Noyaux, masse et énergie-2

Noyaux, masse et énergie | E=mc² | Défaut de masse | Énergie de liaison

⚛️ Noyaux, masse et énergie

Équivalence masse-énergie · E = mc² · Défaut de masse · Énergie de liaison
1) Équivalence masse-énergie | الكفاف كتلة-طاقة تكافؤ الكتلة والطاقة

Relation d’Einstein | علاقة انشتاين

Toute particule de masse \(m\) possède une énergie \(E\) donnée par la relation d’Einstein :

\(E = mc^2\)

\(c\) : célérité de la lumière dans le vide, \(c \approx 3,00 \times 10^8\ \text{m·s}^{-1}\)

📌 Conséquence : Une variation de masse \(\Delta m\) correspond à une variation d’énergie \(\Delta E = \Delta m \cdot c^2\).

1) Unité de masse et énergie | وحدة الكتلة والطاقة وحدات الكتلة والطاقة
a. Unité de masse atomique | وحدة الكتلة النووية

En physique nucléaire, on utilise une unité adaptée à l’échelle atomique : l’unité de masse atomique (symbole \(u\)). Cette unité est égale à \(\frac{1}{12}\) de la masse d’un atome de carbone 12.

On a la relation : \(\displaystyle \frac{m}{M} = \frac{N}{N_A}\)

Pour un atome de carbone 12 : \(\displaystyle \frac{m_c}{M} = \frac{1}{N_A} \quad \Rightarrow \quad m_c = \frac{M}{N_A}\)

Donc : \(\displaystyle 1\ \text{u} = \frac{1}{12} \cdot \frac{M}{N_A} = \frac{M}{12 \cdot N_A}\)

\(1\ \text{u} = \frac{1}{12} \times \frac{12 \times 10^{-3}}{6,02 \times 10^{23}} = 1,66 \times 10^{-27}\ \text{kg}\)

✔️ \(1\ \text{u} = 1,66 \times 10^{-27}\ \text{kg}\)

b. Unité de l’énergie | وحدة الطاقة

Dans le domaine de la physique nucléaire, on utilise l’électronvolt (eV) :

\(1\ \text{eV} = 1,6 \times 10^{-19}\ \text{J}\)
📌 Multiples de l’eV
  • \(1\ \text{keV} = 10^3\ \text{eV} = 1,6 \times 10^{-16}\ \text{J}\)
  • \(1\ \text{MeV} = 10^6\ \text{eV} = 1,6 \times 10^{-13}\ \text{J}\)
  • \(1\ \text{GeV} = 10^9\ \text{eV} = 1,6 \times 10^{-10}\ \text{J}\)
⚡ Équivalence en MeV/c²

\(1\ \text{u} = 931,5\ \text{MeV}/c^2\)

c. L’énergie correspondant à une masse de 1 u | الطاقة المكثفة للكتلة

D’après la relation d’Einstein :

\(E = mc^2 = 1,66054 \times 10^{-27} \times (2,997924 \times 10^8)^2\)

\(E = 1,49242 \times 10^{-10}\ \text{J} = \dfrac{1,49242 \times 10^{-10}}{1,602177 \times 10^{-13}} = 931,5\ \text{MeV}\)

\(\boxed{1\ \text{u} = 931,5\ \text{MeV}/c^2}\)

✔️ Ainsi, \(m = \dfrac{E}{c^2}\) et \(1\ \text{u}\) correspond à une énergie de \(931,5\ \text{MeV}\).

2) Énergie de liaison | طاقة الربط طاقة الربط
📉 Défaut de masse \(\Delta m\) | النقص الكتلي

Le défaut de masse \(\Delta m\) d’un noyau \(^{A}_{Z}X\) est la différence entre la somme des masses de ses nucléons pris séparément et la masse du noyau :

\(\Delta m = Z \cdot m_p + (A – Z) \cdot m_n – m(^{A}_{Z}X)\)

Énergie de liaison \(E_{liaison}\) :

L’énergie de liaison est l’énergie qu’il faut fournir pour séparer le noyau en ses nucléons constitutifs :

\(E_{liaison} = \Delta m \cdot c^2\)

💡 Interprétation : Plus l’énergie de liaison est grande, plus le noyau est stable.

📊 Énergie de liaison par nucléon

L’énergie de liaison par nucléon permet de comparer la stabilité des noyaux :

\(E_{liaison/A} = \dfrac{E_{liaison}}{A}\)

📌 Courbe d’Aston : l’énergie de liaison par nucléon est maximale pour \(A \approx 56\) (fer).

🧠 Exercice d’application تطبيق

Calculer l’énergie de liaison du noyau d’hélium \(^{4}_{2}He\) (noyau α) :

Données :

  • \(m_p = 1,00728\ \text{u}\)
  • \(m_n = 1,00867\ \text{u}\)
  • \(m(^{4}_{2}He) = 4,00150\ \text{u}\)
  • \(1\ \text{u} = 931,5\ \text{MeV}/c^2\)

✔️ Défaut de masse :

\(\Delta m = 2m_p + 2m_n – m_{He}\)

\(\Delta m = 2 \times 1,00728 + 2 \times 1,00867 – 4,00150\)

\(\Delta m = 2,01456 + 2,01734 – 4,00150 = 0,03040\ \text{u}\)

✔️ Énergie de liaison :

\(E_{liaison} = \Delta m \times 931,5 = 0,03040 \times 931,5 \approx 28,3\ \text{MeV}\)

✔️ Énergie de liaison par nucléon :

\(E_{liaison/A} = \dfrac{28,3}{4} \approx 7,07\ \text{MeV/nucléon}\)

📊 Récapitulatif – Formules clés ملخص الصيغ الأساسية
⚡ Équivalence masse-énergie

\(E = mc^2\) ou \(\Delta E = \Delta m \cdot c^2\)

📏 Unité de masse atomique

\(1\ \text{u} = 1,66 \times 10^{-27}\ \text{kg} = 931,5\ \text{MeV}/c^2\)

🔬 Défaut de masse

\(\Delta m = Z m_p + (A-Z) m_n – m_{noyau}\)

⚛️ Énergie de liaison

\(E_{liaison} = \Delta m \cdot c^2\)

\(E_{liaison/A} = \dfrac{E_{liaison}}{A}\)

💡 À retenir : La masse d’un noyau est inférieure à la somme des masses de ses nucléons. Cette différence de masse (défaut de masse) se manifeste par une énergie de liaison qui assure la cohésion du noyau.
⚛️ Relation masse–énergie — \( E = mc^2 \) · \( 1\,u = 1{,}66 \times 10^{-27}\,\text{kg} = 931{,}5\,\text{MeV}/c^2 \) · Défaut de masse \( \Delta m = \sum m_{\text{nucléons}} – m_{\text{noyau}} \) · Énergie de liaison \( E_l = \Delta m \cdot c^2 \)