Quelques notions sur la P.N

Quelques notions sur la P.N

Le noyau atomique

Historique

A partir des années 1911 où le physicien et chimiste Britannique Rutherford a découvert le noyau atomique, le modèle atomique ne cesse plus d’évoluer. L’étude se focalise surtout sur le noyau atomique. Il est un élément constitutif d’un atome. Il occupe la partie centrale de l’atome. Il a de charges électriques et il est chargé positivement. Il représente la majeure partie de la masse d’un atome. Aux années 1921, il y a une conférence sur la structure du noyau atomique faite par Rutherford. Il a dit que « le noyau atomique est un assemblage de protons et d’électrons en nombre variable ». Il évoqua aussi la possibilité d’un assemblage particulièrement étroit d’un proton et d’un électron qui forme une particule neutre très pénétrante. A partir de cette année, au laboratoire de Cavendish de Cambridge, Rutherford et ses collaborateurs ont fait des recherches sur la nature et les propriétés de cette particule neutre. Aux années 1931, le physicien James Chadwick a prouvé l’existence de cette particule neutre. Il a découvert aussi la propriété de cette particule. Il la nomme « neutron ». Il a dit alors que le noyau atomique est constitué des deux particules « protons et neutrons ». L’ensemble de ces deux particules forme « le nucléons ». Après la découverte du neutron, le modèle du noyau atomique a été développé rapidement par Dimitri Ivanenko et Warner Heisenberg. Aux années 1970, le physicien Murray Gell-Mann a prouvé l’existence des petites particules autres que le proton et le neutron qui constituent le noyau atomique. Il les appelle « Quarks ». Il a dit alors que le proton et le neutron ne sont pas des particules élémentaires. Le proton et le neutron sont constitués par des Quarks. Le noyau atomique est donc constitué des nucléons (formés de Z protons et de N neutrons) à l’intérieur desquels, on y trouve de petites particules appelées quarks. Le nombre de protons définit l’élément chimique. Le nombre de protons et le nombre de neutrons sont voisins pour un élément chimique.

Compositions d’un noyau atomique

Un noyau atomique est constitué par des A particules (nucléons) dont on trouve Z protons et N= A – Z neutrons. La nature de l’élément chimique est déterminée par le nombre de protons Z et le nombre des particules A (nombre de masse ou nombre de nucléons du noyau). Les protons et les neutrons sont des nucléons liés par une force nucléaire. (Raoul ,1983).

Stabilité d’un noyau

Energie de liaison ou énergie de cohésion : ?ℓ

Les nucléons (protons et neutrons) d’un noyau atomique sont confinés dans un très petit volume. Il existe une répulsion électrostatique intense entre les protons, car ils ont toute la même charge électrique, qui devrait briser le noyau. Mais ce n’est pas le cas. Car les nucléons s’attirent aussi par interaction forte. Cette interaction ne modifie pas la taille du noyau, mais elle assure tout simplement la liaison entre les nucléons qu’ils soient protons soient neutrons. Il est donc difficile de séparer les nucléons d’un noyau, car ils sont très liés grâce à l’existence de cette interaction.

Donc, pour pouvoir séparer les nucléons d’un noyau en ses constituants, il lui faut apporter une certaine énergie. Cette sorte d’énergie est appelée « Energie de liaison ». « L’énergie de liaison du noyau, notée ?? , est l’énergie qu’il faut fournir à un noyau pris au repos pour le dissocier en ses différents nucléons obtenus isolés, immobiles et sans interaction entre eux. C’est l’énergie qu’il faut pour séparer les nucléons, pour casser la liaison entre les nucléons » (Coup et al, 2002).

A partir d’une réaction de décomposition d’un noyau en ses différents constituants, on peut trouver l’expression de l’énergie de liaison d’un noyau.

Energie de liaison par nucléon :EN

Chaque noyau a sa propre énergie de liaison. Plus l’énergie de liaison est élevée, plus le noyau est stable. Plus le noyau est lourd, plus l’énergie de liaison est élevée. Mais pour bien caractériser la stabilité d’un noyau, les physiciens ont introduit ce qu’on appelle « Energie de liaison par nucléon ». Comme son nom l’indique, l’énergie de liaison par nucléon, notée par EN est donnée par la relation : ?? = ??/A . Elle est exprimée en MeV/ nucléon. On a remarqué que, pour chaque élément chimique, sa valeur est presque sensiblement égale à 8 MeV/ nucléon. On prend alors 8 MeV/ nucléon comme référentiel.

Quand l’EN est strictement supérieur à 8 MeV/ nucléon, alors le noyau est stable. Dans le cas contraire, on dit qu’il est instable. Quand un noyau est instable, on dit qu’il est radioactif.

Conditions nécessaires pour avoir une réaction de fusion nucléaire

Cette sorte de réaction nécessite une certaine condition. Premièrement, les deux noyaux à condenser sont tous chargés positivement. Alors, lorsque ces deux noyaux se rapprochent l’une de l’autre, une force électrostatique répulsive se produit et les deux noyaux se repoussent. Donc, pour qu’une telle réaction ait lieu, il faut fournir une certaine quantité d’énergie (énergie thermique ou une énergie cinétique) pour vaincre cette répulsion électrostatique. Deuxièmement, ces deux noyaux doivent être situés dans un état condensé. C’est-à-dire, la température et la pression du milieu où se produit une réaction de fusion nucléaire doivent être très élevées. D’une manière générale, les noyaux légers doivent avoir une très grande quantité d’énergie cinétique, supérieure à 0,1 MeV, pour vaincre la répulsion électrostatique. Et cela ne peut être atteint qu’à une température extrêmement élevée, de l’ordre de 10⁶ degrés Celsius (Coup et al, 2002). Pour avoir une telle température et aussi pour augmenter la probabilité de rencontre entre les deux noyaux, il faut réaliser la réaction de fusion nucléaire dans un lieu à haute pression.

