Le plutonium ( bac S Amérique du Nord 2009) voir le site du lycée Rochambeau

En consultant l'encyclopédie Universalis on constitue la carte d'identité du plutonium fournie ci-dessous : Métal lourd artificiel ; quinze isotopes dont plutonium 238, 239 et 241. Production : irradiation de l'uranium Utilisation : plutonium 239, composant de têtes nucléiares et de combustibles. Mox : plutonium 238 : source de neutrons et de chaleur. Radioactivité : émetteur de particules alpha et de rayonnement gamma faile, sauf plutonium 241, émetteur béta. Commentaires : plutonium 239 et 241 sont des matières fissiles... Données. 1 MeV = 1,6022 10-13 J ; 1 u = 1,66043 10-27 kg ; c = 2,9979 108 m/s. 92U 93Np 94Pu 95Am 96Cm Uranium Neptunium Plutonium Américium Curium Noyau 10242Mo 13552Te 23994Pu 11n Masse ( en u) 101,9103 134,9167 239,0530 1,0089 A partir de la carte d'identité du plutonium répondre aux questions suivantes : Donner la composition des noyaux de plutonium 238 et 239. 23994Pu : 94 protons et 239-94 = 145 neutrons 23894Pu : 94 protons et 238-94 = 144 neutrons Définir l'isotopie. Deux isotopes ont le même nombre de protons et des nombres de neutrons différents.   Quelle est la nature d'une particule alpha ? Noyau d'hélium 42He. Ecrire l'équation de désintégration du noyau de plutonium 238 en précisant les lois de conservation utilisées lorsque le noyau fils est dans un état excité. 23894Pu ---> AZX* + 42He. Conservation de la charge : 94 = Z+2 d'où Z = 92 ( on identifie l'élément uranium ) Conservation du nombre de nucléons : 238 = A + 4 ; A =234 23894Pu ---> 23492U* + 42He. Suivie de la désexcitation du noyau fils : 23492U* ---> 23492U + 00g. Pourquoi y a t-il émission d'un rayonnement gamma ? Le noyau fils est dans un état excité : il revient à un état de moindre énergie, le niveau fondamental, en cédant de l'énergie au milieu extérieur, sous forme de photon gamma. De quelle réaction parle t-on dans le commentaire de la carte d'identité ? La définir. ? Réaction de fission nucléaire. La fission est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle un noyau lourd "fissible" donne naissance à deux noyaux plus légers. La réaction se fait avec perte de masse et dégagement d'énergie. Par exemple :   L'équation (1) de la réaction du plutonium 239 sous l'impact d"un neutron est : 23994Pu + 10n --->13552Te +10242Mo +3 10n (1) Donner l'expression de la perte de masse et la calculer en kg. Dm =2 m(10n) + m(10242Mo) + m(13552Te) - m(23994Pu) Dm = 2*1,0089+134,9167 +101,9103-239,0530=-0,20821 u -0,20821 * 1,66043 10-27 = -3,457015 10-28 ~ -3,4570 10-28 kg. Donner l'expression de l'énergie libérée par l'action d'un neutron sur un noyau de plutonium et la calculer en MeV. E = Dm c2 = -3,457015 10-28 * (2,9979 108)2= - 3,1069594 10-11 J - 3,1069594 10-11 /1,6022 10-13 = -1,9392 102 MeV. Le signe moins traduit une libération d'énergie dans le milieu extérieur. On donne les énergies de liaison des noyaux suivants : Noyau 10242Mo 13552Te 23994Pu Energie de liaison ( en MeV) 8,64 102 1,12 103 1,79 103 A partir de énergies de liaisons de ces trois noyaux, donner l'expression de l'énergie libérée lors de la réaction (1). La calculer et la comparer au résultat précédent. Elibérée = El(10242Mo) + El(13552Te) - El(23994Pu) Elibérée = 8,64 102 + 1,12 103 -1,79 103 = -1,94 102 MeV. L'écart relatif avec la valeur calculée ci-dessus est inférieur à 1 %. Calculer l'énergie de liaison par nucléon de chacun de ces noyaux. Comparer la stabilité de ces trois noyaux. Noyau 10242Mo 13552Te 23994Pu El :Energie de liaison ( en MeV) 8,64 102 1,12 103 1,79 103 A : nombre de nucléons 102 135 239 El / A(MeV par nucléon) 864/102=8,47 1120/135=8,30 1790/239=7,49 Un noyau est d'autant plus stable que son énergie de liaison par nucléon est plus grande. par ordre de stabilité croissant : 23994Pu < 10242Mo <13552Te A l'aide de ces résultats, donner et justifier le bilan énergétique de la réaction (1). Le noyau 23994Pu est le moins stable des 3 noyaux : ces nucléons sont moins liés entre eux que ceux des noyaux fils. Sous l'impact d'un neutron, le noyau 23994Pu se brise et libère environ 194 MeV dans le milieu extérieur.

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