Chapitre 1 — Les éléments chimiques : de leur formation à leur abondance
I. La nucléosynthèse primordiale
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.
Cette phase ne dure que quelques minutes, le temps que l'Univers refroidisse en dessous du seuil où les fusions nucléaires sont possibles. Elle fige la composition chimique initiale de l'Univers : environ 75 % de la masse sous forme d'hydrogène et 25 % sous forme d'hélium, les autres éléments n'existant alors qu'à l'état de tracés infimes. Cette proportion, mesurée aujourd'hui dans les étoiles les plus anciennes et dans le rayonnement fossile, constitue l'une des preuves majeures du modèle du Big Bang.
VocabulaireNucléon : proton ou neutron, constituant du noyau ; isotopes : noyaux d'un même élément (même nombre de protons Z) mais de nombre de nucléons A différent ; fusion nucléaire : réunion de deux noyaux légers en un noyau plus lourd, avec libération d'énergie.
II. La nucléosynthèse stellaire : fabriquer des éléments plus lourds
Propriété Au cœur d'une étoile, la fusion de noyaux d'hydrogène en noyaux d'hélium libère de l'énergie parce que la masse des produits est légèrement inférieure à la masse des réactifs : ce défaut de masse Δm est converti en énergie selon la relation d'Einstein E = Δm × c², où c = 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹ est la célérité de la lumière dans le vide.
E = Δm × c² · Δm = 4 m(¹H) − [m(⁴He) + 2 me]
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.
Méthode : calculer une énergie libérée par fusion nucléaire
Convertis toutes les masses en kilogrammes dans la même unité (noyaux, pas atomes, sauf indication contraire).
Calcule le défaut de masse Δm = masse des réactifs − masse des produits.
Applique E = Δm × c² avec c = 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹, en joules.
Convertis en MeV si besoin, en divisant par 1,602 × 10⁻¹³ J (1 MeV).
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.
III. Abondance des éléments : dans l'Univers et sur Terre
Remarque L'abondance des éléments n'est donc pas la même partout : elle dépend de l'histoire nucléaire de la matière considérée. L'Univers dans son ensemble reste dominé par l'hydrogène et l'hélium, hérités du Big Bang. La croûte terrestre, elle, s'est formée par accrétion de poussières issues d'anciennes étoiles mortes : elle est dominée par des éléments plus lourds, fabriqués par nucléosynthèse stellaire puis explosive.
Comparaison des abondances élémentaires : la composition de l'Univers hérite du Big Bang, celle de la croûte terrestre hérite de la nucléosynthèse stellaire et explosive.
Sur Terre, quatre éléments — oxygène, silicium, aluminium et fer — représentent à eux seuls plus de 85 % de la masse de la croûte terrestre, principalement combinés dans des silicates. L'hydrogène et l'hélium, si abondants dans l'Univers, sont ici quasiment absents : trop légers, ils se sont échappés de l'atmosphère primitive ou n'ont jamais été retenus par la gravité terrestre, sauf combinés dans l'eau (H₂O).
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.
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Chapitre 2 — Des édifices ordonnés : les cristaux
Chapitre 3 — Une structure complexe : la cellule vivante
Chapitre 4 — Le rayonnement solaire
Chapitre 5 — Le bilan radiatif terrestre
Chapitre 6 — La photosynthèse : une conversion biologique de l'énergie solaire