La fission nucléaire

En quoi la découverte du noyau atomique est-elle une avancée scientifique
et quelles sont ses conséquences sur l'Homme ?

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Pour cette première partie, nous verrons ensemble l’aspect théorique de la fission nucléaire. Ainsi, nous commencerons par parler de l’acteur principal de cette fission : le noyau de l’atome (ses caractéristiques, sa découverte). Puis nous verrons comment ce noyau reste lié pour ensuite voir comment le délier (avec la fission, notamment).

II. Liaisons entre nucléons

A. La cohésion nucléaire

Dans les noyaux, les protons sont dans un espace très restreint. Comme ces particules sont de même charge, on pourrai appliquer les lois d’interactions électriques dans le référentiel terrestre et conclure que chaque proton s’éloigne l’un de l’autre. Néanmoins, on a pu prouver l'existence d’une autre force qui permet aux nucléons de former un ensemble “soudé”. Cette force s’appelle la cohésion nucléaire.

Cette interaction, de type attractive, ne concerne que les nucléons car elle dispose que d’un très petit rayon d’action de l’ordre de 2,0 x 10^-15 m. En dehors de ce champ d’action, l’intensité de cette force diminue très rapidement. Néanmoins, dans cette zone, elle est assez forte pour faire face aux forces d’interactivité électrique entre les protons.

B. Noyau et énergie

On considère le noyau d’un atome Ca, composé de 40 nucléons et 20 protons. La masse de ce noyau est de 39,951 u. Calculons la masse de 40 nucléons (20 neutrons et 20 protons) : 20 x ( 1,008 665 + 1,007 276 ) = 40,319 u. On observe alors une différence de 0,368 u entre la théorie et la pratique. On note cette différence ∆m et on l’exprime en kg : 0,61 x 10^-27 kg. Cette perte de masse est de l’ordre de 0,912 %, soit 1%, ce qui n’est pas négligeable.

On vient alors à ce demander où est passée la masse manquante, car selon les lois de conservation de Lavoisier elle ne peut pas se perdre.

L'énergie de liaison E₁ est l’énergie qu’il faut fournir pour dissocier les différents constituants d’un noyau. Elle correspond aussi à l’énergie que les protons et les neutrons ont du céder pour permettre la réunion de tous les nucléons en un noyau. Elle est donc différente d’un atome à l’autre du fait que le nombre de nucléons est différent de l’un à l’autre. On en déduit donc un rapport entre le défaut de masse, et cette énergie de liaison.

C’est en 1905 que le scientifique Albert Einstein postule le principe d’équivalence entre masse et énergie : “Tout corps au repos possède du seul fait de sa masse, une énergie E = mc2 appelée énergie de masse”. Dans cette formule, E est l’énergie en Joule (J), m est la masse en kilogramme (kg) et c est la célérité de la lumière dans le vide qu’on simplifie par c = 3,0 x 108 m.s-1. Ainsi, comme nous disposons du défaut de masse dans le cas du noyau de calcium, nous pouvons trouver l’énergie de liaison de cet atome : E1 = ∆m x c2 = 0,61 x 10-27 x ( 3,0 x 108 )2 = 3,3 x 1013 J. Comme tous les atomes n’ont pas le même nombre de nucléons, on ramène à 1 nucléons pour pouvoir les comparer entre eux, on divise donc par le nombre de nucléons. Ici, pour Ca (avec A = 40 ), on a E1 = 3,3 x 1013 : 40 = 1,375 x 10-12 J.nucléon-1.

Cette énergie, exprimée en Joules par nucléon, est trop petite, mais trop grande si on l’exprime en joules par mole de nucléons. On utilise donc une unité adaptée : l'électron-volt (noté eV). 1 eV est égal à 1,6 x 10^-19 J, donc E₁ (l’énergie de liaison en joules par nucléon calculé plus haut) est ainsi égale à 8,6 x 10⁶ eV, ou bien 8,6 MeV (pur Mega électron-volt). Plus l’énergie de liaison par nucléon est grande, plus le noyau est stable (car il faut beaucoup d’énergie pour disperser les nucléons de ce noyau).

La Courbe d’Aston

La courbe d’Aston est utile pour mettre en valeur les atomes les plus stables ou instables et leur intérêt énergétique. Cette courbe a pour fonction f(A) = - E₁/A, c’est-à-dire l'opposé de l’énergie de liaison par le nombre de nucléons en fonction du nombre de nucléons.

Cette courbe oscille entre 6 et 8 MeV. De plus, pour l’Hydrogène elle est nulle car le noyau est constitué d’un seul nucléon (il n’y a pas eu de réunion de plusieurs nucléons donc pas d’énergie de liaison). On peut aussi conjecturer que les noyaux les plus stables sont ceux qui ont entre 50 et 60 nucléons, comme le fer 56 par exemple. Les noyaux ayant peu de nucléons ou ceux qui en ont trop sont les moins stables, comme le montre les extrémités de la courbe d’Aston. A contrario, les noyaux les plus stables se trouvent vers le milieu. Les réactions de fusion nucléaire affecteront les noyaux instables les plus légers tandis que les réactions de fission nucléaire affecteront plutôt les noyaux instables les plus lourds. Nous allons approfondir ce dernier cas.