Y a-t-il quelqu’un pour sauver le principe de conservation de l’énergie ?

FICHE 2 :

Texte à distribuer aux élèves

1S 16

Y a-t-il quelqu’un pour sauver le principe de conservation de l’énergie ?

Situation-problème :

Document 1

Au début du XXème siècle, il avait été établi que, lors des désintégrations radioactives, les rayons alpha emportaient toute l'énergie disponible : ils étaient "monocinétiques". Par contre, les rayons bêta n'avaient pas tous la même énergie. La répartition en énergie des rayons alpha se réduisait à une valeur unique, une raie, correspondant à l'énergie totale disponible dans la désintégration ; celle des rayons bêta correspondait par contre à un spectre continu. L’énergie de la particule bêta prenait toutes les valeurs comprises entre zéro et un maximum correspondant à l'énergie totale disponible dégagée par la désintégration.

En 1930, ces résultats posaient un gros problème aux physiciens. Qu'en était-il de la loi de conservation de l'énergie pour la désintégration bêta ? Niels Bohr en vint un jour à remettre en question ce fondement de la physique …

Document 2

Numéro atomique de quelques éléments

Elément H He Li Bi Po At Rn Fr Ra Ac

Z 1 2 3 83 84 85 86 87 88 89

Quelques particules

Proton électron neutron positon noyau d'hélium

1ère partie : Comprendre le problème et formuler des hypothèses …

Question 1

Écrire, en utilisant les lois de conservation dans les réactions nucléaires, la réaction de désintégration  alpha) d’un noyau de radium 226Ra, sachant qu’elle conduit à un noyau de radon 222Rn et à une particule alpha :

Déduire, à partir du document 2, la nature de la particule alpha.

Question 2

Écrire, en utilisant les lois de conservation dans les réactions nucléaires, la réaction de désintégration - (bêta moins) d’un noyau de bismuth 210Bi, sachant qu’elle conduit à un noyau de polonium 210Po et à une particule -:

Déduire, à partir du document 2, la nature de la particule -.

Question 3

Lors d’une réaction nucléaire, de l’énergie est libérée. Proposer une explication à cette libération d'énergie :

Question 4

On cherche à comprendre la démarche des physiciens du XXème siècle qui ont été amenés à « sauver le principe de conservation de l’énergie », suite à la découverte et à l’étude des désintégrations radioactives. Le document 1 évoque des rayons alpha monocinétiques. Que signifie le terme « monocinétiques » ?

Question 5

a) Déterminer la valeur en MeV de l’énergie totale E disponible dégagée lors de la désintégration d’un noyau de bismuth 210, suivant la réaction de la question 2.

Données :

• Masse d’un noyau de bismuth 210 : m Bi 210 = 209,9386 u

• Masse d’un noyau de polonium 210 : m Po 210 = 209,9368 u

• Masse d’une particule - : m  = 5,49.10-4 u

• 1 u = 1,660 54 . 10-27 kg c=3,00.108 m.s-1

• 1 MeV = 1,60.10-13 J

b) Lors de leurs expériences sur la désintégration beta du bismuth 210, les physiciens constatèrent que dans certains cas, la particule bêta produite avait une énergie cinétique E c  de valeur 0,40 MeV.

En quoi ces résultats expérimentaux étaient-ils en contradiction avec le principe de conservation de l’énergie ?

Question 6

Vous êtes un éminent collègue de Niels Bohr, avec une imagination débordante et vous êtes convaincu que le principe de conservation de l'énergie doit être encore valide. Formulez une hypothèse pour « sauver » le principe de conservation de l’énergie ; comment résolvez-vous cette énigme ?

Réfléchissez et discutez avec votre équipe de recherche ; présentez en quelques phrases vos hypothèses.

Mise en commun des propositions

Chaque équipe énonce ses hypothèses et, après un échange argumenté, l’explication de la classe est rédigée en commun.

Question 7

On dispose du diagramme d’énergie suivant :

il représente les proportions de noyaux de bismuth 210 dont la désintégration conduit à une particule  ayant une énergie cinétique de valeur Ec , pour toutes les valeurs comprises entre 0 et 1,17 MeV.

Cocher la bonne réponse :

• A représente l’énergie manquante et B l’énergie cinétique Ec  de la particule .

• A représente l’énergie cinétique Ec  de la particule  et B, l’énergie manquante.

2ème partie : Wolfgang Pauli et Enrico Fermi à la rescousse du principe …

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