Emilangues

Nucléaire, quand tu nous tiens !

Nuclear has an Anagram: Unclear

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Noyau atome

Quoi que le citoyen pense du problème qui divise les familles et les partis politiques (à l'exception des « Verts »), il lui est difficile de contester que le nucléaire est au centre des débats dans notre société, notamment pour tout ce qui concerne l'énergie.
Rares sont les sujets aussi internationaux.
La compréhension des propriétés du noyau atomique a progressé grâce aux physiciens français, anglais, allemands, italiens, japonais, américains, russes, chinois, israéliens, ...
Cela encourage à travailler dans toutes ces langues.
Très récemment, l'Iran et la Corée du Nord ont rappelé que le sujet reste d'une brûlante actualité.
Ce dossier résume les découvertes qui sont en rapport direct avec le programme de la classe de 1èreS et présente un panorama des événements liés au nucléaire.
Le sujet dépasse de loin la physique et la collaboration avec  d'autres disciplines est indispensable.

Whatever people may think of the nuclear issue which has divided families and political parties - with the notable exception of the Greens - for decades, they can't contest that it remains - especially the matter of nuclear power - a core debate in our society.

More international topics can hardly be found.

Knowledge and comprehension of the properties of the atomic nucleus have progressed dramatically thanks to physicists of all nationalities.

Over the past years, Iran and North Korea have not ceased reminding us of what is at stake and that the subject is still a burning question.

By summing up the discoveries and landmarks tackled in the syllabus of the second year of French lycée (students aged 17), this project sets out an overview of the events involved in the nuclear question. The issue spreads so far beyond physics that it compels an interdisciplinary approach.

Rédacteur :

  • Jean-François Le Bourhis

Objectifs disciplinaires

Comprendre l'importance du nucléaire (recherche scientifique, industrie, énergétique, guerres, société, sécurité, ..) au XXème siècle, quelle que puisse être l'opinion qu'on a sur le sujet.

Références au programme

Cohésion et transformations de la matière :

- Particules élémentaires e-, p+, n
- Interactions fondamentales : forte, faible, électromagnétique, gravitationnelle
- Cohésion du noyau, stabilité
- Radioactivités naturelle et artificielle. Activité
- Réactions de fission et de fusion
- Lois de conservation dans les réactions nucléaires
- Défaut de masse, énergie libérée
- Réactions nucléaires et aspects énergétiques associés
- Ordre de grandeur des énergies mises en jeu

Formes et principe de conservation de l'énergie :

- Principe de conservation de l'énergie
- Application à la découverte du neutrino dans la désintégration β

Niveaux de compétence en langue

Expression orale en continu : B2 Expression orale en interaction : B2 Compréhension de l'écrit : B2 Expression écrite : B2 Compréhension de l'oral : B2

Principaux supports documentaires utilisés lors de la séance

Les documents ne font pas défaut.

L'utilisation d'Internet peut pratiquement suffire.  Dans le dossier, les élèves trouveront tous les mots-clés dont ils ont besoin.

Les livres consacrés au sujet qui nous occupe sont nombreux dans toutes les langues, notamment parce que de nombreuses traductions ont été effectuées. En français, citons sans aucun souci d'exhaustivité :
- Emilio Segrè, Les physiciens modernes et leurs découvertes (des rayons X aux quarks) Fayard, Le temps des sciences, 1984. Un grand classique qui a un peu vieilli mais qui reste d'un immense intérêt, notamment lorsque l'auteur, grand physicien lui-même et prix Nobel, traite des travaux de son maître et ami Enrico Fermi1. Avec le premier tome (Les physiciens classiques et leurs découvertes), un ouvrage indispensable dans la bibliothèque du laboratoire de physique d'un lycée. Ouvrage publié d'abord en anglais et en italien, ensuite traduit dans de nombreuses langues.
- André Rousset et Jules Six, Des physiciens de A à Z, Ellipses, 2000. Dictionnaire des physiciens. Également indispensable.
- Bernard Fernandez, De l'atome au noyau (une approche historique de la physique atomique et de la physique nucléaire), Ellipses, 2006. Ouvrage très intéressant écrit par un chercheur spécialiste de physique nucléaire.
- Il existe évidemment des ouvrages plus savants que pourront consulter avec profit les professeurs (mais pas les élèves !). On peut recommander  Jean-Louis Basdevant & Michel Spiro, Énergie nucléaire, Éditions de l'École Polytechnique, 2000 (Diffusion Ellipses).

