Noyaux : masse et énergie

Bienvenue, Ahmed Bennani 👋
2ème BAC Sciences Physiques · Physique-Chimie
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⚛️ Physique · Chapitre 3 · الفيزياء

Les oscillations mécaniquesالذبذبات الميكانيكية

🎓 2ème BAC Sciences Physiques
⏱️ Durée ~2h 30min
📊 Niveau Intermédiaire
🎬 1 vidéo + 12 exercices
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🎯

Objectifs du programme officiel

أهداف البرنامج الرسمي
00
  • Définir et calculer le défaut de masse et l'énergie de liaison.
  • Définir et calculer l'énergie de liaison par nucléon et l'exploiter.
  • Utiliser les différentes unités de masse, d'énergie et les relations entre ces unités.
  • Exploiter la courbe d'Aston pour identifier les noyaux les plus stables.
  • Connaître la relation d'équivalence masse-énergie et calculer l'énergie de masse.
  • Définir la fission et la fusion.
  • Analyser la courbe d'Aston pour dégager l'intérêt énergétique de la fission et de la fusion.
  • Écrire les équations des réactions nucléaires de fission et de fusion en appliquant les deux lois de conservation.
  • Reconnaître le type de réaction nucléaire à partir de l'équation de la réaction.
  • Faire le bilan énergétique ΔE d'une réaction nucléaire (énergies de masse, de liaison, diagramme d'énergie).
  • Calculer l'énergie libérée E_libérée = |ΔE|.
  • Reconnaître quelques applications et dangers de la radioactivité.
🎬

Vidéo du cours

فيديو الدرس
01
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🎥 Cours animé · Full HD
Les oscillations mécaniques — Cours complet
Version : Français · 14:32
📖

Le cours

الدرس
02

La relation d'équivalence masse-énergie d'Einstein ($E = mc^2$) gouverne les réactions nucléaires. Les bilans énergétiques font intervenir le défaut de masse et l'énergie de liaison.

Défaut de masse et énergie de liaison · عجز الكتلة وطاقة الربط

Un noyau est plus léger que la somme de ses constituants séparés. La différence est le défaut de masse : $\Delta m = Z m_p + N m_n - m_{noyau}$, où m_p = 1,6726×$10^{-27}$ kg et m_n = 1,6749×$10^{-27}$ kg. D'après la relation d'Einstein $E = mc^2$, ce défaut de masse correspond à l'énergie de liaison du noyau : $E_l = \Delta m \cdot c^2$. Cette énergie représente l'énergie qu'il faudrait fournir pour désintégrer complètement le noyau en nucléons libres. L'énergie de liaison par nucléon E_l/A mesure la stabilité du noyau : plus elle est grande, plus le noyau est stable. Unités : masses en u (1 u = 1,66×$10^{-27}$ kg), énergies en MeV ($1\ u \cdot c^2 = 931{,}5$ MeV).

Courbe d'Aston et stabilité nucléaire · منحنى آستون واستقرار النوى

La courbe d'Aston représente l'énergie de liaison par nucléon E_l/A en fonction du nombre de masse A. Elle présente un maximum autour de A = 56 (fer ⁵⁶Fe, E_l/A ≈ 8,8 MeV/nucléon), qui correspond aux noyaux les plus stables. Pour les noyaux légers (A < 56), E_l/A augmente avec A → la fusion de noyaux légers libère de l'énergie. Pour les noyaux lourds (A > 56), E_l/A diminue avec A → la fission d'un noyau lourd en fragments de A ≈ 100 libère de l'énergie. La courbe d'Aston justifie donc l'intérêt énergétique de la fission et de la fusion.

Réactions nucléaires : fission et fusion · التفاعلات النووية: الانشطار والاندماج

La fission est la scission d'un noyau lourd en deux noyaux plus légers (fragments de fission), accompagnée de neutrons et de rayonnement γ. Exemple : ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ⁹²₃₆Kr + ¹⁴¹₅₆Ba + 3 ¹₀n + énergie ≈ 200 MeV. Les neutrons produits peuvent déclencher de nouvelles fissions (réaction en chaîne). La fusion est l'union de deux noyaux légers en un noyau plus lourd, avec libération d'une grande quantité d'énergie. Exemple : ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n + 17,6 MeV. La fusion nécessite des températures extrêmes (10⁷-$10^8$ K) pour vaincre la répulsion coulombienne.

