MAT1 1

Cours MAT1 – Origine de la matière

Correction des activités Vidéo 1 – Qu’est-ce que la matière – Résumé Tout ce qui nous entoure et dont nous sommes faits = atomes ; 106 fois + petit qu’un cheveu Tableau périodique des éléments : 118 éléments existant dont 94 naturels présents sur Terre Un atome :

- un noyau : protons + neutrons, faits de quarks qui s’échangent des gluons - un nuage électronique : électrons en mouvements - bcp de vide entre tout ça !

Forces expliquant le maintien de la structure des atomes : - force (nucléaire) forte :

o tient protons et neutrons o ® cohésion du noyau

- force électromagnétique : o attire entre eux les électrons (chargés négativement) et les protons o comme deux aimants qui s’attirent sans jamais se coller o ® cohésion de l’atome

Vidéo 2 – Évolution de notre Univers depuis le Big Bang – Résumé

- Big Bang, il y a 13,7 milliards d’années : l’univers infiniment dense et chaud entre tout à coup dans une phase d’expansion et se propage dans toutes les directions (comme un ballon de baudruche que l’on gonfle) ® soupe uniforme d’électrons, quarks et photons

- Univers gonfle et température diminue ® particules s’agitent de moins en moins ® quarks s’associent par 3 pour former des protons et neutrons ® des noyaux d’hydrogène peuvent se former

- Température diminue encore ® nucléosynthèse primordiale = fusion de noyaux d’H entre eux pour former noyaux de deutérium (De), hélium (He) et lithium (Li)

- 380 000 ans après le Big Bang, T<3000°C ® électrons moins agités, se lient aux noyaux ® apparition des atomes d’H, d’He et de Li

- Puis pendant 1 milliard d’années : matière se concentre sous l’effet de la gravité ® naissance des 1ères étoiles, dont le cœur contient de très nombreux noyaux d’H ® nucléosynthèse stellaire : noyaux d’H fusionnent pour créer noyaux de He, C, N, O et même Fe (pour les + grosses étoiles)

- En fin de vie des étoiles ® explosion ® noyaux libérés dans tout l’univers ® capturent des neutrons ® formation de nouveaux noyaux plus gros

- Puis, longtemps après, les électrons viendront se lier à tous les noyaux créés pour former tous les éléments de la classification périodique !

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Diagrammes

Carbone (C ); 0,5

Helium (He); 24

Hydrogène (H); 74

Oxygène (O); 1 Autre; 0,5

Composition de l’Univers en % d’éléments chimiques (en masse)

Azote (N) Carbone (C ) Fer (Fe) Helium (He)

Hydrogène (H) Magnésium (Mg) Nickel (Ni) Oxygène (O)

Phosphore (P) Silicium (Si) Autre

Fer (Fe); 35

Magnésium (Mg); 13Nickel (Ni); 2,4

Oxygène (O); 30

Silicium (Si); 15

Autre; 4,6

Composition de la Terre entière en % d’éléments chimiques (en masse)

Azote (N) Carbone (C ) Fer (Fe) Helium (He)

Hydrogène (H) Magnésium (Mg) Nickel (Ni) Oxygène (O)

Phosphore (P) Silicium (Si) Autre

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Principaux éléments constitutifs

- de l’Univers : hydrogène et hélium - de la Terre : fer, oxygène, silicium et magnésium - des êtres vivants : oxygène, carbone, hydrogène, azote

Éléments chimiques apparus les premiers dans l’univers Les plus légers : H puis He. Les éléments plus lourds sont synthétisés dans les étoiles. Réactions nucléaires

Réaction Fusion nucléaire Fission nucléaire Critères

de distinction

Les fusions sont des réactions dont les produits ont un nombre de nucléons plus grand que les éléments initiaux

Les fissions sont des réactions dont les produits, au contraire, ont un nombre de nucléons plus faible

Exemple

12 nucléons + 12 nucléons ® 24 nucléons

1 nucléon + 235 nucléons ® 92 nucléons + 141 nucléons + 3 x 1 nucléons

Azote (N); 5,9

Carbone (C ); 26,3

Hydrogène (H); 9

Oxygène (O); 54

Phosphore (P); 1,7

Autre; 3

Composition moyenne de 3 êtres vivants en % d’éléments chimiques (en masse)

Azote (N) Carbone (C ) Fer (Fe) Helium (He)

Hydrogène (H) Magnésium (Mg) Nickel (Ni) Oxygène (O)

Phosphore (P) Silicium (Si) Autre

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L’équation n’est ni une réaction de fusion, ni une réaction de fission nucléaire puisque le nombre de nucléons ne varie pas (59 nucléons ® 59 nucléons) ! Éléments chimiques apparus lors…

- du Big Bang : noyaux d’hydrogène, de deutérium, d’hélium et de lithium - de la vie d’une étoile : noyau plus lourds que le lithium et jusqu’au fer : noyaux de carbone, oxygène, néon,

magnésium, silicium, soufre, fer - de l’explosion d’une super nova : éléments plus lourds que le Fer

Bilan à retenir Composition de l’Univers, de la Terre et des êtres vivants L’Univers, la Terre et les êtres vivants sont composés des mêmes éléments chimiques, dont l’ensemble est regroupé dans la classification périodique des éléments (ou classification de MENDELEÏEV). Ces éléments possèdent un noyau fait de nucléons (particules constitutives du noyau, c’est-à-dire des neutrons et des protons), autour de ce noyau gravitent des électrons et le tout est aussi essentiellement composé…. de vide ! Ces éléments

s’écrivent sous la forme : X!" où :