Plusieurs revues scientifiques ont abordé le sujet. Les numéros spéciaux sont plus intéressants et plus faciles à trouver. Citons :
- Pour la Science, numéros spéciaux les génies de la science, notamment ceux consacrés à Einstein, Fermi et à la famille Curie.
- Les dossiers de La Recherche en particulier L'héritage de Marie Curie.
- Les Cahiers de Science et Vie qui abordent des sujets plus ponctuels. Le point de vue est souvent plus anecdotique, tout en étant intéressant.

Précisons que ces livres et revues ne sont pas indispensables pour aborder et traiter le sujet proposé.

Les documents joints à ce dossier peuvent tous, sans inconvénients majeurs, être portés à la connaissance des élèves. Mais le professeur sera juge.

 


1 Segrè conclut ainsi le chapitre consacré à Fermi : « Il mourut le 29 novembre1954 à l'âge de 53 ans. Ainsi disparaissait le dernier physicien à avoir dominé l'ensemble de la discipline, théorie aussi bien qu'expérience. Il est douteux qu'avec la spécialisation croissante, on revoie jamais une telle supériorité universelle ».

 

Fiche analytique

Notion(s) centrale(s)

Les propriétés du noyau atomique est un sujet scientifique qui relève  incontestablement de la physique. Il fait d'ailleurs intervenir les deux grandes théories du XXème siècle : la relativité et la mécanique quantique.
Les applications font partie des technologies de pointe.
Mais le nucléaire est aussi au centre des débats dans notre société : dangers réels ou potentiels, catastrophes, problèmes énergétiques, traitement des déchets, manifestations lors des transports de ceux-ci, prolifération de l'armement, … sont régulièrement discutés. Et il est bon qu'il en soit ainsi.

Dimensions culturelle/interculturelle/interdisciplinaire

La perception des problèmes posés par le nucléaire varie beaucoup d'un pays à l'autre. Il y a l'hostilité des opinions publiques dans les pays nordiques (y compris l'Allemagne) et au Japon. La Chine et l'Inde, au contraire, développent l'industrie nucléaire car elles y voient, entre autres, un moyen de lutter contre la pollution due à la combustion du charbon dans les centrales thermiques. Il y a également tous les pays qui sont dans une situation intermédiaire.
La France, a une position particulière dans la mesure où la plus grande partie de l'électricité produite provient des centrales nucléaires. Mais les étudiants sont d'une façon générale, sensibles aux arguments des opposants. Au début des années 2000, rares étaient les écoles d'ingénieurs qui proposaient des spécialités nucléaires. La situation a ensuite radicalement changé. Le génie chimique et le génie des procédés sont dans une situation un peu analogue.

Sur un tel sujet, la collaboration avec le professeur d'histoire est indispensable. Par exemple, en  1ère S, les régimes totalitaires figurent au programme de cette  discipline. Ils ont été au centre des problèmes posés par le nucléaire (bombardement du Japon, guerre froide, ...).
Les élèves vont être confrontés à la recherche de documents (livres, NET). Ils ne pourront se tirer d'affaire que s'ils sont conseillés par le professeur de documentation.
Le nucléaire n'est pas déconnecté des réalités économiques, ce que pourra aborder le professeur de SES.
L'action des radiations ionisantes sur les cellules intéressera le professeur de SVT . Il en est de même de l'utilisation de la radioactivité dans la datation des roches.
Les réactions nucléaires produisent un grand nombre d'éléments. Certains d'entre eux sont des poisons (les éléments lourds, notamment). Il y a donc une pollution chimique.
Enfin, l'utilisation d'indicateurs radio-actifs a ouvert aux chimistes et aux biologistes d'innombrables possibilités, notamment celle de suivre ce qui se passe à l'intérieur des cellules ou au cours d'une transformation chimique.

