Noyaux, masse et énergie 2ème Bac – Cours complet

Le chapitre noyaux, masse et énergie 2ème bac est l’un des piliers de la physique nucléaire enseignée au lycée. Ce cours s’adresse aux élèves de 2bac sciences physique, 2bac sciences maths et 2bac svt. Il explique la relation d’équivalence masse-énergie d’Albert Einstein, le concept de défaut de masse, l’énergie de liaison d’un noyau, ainsi que le bilan énergétique des réactions nucléaires telles que la fission et la fusion.

1. Équivalence masse-énergie d’Einstein

En 1905, Albert Einstein a postulé qu’une particule de masse m au repos possède une énergie de masse E, selon la célèbre relation de proportionnalité :

E = m.c²

Dans cette équation, c représente la vitesse de la lumière dans le vide (environ 3×10⁸ m/s). Toute variation de masse (Δm) d’un système s’accompagne obligatoirement d’une variation d’énergie (ΔE) selon la formule ΔE = Δm.c².

À l’échelle nucléaire, on utilise souvent l’unité de masse atomique (u) au lieu du kilogramme (kg), et le mégaélectronvolt (MeV) au lieu du Joule (J).

2. Défaut de masse et énergie de liaison

La mesure précise de la masse d’un noyau atomique montre toujours qu’elle est strictement inférieure à la somme des masses de ses nucléons (protons et neutrons) isolés. Cette différence s’appelle le défaut de masse (Δm) :

Δm = (Z.mp + (A – Z).mn) – mnoyau

Ce défaut de masse n’a pas disparu ; il a été converti en énergie lors de la formation du noyau. Cette énergie est appelée l’énergie de liaison (El) du noyau, qui représente l’énergie qu’il faut fournir au noyau pour le dissocier en ses nucléons séparés :

El = Δm.c²

3. Stabilité des noyaux (Courbe d’Aston)

Pour comparer la stabilité de différents noyaux, on utilise l’énergie de liaison par nucléon (El / A). Plus cette valeur est grande, plus le noyau est stable.

La courbe d’Aston représente l’opposé de l’énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de masse A. Elle met en évidence que les noyaux les plus stables se situent dans la vallée centrale (A compris entre 50 et 80, comme le Fer 56). Les noyaux lourds tendent à se fissionner, tandis que les noyaux légers tendent à fusionner pour gagner en stabilité.

4. Bilan énergétique d’une réaction nucléaire

Lors d’une réaction nucléaire (spontanée ou provoquée), la masse totale des produits est inférieure à la masse totale des réactifs. Cette perte de masse se traduit par une libération d’énergie vers le milieu extérieur.

La variation d’énergie de la réaction est : ΔE = (Σm_produits – Σm_réactifs).c²

Pour une réaction qui libère de l’énergie (exothermique), la valeur de ΔE est négative. L’énergie libérée (Elib) correspond à la valeur absolue de cette variation : Elib = |ΔE|.

Pour bien maîtriser ces calculs, le travail sur des séries d’exercices est indispensable. Nous vous invitons à consulter nos fiches pratiques.