Matière et énergie : physique 6e secondaire

Une désintégration conserve le nombre de masse et le nombre de charge. Le nombre de noyaux restants est divisé par deux à chaque demi-vie, et l'activité suit la même loi. Cette décroissance sert à dater des objets et à évaluer des risques.

UAA de 6e en sciences générales. Contenu d'après les clarifications du SeGEC : physique nucléaire (radioactivité, défaut de masse, énergie et réactions nucléaires) et thermodynamique (moteurs thermiques, entropie et second principe, récepteurs thermiques). Programme de sciences générales non consulté.

Radioactivité et décroissance

À connaître

• alpha : ${}^{A}_{Z}\mathrm{X} \to {}^{A-4}_{Z-2}\mathrm{Y} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}$
• bêta moins : ${}^{A}_{Z}\mathrm{X} \to {}^{A}_{Z+1}\mathrm{Y} + {}^{0}_{-1}\mathrm{e}$, plus un antineutrino
• décroissance : $N = N_0 \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^{t/T_{1/2}}$ ; activité : $A = \lambda N$, avec $\lambda = \frac{\ln 2}{T_{1/2}}$

Méthodes

• Équations de désintégration. On conserve le nombre de masse et le nombre de charge pour trouver le noyau fils.
• Loi de décroissance. Après n demi-vies, il reste la fraction un demi à la puissance n.
• Datation. La fraction restante d'un isotope donne le nombre de demi-vies écoulées.

Exercices types

• Écris l'équation de la désintégration bêta moins du cobalt 60 (Z = 27).
• Un os contient 25 % du carbone 14 d'un organisme vivant. Estime son âge (demi-vie 5730 ans).
• Quelle masse reste-t-il d'un échantillon de 1,0 g d'iode 131 (demi-vie 8,0 jours) après 40 jours ?

Défaut de masse et réactions nucléaires

La masse d'un noyau est inférieure à la somme des masses de ses nucléons ; cet écart, le défaut de masse, correspond à l'énergie de liaison. La fission d'un noyau lourd et la fusion de noyaux légers libèrent de l'énergie parce qu'elles mènent à des noyaux plus liés.

À connaître

• défaut de masse : $\Delta m = Z m_p + (A - Z) m_n - m_\text{noyau}$
• énergie de liaison : $E_l = \Delta m \cdot c^2$ ; $1\ \mathrm{u} = 1{,}66 \cdot 10^{-27}\ \mathrm{kg}$, soit $931{,}5\ \mathrm{MeV}$
• fission : ${}^{235}_{92}\mathrm{U} + {}^{1}_{0}\mathrm{n} \to {}^{141}_{56}\mathrm{Ba} + {}^{92}_{36}\mathrm{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\mathrm{n}$
• fusion : ${}^{2}_{1}\mathrm{H} + {}^{3}_{1}\mathrm{H} \to {}^{4}_{2}\mathrm{He} + {}^{1}_{0}\mathrm{n}$

Méthodes

• Défaut de masse. Somme des masses des nucléons séparés moins la masse du noyau.
• Énergie de liaison. Défaut de masse fois le carré de la vitesse de la lumière ; rapportée au nombre de nucléons, elle compare la stabilité des noyaux.
• Fission et fusion. On équilibre A et Z, puis on calcule l'énergie à partir de la perte de masse.

Exercices types

• Calcule le défaut de masse et l'énergie de liaison de l'hélium 4 (noyau 4,0015 u ; proton 1,0073 u ; neutron 1,0087 u).
• Lors d'une fission de l'uranium 235, la perte de masse vaut 0,19 u. Calcule l'énergie libérée en MeV et en joules.
• Pourquoi la fusion de l'hydrogène exige-t-elle des températures de plusieurs millions de kelvins ?

Thermodynamique

Le premier principe fait le bilan de la chaleur et du travail échangés. Le second principe impose qu'un moteur thermique cède toujours de la chaleur à une source froide : l'entropie d'un système isolé ne peut que croître. Un réfrigérateur ou une pompe à chaleur utilise du travail pour faire passer la chaleur du froid vers le chaud.

À connaître

• premier principe : $\Delta U = Q + W$
• moteur : $\eta = \frac{|W|}{Q_c} \le 1 - \frac{T_f}{T_c}$
• pompe à chaleur : coefficient de performance $\mathrm{COP} = \frac{Q_c}{|W|}$

Méthodes

• Premier principe. Chaleur et travail reçus par le système sont positifs, cédés négatifs.
• Second principe et entropie. La chaleur ne passe pas spontanément du froid au chaud ; tout moteur a une source froide.
• Réfrigérateur et pompe à chaleur. Le travail reçu fait passer la chaleur de la source froide vers la source chaude.

Exercices types

• Une pompe à chaleur fournit 12 kWh de chaleur à une maison en consommant 3,0 kWh d'électricité. Calcule son coefficient de performance.
• Un moteur fonctionne entre 800 K et 300 K. Peut-il avoir un rendement de 70 % ? Justifie.
• Explique avec le second principe pourquoi une tasse de thé ne se réchauffe jamais seule dans une pièce plus froide.

Autres chapitres de 6e

• Électromagnétisme (partie II)
• Oscillations et ondes
• Sources d'énergie, de l'atome à l'éolienne
• La Terre et le cosmos

Les chapitres de 5e secondaire