[PDF] p2 - sommaire 171 EXERCICE n°1 LA DECOUVERTE

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Bulletin APEPA81N°171/2014

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Bulletin APEPA82N°171/2014

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A partir des documents fournis et de vos connaissances, retracer l'historique de la construction d'une bombe nucléaire. Vous préciserez le contexte historique d'émergence et la contribution des acteurs principaux.

Pour cela, vous fairez un rappel historique en 15 lignes maximum sur la découverte de la radioactivité

naturelle, de la radioactivité artificielle et de la fission nucléaire en précisant les différences fondamentales

entre ces trois phénomènes. Vous indiquerez notamment l'équation nucléaire régissant le fission de

l'uranium.

En conclusion, vous émetterez un avis argumenté sur le titre de l'émission d'ARTE " Lise Meitner,

mère de la bombe atomique ».••urdictrfeaeseblaqlaeédècagqapaeimlaUvy.• 8

Bulletin APEPA83N°171/2014

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Bulletin APEPA84N°171/2014

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Bulletin APEPA85N°171/2014

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Bulletin APEPA86N°171/2014

EXERCICE I. LA DECOUVERTE DE LA RADIOACTIVITE ARTIFICELLE Antilles Guyane 2007 (6 points)

Correction

1. La source de particules alpha utilisée par les Joliot-Curie1.1Un noyau radioactif est un noyau instable qui se désintègre spontanément en un autre noyau avec émission de rayonnement et de particules./0,5

1.2Une particule alpha est un noyau d'hélium de symbole : •4

2/0,25

Le noyau

•4

2 contient 2 protons (Z = 2 ) et 2 neutrons (A-Z = 4 - 2 = 2)

1.3A est le nombre de nucléons appelé aussi nombre de masse. Il indique le nombre de protons additionné du

nombre de neutrons./0,25

Z est le numéro atomique appelé aussi nombre de charge. Pour un noyau, il indique le nombre de protons qu'il

contient./0,25

1.4En utilisant les lois de conservations du nombre de nucléons A et du nombre de charge, il vient :

210

84r•4

2+ avec : 210 = 4 + AEA = 206

84 = 2 + ZEZ = 82 il s'agit de l'élément Pb.

finalement : 210

84r•4

2+206

82/0,5

2. La réaction probable proposée par les Joliot-Curie2.1. Le noyau de l'atome de phosphoreest

donc Z = 15 et A = 15 + 15 = 30.

Le symbole du noyau de phosphore est

30

15/0,25

2.2. Le noyau de l'atome de d'aluminiumest

donc Z = 13 et A = 13 + 14 = 27.

Le symbole du noyau d'aluminium est

27

13Alors

27

13 + •4

2r 1

0 + 30

15On vérifie les lois de conservation : 27 + 4 = 1 + 30

13 + 2 = 0 + 15/0,5

2.3.1. Deux noyaux isotopes ont même nombre de protons (même Z) mais des nombres de neutrons différents

(donc A différents)./0,25

2.3.2. Un autre isotope du phosphore 30

30

15 est le phosphore 31, 31

15 car Z = 15 pour les deux noyaux mais ces

deux noyaux diffèrent par leur nombre de neutrons, 15 pour 30

15 et 16 pour 31

15./0,25

2.4.1 Le noyau stable de siliciumestcomposé de 14 protons et de 16 neutrons, donc Z = 14 et A = 14 + 16 = 30.

Le symbole du noyau de silicium est

30
14.

Le symbole d'un positon est

0 1.

L'équation nucléaire s'écrit alors

30
15r30 14+0 1/0,5 On vérifie les lois de conservation : 30 = 30 + 0

15 = 14 + 1

2.4.2. Il s'agit d'une radioactivité + car il y a émission d'un positon./0,25

2.4.3. équation

1 1r 1 0 + 0

1/0,25

On vérifie les lois de conservation : 1 = 1 + 0

1 = 0 + 1Bulletin APEPA87N°171/2014

3. L'aspect énergétique du bore irradié

3.1. Loi équivalence masse - énergie : L'énergie de masse E d'une particule au repos est égale au produit de la

masse de la particule par le carré de la célérité de la lumière dans le vide.

