Au programme de ce chapitre
- I. La nucléosynthèse primordiale
- II. La nucléosynthèse stellaire : fabriquer des éléments plus lourds
- III. Abondance des éléments : dans l'Univers et sur Terre
- Méthodes et pièges à éviter
- Savoir-faire
- Exercices types corrigés
- Teste-toi — vrai ou faux ?
- Pièges fréquents et astuces
La définition à retenir
Définition La nucléosynthèse est l'ensemble des réactions nucléaires qui fabriquent les noyaux des éléments chimiques. Dans les toutes premières minutes qui suivent le Big Bang, l'Univers est si chaud que seuls les noyaux les plus simples peuvent se former : des protons (noyaux d'hydrogène ¹H), puis, par fusion, des noyaux d'hélium ⁴He et des tracés de lithium ⁷Li. On parle de nucléosynthèse primordiale.
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Un exemple corrigé
Exemple Dans le Soleil, quatre noyaux d'hydrogène fusionnent pour former un noyau d'hélium (avec émission de deux positons et deux neutrinos). Avec m(¹H) = 1,6726 × 10⁻²⁷ kg, m(⁴He) = 6,6447 × 10⁻²⁷ kg et me = 9,109 × 10⁻³¹ kg :
Δm = 4 × 1,6726 × 10⁻²⁷ − (6,6447 × 10⁻²⁷ + 2 × 9,109 × 10⁻³¹) = 4,39 × 10⁻²⁹ kg.
E = 4,39 × 10⁻²⁹ × (3,00 × 10⁸)² = 3,94 × 10⁻¹² J, soit environ 24,6 MeV par noyau d'hélium formé — une énergie colossale à l'échelle d'un noyau, libérée sous forme de rayonnement.
Δm = 4 × 1,6726 × 10⁻²⁷ − (6,6447 × 10⁻²⁷ + 2 × 9,109 × 10⁻³¹) = 4,39 × 10⁻²⁹ kg.
E = 4,39 × 10⁻²⁹ × (3,00 × 10⁸)² = 3,94 × 10⁻¹² J, soit environ 24,6 MeV par noyau d'hélium formé — une énergie colossale à l'échelle d'un noyau, libérée sous forme de rayonnement.
L'essentiel à retenir
- Big Bang : hydrogène et hélium ; étoiles et supernovae : éléments plus lourds.
- Un élément est défini par son nombre de protons (Z).
- Isotopes : même nombre de protons, nombre de neutrons différent.
- H (≈74 %) et He (≈24 %) dominent l'Univers en masse.
Les erreurs fréquentes à éviter
Piège — tout vient du Big Bang. Le Big Bang ne produit que les éléments légers (H, He) ; carbone, oxygène, fer sont forgés plus tard dans les étoiles.
Piège — confondre atome et élément. L'« élément » désigne tous les atomes de même Z ; ses isotopes sont des atomes du même élément avec des masses différentes.
Attention La fusion ne peut fabriquer des éléments de plus en plus lourds que jusqu'au fer (Z = 26) : au-delà, la fusion ne libère plus d'énergie, elle en consommerait. Les éléments plus lourds que le fer (or, plomb, uranium…) ne se forment pas dans le cœur des étoiles ordinaires, mais lors d'événements cataclysmiques : explosions de supernovae et fusions d'étoiles à neutrons, où des neutrons sont capturés en très grand nombre en quelques secondes.
L'astuce du prof
Astuce Pour ne pas confondre les deux nucléosynthèses au bac, retenez une phrase-clé : le Big Bang fabrique l'hydrogène et l'hélium (les deux éléments les plus légers), les étoiles vivantes fabriquent les éléments jusqu'au fer, et seule la mort violente d'une étoile (supernova, fusion d'étoiles à neutrons) fabrique les éléments plus lourds que le fer. Toute la matière qui nous constitue — le carbone de nos cellules, l'oxygène que nous respirons, le fer de notre sang — a ainsi été fabriquée dans le cœur ou lors de la mort d'étoiles disparues depuis longtemps : nous sommes, littéralement, faits de poussières d'étoiles.
Exercices corrigés
Cherche d'abord seul, puis ouvre la correction.
Exercice 1 — Éléments du Big Bang
Quels éléments sont formés en grande quantité juste après le Big Bang ?
Voir la correction
Essentiellement l'hydrogène et l'hélium.
Exercice 2 — Où naît le fer ?
D'où proviennent les atomes de fer présents sur Terre ?
Voir la correction
Du cœur des étoiles (fusion), dispersés par les supernovae : « nous sommes des poussières d'étoiles ».