- X est le nom l’élément chimique - A le nombre de masse : A = nb de nucléons = nb de protons + nb de neutrons - Z le numéro atomique : Z = nb d’électrons Dans un atome électriquement neutre : nb de protons = nb d’électrons, du coup : nb de neutrons = A – Z

Éléments chimiques

Source : http://villemin.gerard.free.fr/aScience/PhyNucle/NbMasse_fichiers/image015.jpg

Cependant, ces éléments chimiques sont répartis dans des proportions différentes entre Univers, Terre et êtres vivants :

- la matière connue de l’Univers est formée principalement d’hydrogène (H) et d’hélium (He) ; - la Terre est surtout constituée d’oxygène (O), de fer (Fe), de silicium (Si), de magnésium (Mg), ; - les êtres vivants sont, eux, essentiellement formés de carbone (C), d’hydrogène (H), d’oxygène (O) et d’azote (N).

Formation des éléments chimiques Les réactions nucléaires sont des transformations au niveau d’un ou plusieurs noyaux atomiques (ce qui est différent d’une réaction chimique, qui ne concerne que les électrons ou les liaisons entre atomes). Il en existe 2 grands types :

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- la fusion nucléaire est le processus dans lequel des noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd ® les fusions sont des réactions dont les produits ont un nombre de nucléons plus grand que les éléments initiaux ;

- la fission nucléaire est le processus par lequel un atome lourd est scindé en deux noyaux (ou plus) plus légers ® les fusions sont des réactions dont les produits ont un nombre de nucléons plus faibles que les éléments initiaux ;

Si les noyaux d’hydrogène ( H! ) et d’hélium ( He" ) se sont initialement formés juste après le Big Bang (il y a environ 14 milliards d’années), les autres noyaux des atomes de la centaine d’éléments chimiques stables résultent en fait de réactions nucléaires de fusion qui se produisent au sein des étoiles (on parle de nucléosynthèse stellaire) à partir de l’hydrogène ( H! ) initial :

Formation des atomes d’hydrogène et d’hélium

Source : LE LIVRE SCOLAIRE, 1ère, Enseignement Scientifique, 2019

- les noyaux d’hydrogène fusionnent pour donner des noyaux d’hélium ( He" ) :

Fusions nucléaires pour former l’hélium

Source : https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fe/Fusion_dans_le_Soleil.svg/250px-Fusion_dans_le_Soleil.svg.png

- les noyaux d’hélium ( He" )fusionnent eux-mêmes pour donner naissance à des noyaux plus lourds comme le béryllium ( Be# ), qui fusionnent entre eux et avec d’autres noyaux déjà présents pour former des noyaux encore plus lourds, comme le carbone ( C!$ ), etc !

Fusions nucléaires pour former le béryllium et le carbone

Source : http://www.astrosurf.com/luxorion/Physique/reaction-triple-alpha-helions.jpg

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Selon le type d’étoiles, ce ne sont pas les mêmes éléments qui peuvent être formés : c’est dans les étoiles les plus massives que sont synthétisés le plus grand nombre d’éléments (du carbone jusqu’au fer).

Classification périodique donnant pour chaque élément son numéro atomique et son origine Ce tableau n’est évidemment pas à apprendre, mais à savoir lire/utiliser

Source : https://qph.fs.quoracdn.net/main-qimg-692ac5563f4790c63ba4a5558486c3ba

À la fin de leur vie, les étoiles suffisamment massives explosent (supernova), libérant dans l’Univers leurs noyaux, qui vont pouvoir ensuite aller s’associer à des électrons pour former la quasi-totalité des éléments chimiques connus. Les éléments qui nous composent ont donc vu leur noyau de former au sein d’étoiles qui ont explosés : nous sommes donc des poussières d’étoiles !

À compléter avec le livre de classe NATHAN p36, paragraphe « Origine des éléments chimiques »

NATHAN p36, mots-clés : élément chimique, particule élémentaire, Big Bang, atome d’hydrogène, fusion nucléaire, atome

Savoir-faire à acquérir O Produire et analyser différentes représentations graphiques de l’abondance des éléments chimiques (proportions) dans

l’Univers, la Terre, les êtres vivants. O Savoir identifier si une réaction nucléaire stellaire est une fusion ou une fission nucléaire.

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Exercice corrigé Sujet : Fusion ou fission ? Voici deux réactions nucléaires qui participent à la synthèse d’éléments chimiques et à la production d’énergie :

a) 1H + 14N → Be + 1H + 1H + 4He , qui prend place dans l’espace intersidéral ; b) 16O + 16O → Mg + 4He + 4He, qui a lieu dans les étoiles massives.

On rappelle que le nombre total de nucléons ne change pas lors d’une réaction nucléaire. Pour chaque réaction, complétez le numéro atomique Z et le nombre de masse A de chaque élément (cf. classification périodique) et indiquez s’il s’agit d’une réaction s’apparentant à une fission ou de fusion. Correction

Exercices (facultatifs) pour s’entraîner O NATHAN quizz 1 à 3 p39 O NATHAN exercice 3 p40, exercice 4 p41

Propositions pour ceux qui veulent aller plus loin O Dossier en ligne que la matière : https://www.lespritsorcier.org/dossier-semaine/origine-de-la-matiere/ O Article : Jean-Paul ZAHN, L’évolution des étoiles, Pour La Science, dossier n°30, Janvier 2001 O Livre sur l’histoire de notre Univers : Hubert REEVES, Poussières d’étoiles, Seuil

a) : réaction de fission nucléaire.

b) : réaction de fusion nucléaire.