAIRE

Lors d'une transformation nucléaire :

  • un ou plusieurs noyaux se transforment en de nouveaux noyaux,
  • il peut y avoir des particules libres (électrons, neutrons…),
  • les éléments chimiques ne sont pas conservés,
  • un rayonnement électromagnétique très énergétique peut être émis : rayonnement gamma (\(\gamma\)).

⚠️ POINT CLÉ

Contrairement à la chimie, on change le noyau lui-même : un élément peut devenir un autre.

SÉQ. 13 | PLAN DU COURS

📝 À noter

II

Les noyaux isotopes

  • I. La transformation nucléaire
  • II. Les noyaux isotopes
    • a. Définition et notation
    • b. Isotopes de l'hydrogène
  • III. Équation de transformation
  • IV. Identification d'une transformation

SÉQ. 13 | II. ISOTOPES

📝 À noter

II.a Définition et notation

📘 ISOTOPES

Deux noyaux sont isotopes s'ils ont le même nombre de protons (\(Z\)) mais pas le même nombre de neutrons (donc pas le même \(A\)).

🧮 NOTATION

\({}^{A}_{Z}\mathrm{X}\)

\(A\) : nucléons ; \(Z\) : protons (= charge) ; \(N = A - Z\)

Exemple : isotopes de l'iode 127 53 I Z = 53 N = 74 131 53 I Z = 53 N = 78 même Z ; A différents

SÉQ. 13 | II. ISOTOPES

📝 À noter

II.b Isotopes de l'hydrogène

Tous ont \(Z = 1\) (un seul proton) ; seuls les neutrons changent.

PROTIUM

\({}^{1}_{1}\mathrm{H}\)

1 proton ; 0 neutron

hydrogène « ordinaire »

DEUTÉRIUM

\({}^{2}_{1}\mathrm{H}\)

1 proton ; 1 neutron

aussi noté \(\mathrm{D}\) ; présent dans l'eau

TRITIUM

\({}^{3}_{1}\mathrm{H}\)

1 proton ; 2 neutrons

aussi noté \(\mathrm{T}\) ; radioactif

☀️ POUR LA SUITE

Deutérium et tritium sont les « carburants » de la fusion (Soleil ; ITER ; bombe H). On les reverra dans les schémas.

SÉQ. 13 | PLAN DU COURS

📝 À noter

III

Équation de transformation

  • I. La transformation nucléaire
  • II. Les noyaux isotopes
  • III. Équation de transformation
    • a. Lois de Soddy
    • b. Particules libres
    • c. Carbone 14 et datation
  • IV. Identification d'une transformation

SÉQ. 13 | III. ÉQUATION

📝 À noter

III.a Lois de Soddy

📘 ÉQUATION NUCLÉAIRE

On note les noyaux et les particules libres sous la forme \({}^{A}_{Z}\mathrm{X}\). L'équation doit vérifier les lois de Soddy.

🧮 CONSERVATION DE \(A\)

Le nombre de masse total est conservé (somme des \(A\) à gauche = somme des \(A\) à droite).

🧮 CONSERVATION DE \(Z\)

Le nombre de charge total est conservé (somme des \(Z\) à gauche = somme des \(Z\) à droite).

SÉQ. 13 | III. ÉQUATION

📝 À noter

III.b Particules libres

Noyau d'hélium

\({}^{4}_{2}\mathrm{He}\)

\(\alpha\)

Électron

\({}^{0}_{-1}\mathrm{e}\)

\(\beta^{-}\)

Positon

\({}^{0}_{1}\mathrm{e}\)

\(\beta^{+}\)

Neutron

\({}^{1}_{0}\mathrm{n}\)

Proton

\({}^{1}_{1}\mathrm{p}\)

ou \({}^{1}_{1}\mathrm{H}\)

💡 À RETENIR

Ces notations entrent dans le bilan \(A\) et \(Z\) comme n'importe quel noyau.

