L'énigme de l'énergie manquante

Difficulté:
Durée: 25 min
Exercices corrigésPhysique-Chimie1re SFormes et principe de conservation de l’énergie 

EXERCICE de difficulté 2 en Physique-Chimie 1re S. Mots-clés : formes et principe de conservation de l’énergie , énergie cinétique, conservation de l’énergie.



En étudiant les désintégrations radioactives, il avait été établi que les rayons alpha emportaient toute l’énergie disponible : ils étaient « monocinétiques ». Par contre, les rayons béta n’avaient pas tous la même énergie  : celle des rayons béta prenait toutes les valeurs comprises entre zéro et un maximum correspondant à l’énergie totale dégagée.

En 1930, cette évidence posa un 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.

Pour sauver la loi de conservation de l’énergie, un physicien suisse, Wolfgang Pauli, inventa l’existence d’une particule neutre, de masse très faible, qui serait émise en même temps que le rayon bêta et partagerait avec lui l’énergie libérée dans la désintégration. Enrico Fermi, le grand physicien italien, qui avait tout de suite cru à l’invention de W. Pauli proposa la théorie de la désintégration bêta basée sur l’hypothèse qu’un couple électron-neutrino serait créé par le noyau au moment de la désintégration

Exemple de la désintégration bêta du bismuth-210 . Le noyau de recul étant 400 000 fois plus lourd que l’électron, il emporte une énergie négligeable. Le reste se partage entre l’électron et l’antineutrino, représenté comme une particule fantôme : il fallut un quart de siècle (en 1956 par Reines et Cowan) pour qu’une première expérience prouve son existence.

Désintégration bêta du bismuth-210 :
diagramme des quantités de mouvement

D’après « La remarquable histoire du neutrino », www.laradioactivite.com

1. Écrire l’équation de la réaction nucléaire de la désintégration du bismuth en polonium sans libération d’antineutrino.

2. Trouver deux raisons figurant dans le texte, pour considérer le neutrino comme une particule fantôme.

3. Quel est le noyau appelé « noyau de recul » ? Comment peut-on vérifier qu’il est 400 000 fois plus lourd que l’électron ?

4. Calculer en MeV l’énergie libérée par la désintégration du bismuth représentée par l’équation donnée dans la question 1.

5. Peut-on trouver l’ordre de grandeur de l’énergie libérée par la désintégration du bismuth à l’aide du document donné dans le texte ? Conclure.

6. Quelle est la vitesse de l’antineutrino d’après le document ? Que peut-on en déduire concernant sa masse ?

Donnés. Masses en unité de masse atomique :  ;  ;  ;

 ;  ;

1. Se référer aux lois de conservation dans une réaction nucléaire, données dans le chapitre 7.

5. Utiliser la conservation de l’énergie et la relation donnée dans le paragraphe V du cours.

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