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Vidéo de la leçon : Le noyau atomique Chimie

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire la stabilité du noyau atomique à partir de la force d'interaction nucléaire et du rapport entre les protons et les neutrons, et à calculer l'énergie de liaison nucléaire.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons examiner le noyau d’un atome. Nous apprendrons comment la force nucléaire et le rapport entre le nombre de neutrons et de protons affecte la stabilité nucléaire. Nous apprendrons également à calculer l’énergie de liaison d’un noyau atomique.

Ceci est un atome d’hélium. Il y a deux électrons dans le nuage d’électrons, et le noyau contient deux protons et deux neutrons. Des charges de même signe se repoussent. Alors, pourquoi les deux protons de charge positive du noyau d’hélium ne se repoussent-ils pas ? Nous savons que les protons dans le noyau ne se repoussent pas. En fait, les particules dans le noyau sont même fortement liées entre elles. Alors, qu’est-ce qui maintient ces particules ensemble ? Pour comprendre cela, nous devons zoomer davantage et examiner les particules qui composent le proton.

Ces particules sont appelées quarks. Les quarks sont maintenus ensemble pour former des particules plus grosses, telles que le proton et le neutron, par la force forte. La force forte est l’une des quatre forces fondamentales d‘interactions connues dans la nature. Une autre force fondamentale est la force gravitationnelle, qui est responsable de l’attraction entre deux objets ayant une masse. La force électromagnétique est responsable de la répulsion entre les protons. La dernière force fondamentale est la force faible, qui est responsable du processus de décroissance radioactive. Comme son nom l’indique, la force forte est la plus forte des forces fondamentales sur de courtes distances. La force forte est si forte qu’elle entraîne une force d’attraction entre les particules du noyau. Cette force est souvent appelée force nucléaire.

La force nucléaire se produit entre tous les appariements de protons et de neutrons : protons et neutrons, protons et protons et neutrons et neutrons. Cette force est si forte qu’elle est capable de vaincre la répulsion entre les protons du noyau, ce qui maintient la cohésion du noyau. Mais la force nucléaire n’est vraiment forte que sur de très courtes distances. À des distances d’environ un à 2,5 femtomètres, la force nucléaire est suffisamment forte pour vaincre les répulsions entre les protons. À des distances supérieures à 2,5 femtomètres, la force nucléaire n’est pas assez forte pour vaincre les répulsions.

Nous savons maintenant que les protons et les neutrons sont maintenus ensemble par la force nucléaire. Cela signifie que désintégrer le noyau en protons et neutrons irait contre la force nucléaire, ce qui nécessiterait de l’énergie. Cette énergie est appelée l’énergie de liaison nucléaire. Si on allait dans la direction opposée et formait un noyau atomique à partir de protons et de neutrons, une énergie qui aurait la même amplitude que l’énergie de liaison nucléaire serait libérée. Cette énergie libérée lors de la formation d’un noyau a un impact intéressant sur la masse du noyau. Pour étudier cela, reprenons l’exemple de l’atome d’hélium.

La masse du noyau d’hélium a été mesurée comme étant de 4,00153 unités de masse atomique unifiées. On peut également calculer la masse du noyau d’hélium en utilisant la masse du proton et la masse du neutron. Le noyau d’hélium contient deux protons et deux neutrons, ce qui donne une masse totale de 4,03188 unités de masse atomique unifiées pour la masse calculée du noyau d’hélium. On peut voir que la masse mesurée et la masse calculée du noyau ne sont pas les mêmes. La masse calculée est plus grande. En fait, la masse calculée est supérieure à la masse mesurée expérimentalement de 0,03035 unité de masse atomique unifiée. Cette différence de masse s’appelle le défaut de masse.

Le défaut de masse est lié à l’énergie libérée lors de la formation du noyau. Pour comprendre pourquoi, nous devons nous tourner vers la célèbre équation d’Einstein, 𝐸 est égal à 𝑚𝑐 deux. Cette équation nous dit que l’énergie et la masse sont proportionnelles l’une à l’autre. Lorsque de l’énergie est libérée en raison de la formation du noyau atomique, la masse du noyau diminue proportionnellement. Nous pouvons utiliser ces informations pour calculer l’énergie de liaison de l’hélium. L’énergie de liaison nucléaire est l’énergie nécessaire pour désassembler le noyau atomique. Elle a la même amplitude que l’énergie libérée lors de la formation du noyau.

Donc, si on remplace 𝑚 de l’équation d’Einstein par le défaut de masse, et qu’on calcule 𝐸, la quantité d’énergie qu’on obtient est l’énergie de liaison nucléaire. Avant d’utiliser des valeurs, il faut penser aux unités. L’énergie dans cette équation est exprimée en joules. Les joules sont des unités définies comme des kilogrammes multipliés par mètre au carré par seconde au carré. La vitesse de la lumière est exprimée en mètres par seconde, donc la vitesse de la lumière au carré est exprimée en mètres au carré par seconde au carré. Donc, la masse qu’on place dans cette équation devrait être exprimée en kilogrammes. Donc, le défaut de masse en unités de masse atomique unifiées doit être converti en kilogrammes.