SÉQ. 13 | III. ÉQUATION

📝 À noter

III.c Carbone 14 et datation

\({}^{14}_{6}\mathrm{C} \;\longrightarrow\; {}^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{0}_{-1}\mathrm{e}\)

Soddy : \(A\) : \(14=14+0\) ; \(Z\) : \(6=7+(-1)\)

📘 PENDANT LA VIE

Les êtres vivants échangent du carbone avec l'atmosphère (CO₂, nourriture). Le rapport \({}^{14}\mathrm{C}/{}^{12}\mathrm{C}\) reste constant (le \({}^{14}\mathrm{C}\) est renouvelé).

⏳ APRÈS LA MORT

Plus d'échange : le \({}^{14}\mathrm{C}\) se désintègre sans être remplacé. Le rapport \({}^{14}\mathrm{C}/{}^{12}\mathrm{C}\) diminue avec le temps.

🔬 DATATION

En mesurant ce qui reste de \({}^{14}\mathrm{C}\) dans un os, un bois, un tissu…, on estime depuis combien de temps l'organisme est mort (utile jusqu'à quelques dizaines de milliers d'années).

SÉQ. 13 | PLAN DU COURS

📝 À noter

IV

Identification d'une transformation

  • I. La transformation nucléaire
  • II. Les noyaux isotopes
  • III. Équation de transformation
  • IV. Identification d'une transformation
    • a. Schéma décisionnel
    • b. Fission et fusion
    • c. Au niveau du noyau
    • d. Énergie et \(E = mc^{2}\)

SÉQ. 13 | IV. IDENTIFICATION

📝 À noter

IV.a Schéma d'identification

Les espèces chimiques sont-elles conservées ? Les éléments chimiques sont-ils conservés ? Les noyaux atomiques sont-ils modifiés ? C'est une transformation PHYSIQUE C'est une transformation CHIMIQUE C'est une transformation NUCLÉAIRE FUSION étoiles ; bombe H ; ITER FISSION centrales ; bombe A non non oui oui oui

SÉQ. 13 | IV. IDENTIFICATION

📝 À noter

IV.b Fission et fusion

💥 FISSION

Un gros noyau se casse en noyaux plus légers (+ neutrons, énergie).

  • centrales nucléaires (électricité),
  • bombe A (arme à fission).

☀️ FUSION

Des noyaux légers s'assemblent en un noyau plus lourd (+ énergie). Ex. : deutérium + tritium → hélium + neutron.

  • cœur des étoiles (Soleil),
  • bombe H (arme thermonucléaire),
  • projet ITER (Cadarache, près d'Aix).

🔬 ITER, ICI

ITER vise une fusion contrôlée pour produire de l'énergie sans émission de CO₂ liée à la combustion. Ce n'est pas encore une centrale commerciale : c'est un démonstrateur scientifique international.

SÉQ. 13 | IV. IDENTIFICATION

📝 À noter

IV.c Au niveau du noyau

💥 FISSION : un gros noyau se casse

n gros noyau (ex. uranium) fragment fragment n n n E 1 gros → 2 plus petits + n → autres fissions…

☀️ FUSION : deutérium + tritium

²H deutérium ³H tritium ⁴He hélium n neutron E ²H + ³H → ⁴He + n (ITER, Soleil…) proton neutron

Les noyaux changent → transformation nucléaire. D'où vient l'énergie \(E\) ? → slide suivante.

En fission, les neutrons libérés peuvent frapper d'autres noyaux et continuer la réaction : c'est une réaction en chaîne.

SÉQ. 13 | IV. IDENTIFICATION

📝 À noter

IV.d D'où vient l'énergie ? \(E = mc^{2}\)

🧮 RELATION D'EINSTEIN

\(E = mc^{2}\)

\(E\) : énergie ; \(m\) : masse ; \(c\) : célérité de la lumière (\(\approx 3{,}00\times 10^{8}\,\mathrm{m\,s^{-1}}\))

📘 IDÉE CLÉ

Masse et énergie sont liées. Dans une fission ou une fusion, la masse totale des produits est légèrement inférieure à celle des réactifs (défaut de masse \(\Delta m\)).

