Énergie de liaison nucléaire et défaut de masse

Sélectionnez un noyau : la page pèse séparément ses protons et ses neutrons, puis l’atome, avant de convertir la masse manquante en énergie avec E = mc². Sélectionnez une réaction : le même calcul, appliqué aux deux membres, donne l’énergie libérée. Toutes les masses proviennent de l’Évaluation des masses atomiques de 2020.

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Leçon

La théorie — Énergie de liaison nucléaire et défaut de masse

Un noyau pèse moins que l’ensemble des protons et des neutrons qui le composent. La différence constitue le défaut de masse ; multipliée par c², elle donne l’énergie de liaison B, c’est-à-dire l’énergie nécessaire pour dissocier complètement le noyau. En la divisant par le nombre de nucléons A, on obtient B/A, qui mesure la liaison moyenne de chaque nucléon. La courbe de B/A en fonction de A permet de repérer les réactions qui libèrent de l’énergie. Lorsqu’une réaction lie plus fortement les mêmes protons et neutrons, le gain d’énergie de liaison est libéré, qu’il s’agisse d’assembler des noyaux légers par fusion ou de scinder un noyau lourd par fission. L’énergie libérée par une réaction est sa valeur Q : la différence entre la masse initiale et la masse finale, multipliée par c².

Ce que signifie chaque symbole

Z
le nombre de protons, qui détermine l’élément
N
le nombre de neutrons, A − Z
Δm
le défaut de masse : la masse de Z atomes d’hydrogène et de N neutrons pesés séparément, moins celle de l’atome. Il s’exprime en u, avec 1 u égal à 931,494 MeV
B
l’énergie de liaison, Δm c². La courbe représente B/A
Q
l’énergie libérée par une réaction, égale à la masse perdue multipliée par c². Une valeur positive indique une libération d’énergie, sans préciser la vitesse de la réaction ni même si elle se produit effectivement
Suppose
Les calculs utilisent les masses atomiques telles qu’elles figurent dans l’évaluation : les électrons sont comptés dans les deux membres et s’annulent. Leur propre énergie de liaison n’est pas retranchée séparément, conformément à la définition de B retenue par l’évaluation. Même pour l’uranium, elle reste inférieure à un MeV et ne représente que quelques dix-millièmes de celle du noyau. Pour obtenir la masse du noyau par nucléon, on soustrait Z masses électroniques. L’énergie de liaison des électrons, qui subsiste alors, modifierait le résultat de moins de 0,000001 u pour le fer et le nickel, bien moins que l’écart entre eux. Q désigne toute l’énergie libérée, y compris celle qu’emportent les neutrinos. Dans le Soleil, elle représente environ 2 % et ne se retrouve jamais sous forme de chaleur. Seuls les états fondamentaux sont considérés : les noyaux sont supposés au repos et non excités.
Ne tient plus quand
Le calcul lui-même reste toujours valable, puisqu’il consiste seulement à soustraire des masses mesurées. En revanche, cette page n’indique pas la vitesse d’une réaction. Une valeur Q positive signifie qu’une réaction peut libérer de l’énergie, non qu’elle se produira : la scission de l’uranium-238 en deux fragments a une valeur Q positive, mais survient extrêmement rarement ; le deutérium et le tritium doivent être portés à environ cent millions de kelvins pour fusionner à un rythme utile. Enfin, la ligne consacrée à la fission ne présente qu’une paire de fragments. Un réacteur réel en produit toute une distribution, chacun avec sa propre valeur Q.

Le nickel-62 retient ses nucléons plus fortement que le fer-56 🖖

Cliquez sur Fer-56, puis sur Nickel-62. L’énergie de liaison par nucléon vaut 8,7904 MeV pour le fer-56 et 8,7946 pour le nickel-62 ; le fer-58 s’intercale entre eux avec 8,7923. Le nickel-62 arrive en tête non seulement sur cette page, mais aussi parmi tous les noyaux, mesurés ou estimés, de l’Évaluation des masses atomiques de 2020. Le fer-56 répond à une autre question. Si l’on divise la masse du noyau par son nombre de nucléons, c’est lui qui est le plus léger : 0,998583 u, contre 0,998597 pour le nickel-62. Un proton est en effet plus léger qu’un neutron, et le fer-56 contient 46,4 % de protons, contre 45,2 % pour le nickel-62. Chacun se classe troisième selon le critère où l’autre arrive en tête ; le deuxième graphique présente les deux classements. En 1995, M. P. Fewell a exposé ces données dans un article au titre explicite, The atomic nuclide with the highest mean binding energy. Selon lui, la prééminence souvent attribuée au fer-56 viendrait de l’étude de la formation des éléments dans les étoiles.