Une unité de masse atomique unifiée est égale à 1,66 fois 10 puissance moins 27 kilogrammes. Ainsi, on peut convertir des unités de masse atomique unifiées en kilogrammes si on multiplie par cette valeur. Cela nous donne 5,0381 fois 10 puissance moins 29, pour le défaut de masse en kilogrammes. Une fois qu’on a cette valeur, on peut utiliser l’équation d’Einstein pour calculer l’énergie de liaison nucléaire. On peut prendre les valeurs pour le défaut de masse et la vitesse de la lumière qui est de trois fois 10 puissance huit mètre par seconde. Si on fait le calcul, on obtient 4,53429 fois 10 puissance moins 12 joules.

On peut laisser la réponse telle quelle, mais il est courant d’utiliser des unités d'électronvolt ou de mégaélectronvolt pour exprimer de minuscules quantités d’énergie impliquées dans les processus atomiques. Un électronvolt est égal à 1,602 fois 10 puissance moins 19 joules. Donc, on peut convertir les joules en électronvolts en divisant par cette valeur. Cela nous donne 28 303 932 électronvolts. Il y a un million d’électronvolts dans un mégaélectronvolt. On peut également écrire un million comme 10 puissance six. Ainsi, on peut convertir des électronvolts en mégaélectronvolts si on divise par 10 puissance six. Cela donne environ 28,3039 mégaélectronvolts, qu’on peut arrondir à 28,3. L’énergie de liaison nucléaire de l’hélium est de 28,3 mégaélectronvolts.

L’énergie de liaison nucléaire est une très grande quantité d’énergie pour un processus atomique. L’énergie d’ionisation de l’hydrogène n’est que de 13,6 électronvolts. Cela signifie qu’il ne faut que 13,6 électronvolts d’énergie pour retirer l’électron d’un atome d’hydrogène. L’énergie de liaison nucléaire de l’hélium est environ deux millions de fois supérieure à l’énergie d’ionisation de l’hydrogène. Ceci montre à quel point la force nucléaire est plus forte que la force électrostatique. Il faut énormément d’énergie pour vaincre les attractions causées par la force nucléaire entre les particules du noyau. Il ne faut pas autant d’énergie pour vaincre l’attraction causée par la force électrostatique entre le proton de charge positive et l’électron de charge négative.

Dans cette vidéo, nous avons beaucoup parlé d’hélium quatre, l’isotope de l’hélium contenant deux neutrons. Il existe d’autres isotopes de l’hélium, comme l’hélium deux et l’hélium cinq. L’hélium quatre est l’isotope stable de l’hélium le plus courant. L’hélium deux et l’hélium cinq sont tous deux radioactifs. Ils sont instables et se désintègrent avec le temps. La seule différence entre ces isotopes est le nombre de neutrons, donc le nombre de neutrons doit jouer un rôle dans la stabilité nucléaire. S’il y a plus de neutrons dans le noyau, cela signifie que la force nucléaire créera plus d’attractions pour maintenir la stabilité du noyau. Ceci explique pourquoi l’hélium deux est instable. Il n’y a pas assez de neutrons dans le noyau.

Un trop petit nombre de neutrons dans le noyau signifie qu’il n’y a pas assez d’attractions pour vaincre les répulsions entre les protons. L’hélium cinq est instable car il y a trop de neutrons dans le noyau. Rappelez-vous que la force nucléaire est de très courte portée. S’il y a trop de neutrons, le noyau sera trop gros pour maintenir sa cohésion par la force nucléaire. Si on trace sur un graphe le nombre de neutrons en fonction du nombre de protons pour tous les isotopes stables, on peut commencer à voir certaines tendances dans la stabilité nucléaire. Les éléments plus légers sont stables avec un rapport neutrons-protons de un pour un. C’est ce qu’on voit avec l’hélium quatre, qui contient deux neutrons et deux protons.

Le carbone 12 a également un rapport neutrons-protons de un pour un, avec six protons et six neutrons. L’azote 14 a un rapport neutrons-protons de un pour un, tout comme l’oxygène 16. Les isotopes des éléments lourds ont tendance à être stables avec un rapport neutrons-protons de 1,5 pour un. Par exemple, le plomb 207, l’un des isotopes stables du plomb, contient 125 neutrons et 82 protons. Cela correspond à un rapport neutrons-protons de 1,52 pour un. Ainsi, comme nous pouvons le voir, le rapport du nombre de neutrons sur le nombre de protons peut nous aider à prédire la stabilité nucléaire. Les éléments plus légers ont tendance à être stables avec un rapport neutrons-protons de un pour un. Les éléments plus lourds ont besoin de plus de neutrons pour stabiliser le noyau, donc les éléments plus lourds ont tendance à être stables avec un rapport neutrons-protons de 1,5 pour un.