Bilan énergétique d'une réaction nucléaire · الميزانية الطاقية لتفاعل نووي

Le bilan énergétique ΔE d'une réaction nucléaire se calcule comme la différence entre l'énergie de liaison des produits et celle des réactifs : ΔE = E_l(produits) - E_l(réactifs) = -Δm_réaction × c². Si ΔE > 0 (E_l produits > E_l réactifs), la réaction est exoénergétique : elle libère de l'énergie. Si ΔE < 0, elle est endoénergétique. On peut aussi calculer directement Δm_réaction = Σm_réactifs - Σm_produits, puis E_libérée = Δm_réaction × c² si Δm > 0. Les unités pratiques : 1 MeV = 1,6×$10^{-13}$ J ; 1 u·c² = 931,5 MeV. Les applications de l'énergie nucléaire incluent les centrales à fission (réacteur à eau pressurisée) et les recherches sur la fusion (ITER).

💡

L'essentiel à maîtriser

الأساسي الواجب إتقانه
03
📐
Formules & règles à retenir
القوانين والقواعد الواجب تذكّرها
Défaut de masse
$\Delta m = Zm_p + Nm_n - m_{noyau}$
Énergie de liaison
$E_l = \Delta m \cdot c^2$
Énergie de liaison par nucléon
$E_l/A$ (énergie de liaison par nucléon)
Relation masse-énergie
$E = m \times c^2$ ($c = 3 \times 10^8$ m/s)
Conversion d'unités
$1\ u \cdot c^2 = 931{,}5$ MeV ; 1 MeV = 1,6×$10^{-13}$ J
Énergie libérée par une réaction
$E_{lib} = (\Sigma m_{réac} - \Sigma m_{prod})\cdot c^2$
⚠️
Attention aux erreurs
انتبه للأخطاء
Calculer Δm = m_noyau - (Z·m_p + N·m_n) et obtenir Δm < 0.Le défaut de masse est positif : Δm = Z·m_p + N·m_n - m_noyau > 0.
Confondre fission et fusion.Fission = scission d'un noyau LOURD (uranium). Fusion = union de noyaux LÉGERS (hydrogène). Les deux libèrent de l'énergie.
Oublier de convertir les unités avant de calculer l'énergie.Mettre les masses en kg pour obtenir E en joules, ou utiliser u et multiplier par 931,5 MeV pour obtenir E en MeV.

Quiz de compréhension

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04
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Exercices d'entraînement

تمارين تطبيقية
06
🔵 Application تطبيق · 4
🟡 Médium متوسط · 4 🎁
🟠 Avancé متقدّم · 4 🔒
Exercice 1
🔵 Application · Libre
Calculer l'énergie de liaison et l'énergie de liaison par nucléon du noyau d'hélium ⁴₂He. Données : m(⁴He) = 4,0026 u ; m_p = 1,00728 u ; m_n = 1,00867 u ; 1 u·c² = 931,5 MeV.
✓ Correction écrite
🎬 Vidéo :
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الدارجة

✓ Correction détaillée

Δm = 2×1,00728 + 2×1,00867 − 4,0026 = 2,01456 + 2,01734 − 4,0026 = 0,0293 u. E_l = 0,0293 × 931,5 ≈ 27,3 MeV. E_l/A = 27,3/4 ≈ 6,8 MeV/nucléon.

Exercice 2
🔵 Application · Libre
La fission de l'uranium 235 peut s'écrire : ²³⁵U + ¹n → ¹³⁹Ba + ⁹⁴Kr + 3 ¹n. La masse totale des réactifs est 235,884 u et celle des produits est 235,668 u. Calculer l'énergie libérée en MeV et en joules.
✓ Correction écrite
🎬 Vidéo :
FR
الدارجة

✓ Correction détaillée

Δm = 235,884 − 235,668 = 0,216 u. E_lib = 0,216 × 931,5 ≈ 201 MeV ≈ 201 × 1,6×10⁻¹³ ≈ 3,22×10⁻¹¹ J par fission.

Exercice 3
🔵 Application · Libre
La réaction de fusion ²H + ³H → ⁴He + ¹n libère 17,6 MeV. Calculer le défaut de masse de cette réaction en u et en kg.
✓ Correction écrite
🎬 Vidéo :
FR
الدارجة

✓ Correction détaillée

Δm = E_lib/c² = 17,6 MeV / 931,5 MeV·u⁻¹ ≈ 0,0189 u. En kg : 0,0189 × 1,66×10⁻²⁷ ≈ 3,14×10⁻²⁹ kg.

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