Le béryllium-8 est moins lié que les deux noyaux d’hélium qui le composent 🖖

Cliquez sur Béryllium-8. Son énergie de liaison est de 56,499 MeV, tandis que deux noyaux d’hélium-4 totalisent 2 × 28,296 = 56,591 MeV. Huit nucléons sont donc moins fortement liés dans un seul noyau que dans deux particules alpha. Le béryllium-8 se scinde spontanément et libère l’écart de 91,84 keV. Pour sa taille, l’hélium-4 est remarquablement lié : 7,0739 MeV par nucléon, davantage que tout noyau jusqu’au carbone-12. Aucun noyau de masse 5 ou 8 n’est donc stable. Durant les premières minutes qui ont suivi le Big Bang, cette lacune a interrompu la formation des noyaux à l’hélium, avec seulement des traces de deutérium, d’hélium-3 et de lithium-7. Les étoiles la franchissent en réunissant simultanément trois noyaux d’hélium pour former du carbone-12 ; le tableau des réactions donne alors 7,275 MeV.

La fission libère plus d’énergie par réaction, la fusion davantage par kilogramme 🖖

Cliquez sur Uranium-235, fission. Un neutron et un noyau d’uranium-235 produisent du baryum-141, du krypton-92 et trois neutrons. Q vaut alors 173,278 MeV, soit près de dix fois les 17,589 MeV de la fusion deutérium–tritium. Regardez maintenant la colonne indiquant la part de masse convertie. La fission en transforme 0,07881 % en énergie, contre 0,3754 % pour la fusion D–T et 0,7119 % pour la combustion de l’hydrogène dans le Soleil. Par kilogramme de combustible, cela représente 7,08×10¹³ J pour la fission, 3,37×10¹⁴ J pour la fusion D–T, presque cinq fois plus, et 6,40×10¹⁴ J pour la transformation de l’hydrogène en hélium. La courbe en donne la raison. Lors de la fission, 236 nucléons gagnent chacun 734,23 keV en remontant la pente douce du versant droit vers le milieu de la courbe. La fusion fait gravir à quelques nucléons le versant gauche, beaucoup plus raide : chacun gagne 3,518 MeV dans la réaction D–T. Les fragments de fission sont radioactifs ; leurs désintégrations ultérieures ajoutent une énergie que cette valeur de Q ne comptabilise pas.

Problème entièrement résolu

  1. Quelle masse d’hydrogène le Soleil brûle-t-il chaque seconde ? 5 étapes

    Le Soleil rayonne 3,828×10²⁶ W, valeur nominale de la luminosité solaire adoptée en 2015 par l’Union astronomique internationale. Quelle masse perd-il chaque seconde, et quelle masse d’hydrogène transforme-t-il en hélium ? Cliquez sur Hélium-4, Soleil pour les deux premières étapes.

    Ouvrez ce problème dans l'outil

    1. Quatre atomes d’hydrogène pèsent 4 × 1,007825 u et un atome d’hélium-4 pèse 4,002603 u. Multipliée par c², la différence donne l’énergie d’une chaîne complète :

    2. Rapportée à la masse initiale, comme l’indique la page :

    3. La lumière qui quitte le Soleil emporte de la masse. Divisons la puissance par c² :

    4. Chaque kilogramme d’hydrogène convertit 0,7119 % de sa masse en énergie. La masse d’hydrogène brûlée est donc la masse perdue divisée par cette proportion :

    5. Le reste devient de l’hélium :

    Réponse

    Le Soleil perd 4,259×10⁹ kg par seconde, soit un peu plus de quatre millions de tonnes. Pour cela, il transforme 5,983×10¹¹ kg d’hydrogène, environ 600 millions de tonnes, en 5,941×10¹¹ kg d’hélium. La luminosité ne tient pas compte des neutrinos, qui emportent environ 2 % de l’énergie de chaque chaîne ; le débit réel d’hydrogène brûlé est donc supérieur d’environ 2 % à cette estimation.

Références (3)