⚡ ÉNERGIE LIBÉRÉE

Cette masse « perdue » n'a pas disparu : elle est devenue de l'énergie : \(E = \Delta m\, c^{2}\). Comme \(c^{2}\) est énorme, un tout petit \(\Delta m\) donne une énergie colossale.

C'est pourquoi le nucléaire (Soleil, centrale, ITER) libère bien plus d'énergie qu'une réaction chimique pour une même masse de matière.

SÉQ. 13 | IV. IDENTIFICATION

✏️ À faire

Entraînement rapide

  • Fonte d'un glaçon ? physique (espèces conservées)
  • Combustion du méthane ? chimique (éléments conservés)
  • Désintégration du \({}^{14}\mathrm{C}\) ? nucléaire
  • Réaction dans le Soleil ? fusion
  • Cœur d'une centrale française ? fission

SÉQ. 13 | CONCLUSION

👂 J'écoute

Le nucléaire donne la vie

Les armes existent, mais elles ne sont pas le cœur du phénomène : le nucléaire est d'abord naturel, et c'est lui qui rend la vie possible sur Terre.

☀️ DANS LES ÉTOILES

La fusion au cœur du Soleil produit lumière et chaleur. Sans elle : pas de photosynthèse, pas de climat habitable, pas de vie telle que nous la connaissons. Les éléments de notre corps (carbone, oxygène…) sont nés dans des étoiles.

🍌 SUR TERRE AUSSI

Une banane contient du potassium, dont un isotope naturel (\({}^{40}\mathrm{K}\)) est radioactif : elle « émet » un peu, sans danger. La radioactivité fait partie du quotidien : roches, air, corps humain.

💡 MESSAGE À RETENIR

Le nucléaire n'est pas « la mort » : c'est un phénomène naturel qui donne la vie (Soleil). Les usages humains (énergie, médecine, armes) sont des choix de société : à distinguer du phénomène lui-même.

SÉQ. 13 | SYNTHÈSE

📝 À noter

L'essentiel

📘 NUCLÉAIRE

Noyaux transformés ; éléments non conservés ; \(\gamma\) possible.

🧮 SODDY

Conservation de \(A\) et de \(Z\).

🧮 \(E = mc^{2}\)

Défaut de masse → énergie (fission / fusion).

Et surtout : phénomène naturel (étoiles, banane / \({}^{40}\mathrm{K}\)) qui permet la vie.

▼ quiz éclair

SÉQ. 13 | QUIZ ÉCLAIR

✏️ À faire

Quiz éclair (90 secondes)

  • Même \(Z\), \(A\) différents ? isotopes
  • Deux lois de Soddy ? conservation de \(A\) et de \(Z\)
  • Bombe A / bombe H ? fission / fusion
  • Deutérium / tritium : \(A\) ? \(2\) / \(3\) (même \(Z=1\))
  • \(E = mc^{2}\) explique quoi ? l'énergie issue du défaut de masse
  • Le Soleil, c'est plutôt… ? fusion (et la vie grâce à elle)

Tout est juste ? Bravo : vous savez classer, écrire… et remettre le nucléaire à sa place dans la nature.

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Questions fréquentes sur transformations nucléaires

Isotope : définition en 2de ?

Noyaux d'un même élément (même Z) mais avec un nombre de neutrons différent.

Fission ou fusion : différence ?

Fission : un noyau lourd se casse. Fusion : des noyaux légers s'unissent (comme au Soleil).

Nucléaire et chimique : comment les distinguer ?

Chimique : cortège électronique. Nucléaire : noyau. Physique : état sans changer l'espèce.