Par conséquent, la réaction de fusion nucléaire ne se produit pas dans les conditions standards sur Terre. « Sur Terre, cette réaction n’a pu être réalisée par des physiciens que depuis une soixantaine d’années » (Coup et al, 2002). Mais, elle a déjà existé depuis des millénaires dans l’univers. Car, elle se produit au centre des étoiles comme notre soleil.

Table des matières

Introduction
Première partie : Cadrage théorique
Chapitre 1 : Quelques notions sur la P.N
I. Le noyau atomique
I.1. Compositions d’un noyau atomique
I.2. Quelques définitions
I.3. Masse et énergie
I.3.1. Unité de masse atomique : u.m.a. ou u
I.3.2. Défaut de masse atomique : ∆?
I.3.3. Principe d’équivalence
I.4. Stabilité d’un noyau
I.4.1. Energie de liaison ou énergie de cohésion : ?ℓ
I.4.2. Energie de liaison par nucléon :EN
II. Réaction nucléaire spontanée
II.1. Propriétés d’un noyau radioactif
II.2. Différents types de radioactivités
II.2.1. Radioactivité alpha ?
II.2.2. Radioactivité bêta β
II.2.3. Radioactivité gamma ?
II.3. Décroissance radioactive
II.3.1. Description
II.3.2. Lois de décroissance radioactive
II.4. Utilisation de la radioactivité
III. Réaction nucléaire provoquée : Radioactivité artificielle
III.1. Réaction de fusion nucléaire
III.1.1. Définition
III.1.2. Equation bilan de cette réaction
III.1.3. Conditions nécessaires pour avoir une réaction de fusion nucléaire
III.1.4. Utilisation de la réaction de fusion nucléaire
III.1.5. Exemples des réactions de fusion nucléaire
III.2. Réaction de fission nucléaire
III.2.1. Définition
III.2.2. Equation bilan de cette réaction
III.2.3. Exemple : fission de l’uranium 235
III.2.4. Utilisation de la réaction de fission nucléaire
Chapitre 2 : Méthode d’enseignement disponible pour enseigner la P.N
I. Définitions
I.1. Etymologique
I.2. Pratique
I.3. Représentation et conception
II. Typologie des méthodes d’enseignement
II.1. Méthode d’enseignement classique
II.2. Méthode d’enseignement interactive
II.2.1. Méthode interrogative (ou maïeutique)
II.2.2. Méthode active
III. Qualité d’une bonne leçon
Deuxième partie : Cadrage pratique
Chapitre 1 : Etude préliminaire
I. Observation de la séance d’E/A de la P.N. au lycée
I.1. Première observation
I.2. Deuxième observation
II. Elaboration des questionnaires
II.1. Présentation des questionnaires
II.2. Choix du lycée
II.3. Résultats des questionnaires avant notre intervention
II.3.1. Résultats de la première partie
II.3.2. Résultats de la deuxième partie
II.3.3. Résultats de la troisième partie
III. Elaboration des exercices d’illustration d’utilisation de la P.N. dans la vie courante
III.1. Présentation de ces exercices d’illustrations
III.1.1. Premier exercice
III.1.2. Deuxième exercice
III.1.3. Troisième exercice
III.2. Mise en œuvre de ces exercices
III.2.1. Création du groupe d’élèves
III.2.2. Critères à observer lors d’un travail de groupe pour voir la participation des élèves
III.3. Résultats obtenus et analyse
Chapitre 2 : Enseignement de la P.N. à l’aide des animations numériques
I. Présentation des animations numériques utilisées
I.1. Animation 1 : cours concernant le noyau atomique
I.2. Vidéo et animation 2 : cours du défaut de masse atomique et notion d’énergie de liaison
I.3. Animation 1 et animation 3 : cours de la réaction nucléaire spontanée
I.3.1. Différents types des radioactivités nucléaires
I.3.2. Propriétés de rayonnements émis
I.3.3. Utilisation de la radioactivité dans la vie courante
I.4. Animations utilisées dans le cours de la réactions nucléaires provoquées
I.4.1. Fission nucléaire : (Animation 5)
I.4.2. Fusion nucléaire : (Animation 6)
I.4.3. Utilisation de la réaction nucléaire provoquée dans la vie courante : (Animation 7 et animation 8)
II. Mise en œuvre de notre pratique
II.1. Approches d’enseignements utilisées
II.1.1. Constructivisme
II.1.2. Socioconstructivisme
II.2. Méthodes d’enseignements utilisées
II.3. Description de notre pratique
II.4. Résultats obtenus lors de la discussion d’ensemble avec les élèves
II.4.1. Participation des élèves
II.4.2. Résultats de chaque partie de la P.N. traitée
III. Evaluation des acquis et interprétation des résultats obtenus
III.1. Evolution de la conception des élèves à propos de la P.N
III.2. Résultats obtenus à partir de la partie A et B de notre questionnaire
III.3. Résultats obtenus à partir de la partie C de notre questionnaire : Utilisation de la P.N. dans la vie courante
III.4. Discussions et perspectives
III.4.1. Avantages
III.4.2. Inconvénients
III.4.3. Perspectives
Conclusion

Lire le rapport complet