Cette tendance se produit car les éléments plus lourds ont plus de protons dans le noyau. Afin de vaincre les répulsions entre ces protons, il doit y avoir plus de neutrons fournissant plus d’attractions par la force nucléaire. Ces isotopes stables sont localisés dans une zone appelée vallée de stabilité. Tous les isotopes ayant un rapport neutrons-protons en dehors de la vallée de stabilité seront radioactifs. Ces isotopes sont instables et se désintègrent avec le temps en un isotope qui se trouve dans la vallée de stabilité. On peut utiliser les informations de ce graphique pour tenter de prédire le type de décroissance radioactive que subira un isotope.

Par exemple, cet isotope a trop de neutrons pour être stable. Donc, cet isotope va subir une sorte de désintégration qui diminuera le nombre de neutrons. La désintégration 𝛽 moins diminue le nombre de neutrons, il est donc probable que cet isotope subisse une désintégration 𝛽 moins pour devenir stable. Avec ceci, nous avons atteint la fin de ce que nous devons apprendre sur le noyau atomique. Nous avons appris ce qu’est la force nucléaire et comment elle maintient la cohésion du noyau. Nous avons appris à calculer l’énergie de liaison nucléaire et à prédire la stabilité nucléaire à l’aide du rapport neutrons-protons. Avant de conclure cette vidéo avec les points clés, résolvons un problème.

Laquelle des relations suivantes est correcte ? (A) Pour convertir une quantité d’énergie de joules en mégaélectronvolts, nous la divisons par 1,6 fois 10 puissance moins 27. (B) Pour convertir une quantité d’énergie de joules en mégaélectronvolts, nous la divisons par 1,6 fois 10 puissance moins 13. (C) Pour convertir une quantité d’énergie de joules en mégaélectronvolts, nous la multiplions par 1,6 fois 10 puissance moins 27. (D) Pour convertir une quantité d’énergie de joules en mégaélectronvolts, nous la multiplions par 1,6 fois 10 puissance moins 13.

Un électronvolt est la quantité d’énergie gagnée par un électron lorsqu’il traverse un potentiel d’un volt. Cette unité d’énergie est couramment utilisée pour les variations d’énergie dans les processus atomiques. Par exemple, pour retirer l’électron d’un atome d’hydrogène, il faut 13,6 électronvolts d’énergie. La désintégration du noyau d’hélium en protons et neutrons nécessite 28,3 mégaélectronvolts d’énergie. Les mégaélectronvolts font l’objet de cette question. Nous devons déterminer la relation entre les mégaélectronvolts et les joules.

Il y a un million d’électronvolts dans un mégaélectronvolt. On peut également exprimer un million comme 10 puissance six. On peut donc convertir des mégaélectronvolts en électronvolts en multipliant par 10 puissance six. Un électronvolt équivaut à 1,602 fois 10 puissance moins 19 joules. On peut donc convertir des électronvolts en joules en multipliant par ce nombre. La combinaison de ces deux conversions nous donne 1,602 fois 10 puissance moins 13 joules, que nous arrondissons à une décimale pour correspondre aux choix de réponse. Un mégaélectronvolt est donc égal à 1,6 fois 10 puissance moins 13 joules.

Nous pouvons exclure les réponses (A) et (C) car notre facteur de conversion n’est pas de 1,6 fois 10 puissance moins 27. Maintenant, nous devons trouver s’il faut diviser ou multiplier par ce nombre. Donc, si on a une certaine quantité d’énergie en joules et qu’on veut la convertir en mégaélectronvolts, on doit la diviser par le facteur de conversion. Nous pouvons voir de cette façon que les joules s’annulent, pour donner un résultat en mégaélectronvolts. Donc, parmi les relations proposées dans ce problème, (B) est la bonne réponse. Pour convertir une quantité d’énergie de joules en mégaélectronvolts, on la divise par 1,6 fois 10 puissance moins 13.

Maintenant, terminons cette vidéo avec les points clés. La force nucléaire maintient ensemble les protons et les neutrons dans un noyau atomique. L’énergie de liaison nucléaire est l’énergie nécessaire pour désassembler un noyau atomique en protons et neutrons libres dont il est composé. Les neutrons stabilisent le noyau atomique. Les éléments les plus légers sont stables avec un rapport neutrons-protons de un pour un, tandis que les éléments les plus lourds sont stables avec un rapport neutrons-protons de 1,5 pour un.

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