Activité(s) langagière(s) dominante(s) travaillée(s) au cours de la séquence

Prise de parole en interaction ; prise de parole en continu.
CECRL-B2 : « Communiquer spontanément avec un bon contrôle grammatical sans donner l'impression d'avoir à restreindre ce qu'il/elle souhaite dire et avec le degré de formalisme adapté à la circonstance ».
CECRL-B2 : « Faire un exposé clair, préparé, en avançant des raisons pour ou contre un point de vue particulier et en présentant les avantages et les inconvénients d'options diverses.
Prendre en charge une série de questions, après l'exposé, avec un degré d'aisance et de spontanéité qui ne cause pas de tension à l'auditoire ou à lui/elle-même ».

Exploitation pédagogique

Démarche pédagogique

Les élèves se répartissent par groupes de deux ou trois.  En s'appuyant par exemple sur le document panorama_nucléaire, chaque bi- ou trinôme choisit un sujet auquel il peut consacrer un bref exposé.
Il ne s'agit évidemment pas pour les élèves de faire un cours de neutronique ou de physique nucléaire. Il s'agit d'aborder avec modestie un sujet restreint, d'en montrer l'importance et l'intérêt. La documentation abonde et le document joint 2Panorama_nucléaire contient une foule de renseignements. Le professeur devra donc guider les élèves, souligner ce qui est essentiel et accessible (compréhension et disponibilité des documents), expliquer en quoi consiste tel ou tel sujet (ce que les élèves ne peuvent pas percevoir) et dégager l'importance (historique, scientifique, …) qu'a pu ou que peut avoir tel ou tel point.
Si la quasi totalité des expériences mettant en œuvre la radioactivité est interdite au lycée, le sujet se prête bien à des simulations. Et nombreux sont les films et vidéos disponibles.
On peut également imaginer des sketchs et des saynètes mettant en scène des personnages ayant joué un rôle important.
Des circonstances très favorables peuvent exister : établissement avec plusieurs langues étrangères enseignées dans le cadre des SELO, professeurs des disciplines non linguistiques disponibles et intéressés, manifestations scientifiques européennes, …. Il est alors possible d'imaginer des scènes avec des personnages de plusieurs nationalités et utilisant leur propre langue. On peut penser aux rencontres entre  Einstein et Roosevelt, Fermi et le général L. Groves qui tente de le persuader de se joindre au projet Manhattan, …. Et un élève peut jouer le rôle de l'interprète !
Il y a enfin l'organisation de débats. Le professeur intéressé pourra consulter avec profit le document Emilangues qui aborde le sujet : Promouvoir le Cotentin et le génie chimique
www.emilangues.education.fr/ressources-pedagogiques/sequences/disciplines-non-linguistiques/promouvoir-le-cotentin-et-le-g-nie-c
L'étude des propriétés du noyau atomique peut évidemment se faire dans n'importe quelle langue, étant entendu que la documentation en anglais est la plus abondante.
Mais, quand la chose est possible, il est intéressant de traiter les sujets dans la langue qu'utilisaient ceux qui les ont abordés (« Rendons à César ce  qui lui appartient »). En plus, cela permet de  comprendre  différents points de vue :  par exemple, la découverte de la fission par Meitner, Hahn et  Straßmann  en allemand, celle de la diffusion élastique des neutrons par l'équipe de Fermi en italien et celle du neutron par Chadwick en anglais. On peut même penser à la théorie du champ nucléaire et l'hypothèse du pion élaborées par Yukawa en japonais et la non-conservation de la parité mise en évidence par Yang, Lee et vérifiée par Wu dans l'émission β en chinois. Un document joint 4Contributions_des_pays reprend (sans faire une copie des autres documents) les découvertes par nation, ce qui peut faciliter la tâche des élèves.
Les découvertes de  physique nucléaire sont faites par des scientifiques de toutes nationalités.  L'ensemble est dominé de façon écrasante par quelques très grands physiciens : Fermi (Italie), en tout premier lieu, mais aussi Rutherford (NZ puis Royaume Uni, le grand précurseur), Wigner (Hongrie puis USA) et Bethe (Allemagne puis USA). Et les grands théoriciens que furent Wolfgang Pauli (Autriche puis USA) et Werner Heisenberg (Allemagne) n'ont pas dédaigné de se pencher sur les propriétés du noyau atomique.