E = m.c²

Avec E en J

m en kg c en m.s -1./0,5

3.2.

m = mfinale - minitiale = Sm(produits) - S(réactifs) m = m()13

7) + m(1

0) - m()10

5) - m(•4

2) = 13,001898 + 1,008655 - 10,010194 - 4,001506 m = - 1,147000.10-3 u/0,5

3.3.1. D'après 3.1. on a E = m . c²/0,25

3.3.2. *+% !,'

m = - 1,147000.10-3 u = - 1,147000.10-3 l 1,66054.10-27 = -1,904639.10-30 kg "!,( E = -1,904639.10-30 l (3,00.108)² = - 1,71.10-13 J"!,( E = - 1,71.10-13 / 1,60218.10-19 = - 1,07.106 eV = - 1,07 MeV. /0,5

3.3.3. Comme E est négatif de l'énergie est libérée par le système au cours de la réaction nucléaire./0,25

EXERCICE II. Preparation d

une solution (8 points) grille de correctioncompétencesCritère d'évaluationPoints

S'approprier

l'information

Comprendre la problématique/1

Analyser

ValiderChoisir et utiliser un modèle

adapté (mettre en lien les phénomènes, les concepts utilisés et le langage mathématique qui peut les décrire)Équation de dissolution concentration réelle en ions relation entre concentration massique et concentration molaire relation entre masse et quantité de matière calcul d'une masse molaire/1/1 /1 /1 /0,5 communiquer Rendre compte de façon écrite (de manière synthétique et structurée, en utilisant un vocabulaire adapté, une langue correcte et précise)

Proposer un protocole de dissolution/1

/1,5

Bulletin APEPA88N°171/2014

EXERCICE III. EXERCICE DE SYNTHESE (6 points)

grille de correctionPoints clés de la notation : •1 point pour la découverte et l'explication de la radioactivité naturelle

•1 point pour la découverte et l'explication de la radioactivité artificielle (irradiation par particule alpha)

•1 point pour la fission nucléaire (bombardement de neutrons)

•1 point pour l'équation de fission de l'uranium (parfois, il manque le neutron incident donc 1/2 point)

•1 point pour le contexte historique

•1 point pour l'argumentation lors de la conclusion (quelle que soit la réponse à la question posée)

exemple de synthèse :

Au cours de la seconde guerre mondiale, une course contre la montre s'est engagée entre l'Allemagne

nazie et les forces alliées afin de mettre au point une arme atomique. L'idée de la faisabilité d'une telle arme

destructrice a émergée suite à quelques découvertes essentielles. Pierre et Marie Curie obtinrent le prix nobel de physique en 1903 conjointement avec Henry Becquerel

pour la découverte de la radioactivité naturelle. Alors que Becquerel a mis en évidence que des sels d'uranium

émettent spontanément un rayonnement, Pierre et Marie Curie montrent que le Polonium et la Radium ont un

comportement similaire. Ils attribuent le terme de radioactivité à ce phénomène. Ernest Rutherford compléta les

travaux précédents en attribuant la radioactivité à une émission de particule alpha ou béta ou à l'émission d'un

rayonnement gamma. Il réussi par ailleurs la première transmutation artificielle, en transformant un noyau d'un

élément en un noyau d'un autre élément.

Irène et Frédéric Joliot Curie montrent la possibilité de créer artificiellement des noyaux radioactifs, en

bombardement un noyau stable avec des particules alpha.

La fission nucléaire consiste également à bombarder un noyau, mais avec des neutrons. Le but initial était de créer

des noyaux plus lourds que l'uranium. Cependant, les expériences réalisées par Otto Hahn et Fritz Straamann

mirent en évidence la présence de baryum suite au bombardement de l'uranium avec des neutrons. L'explication

théorique fut donnée par Lise Meitner qui modélisa la réaction de fission nucléaire de l'uranium :

235

92U + 1 0 n 141 56Ba + 92 36Kr + 3 1 0 n

La réaction de fission libère une grande quantité d'énergie. Dans les bombes atomiques, les neutrons émis

percutent à leur tour d'autres atomes de matière fissile ce qui provoque une réaction en chaîne et produit une

quantité colossale d'énergie.

Lise Meitner peut être considérée comme la mère de la bombe atomique car elle a posé les fondements

théoriques à la compréhension du phénomène de fission. Cependant, le contexte géopolitique de la seconde

guerre mondiale et la capacité des américains à mobiliser d'énormes moyens (financiers et scientifiques) à travers

le projet Manhattan ont également eu une importance considérable dans la fabrication de la bombe A.Bulletin APEPA89N°171/2014

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