Remarque : pour ce dossier, le pré-découpage en séances n'est pas pertinent.
Tout dépend de l'importance de l'effectif de la section. En classe, on peut estimer à vingt minutes le temps maximum nécessaire  (y compris questions et discussion) à accorder à chaque groupe intervenant (bi- ou trinôme). Il reste la recherche et l'exploitation de documents (notamment au CDI) et le travail personnel.
Le professeur fera intervenir  pendant une séance un seul groupe d'élèves.  Il prévoira donc autant de séances que nécessaire.

Évaluation

Proposition d'évaluation

Les documents disponibles sont extrêmement abondants. Le professeur vérifiera donc en amont, c'est-à-dire bien avant que la séance ait lieu, que les documents produits ne sont pas une simple compilation sinon une simple copie de ce qui existe déjà par exemple sur wikipedia. Non que ce site contienne des erreurs en grand nombre. Mais l'exercice de copie est stérile.
Les points à prendre en compte dans l'évaluation sont précisés dans le document 4PréparationEvaluation.

Ouverture et approfondissement

Approfondissement

Les problèmes du nucléaire (y compris la responsabilité des scientifiques) sont traités dans des ouvrages de fiction qui pourront être étudiés avec profit.
De nombreux films et téléfilms ont abordé le sujet. Il peut s'agir de biographies (Einstein), de films dramatiques, de films catastrophes de qualités très diverses, de films documentaires (La bataille de l'eau lourde), de films plaisants et sans prétention (Les palmes de Monsieur Schutz) ou de films comiques (Dr Strangelove or: How I Learned to Stop Worrying and Love the Bomb de Stanley Kubrick qui est un chef d'œuvre d'humour noir).
Le destin à la fois mystérieux et tragique d'Ettore Majorana fait l'objet du très récent livre d'Étienne Klein : En cherchant Majorana, Flammarion, 2013.
Le nucléaire a inspiré d'autres œuvres de fiction : romans et pièces de théâtre. C'est ainsi que sont régulièrement mises en scène des discussions et controverses : Einstein-Roosevelt, Groves-Oppenheimer (Oppenheimer, Day One, Fat Man and Litte Boy), Bohr-Heisenberg (Michael Frayn Copenhague), Einstein-Szilard (Einstein-Szilard Letter) dans lesquels les plus grands acteurs ont souhaité avoir un rôle et l'ont obtenu. C'est ainsi que le général Groves a été interprété par Paul Newman, Brian Dennehy, Robin Williams ... C'est un peu surprenant tant la personnalité d'Oppenheimer semblait plus à même de séduire les grands acteurs.

Ouverture internationale et interdisciplinarité

Ouverture internationale

La nécessaire recherche sur Internet fait que les TICE jouent un rôle primordial.
Les relations avec l'enseignement supérieur sont à rechercher en toute première priorité : Universités et IUT pouvant être spécialisés sur le sujet, centres de recherche, entreprises intervenant dans ce domaine (il faut avoir à l'esprit que les impératifs de sécurité et de confidentialité sont draconiens), organismes comme l'INSTN, etc.

Prolongements dans la discipline

Le sujets est évidemment traité dans l'enseignement supérieur. Il a même bénéficié d'un engouement inattendu ces dernières années, dans les Universités y compris les IUT (licences professionnelles spécialisées) comme dans les écoles d'ingénieurs.
Rappelons  l'existence du CLES.
Il faut enfin avoir à l'esprit que l'énergie nucléaire et le génie chimique offrent des perspectives de carrière très satisfaisantes.

Interdisciplinarité

La collaboration avec l'histoire, les SES, les SVT, la chimie et la documentation ont déjà été évoquées.

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