Chapitre 1
Activité 1 - documentaire
L'abondance des éléments chimiques dans l'Univers
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Introduction
Il existe dans l'Univers près d'une centaine d'éléments chimiques différents. Que ce soit dans les étoiles, sur Terre ou dans les êtres vivants, les proportions de ces éléments sont très différentes.
Comment les éléments chimiques sont-ils répartis dans l'Univers ?
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- La composition d'un noyau atomique
- Le symbole d'un noyau
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Documents
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Doc. 1La formation des premiers noyaux légers
Quelques secondes après le Big Bang, les particules élémentaires ont formé les premiers noyaux d'atomes d'hydrogène \mathrm{H}, d'hélium \mathrm{He} et de lithium \mathrm{Li}.
Ces noyaux ont ensuite fusionné pour former de nouvelles variétés isotopiques de l'hydrogène (le deutérium { }_{1}^{2} \mathrm{H} et le tritium { }_{1}^{3} \mathrm{H}), l'hélium 3 et 4, le lithium 6 et 7, ainsi que le béryllium 7. Cette première étape est appelée nucléosynthèse primordiale.
Environ 300 secondes après le Big Bang, la température et la densité sont devenues trop faibles : la nucléosynthèse primordiale s'est interrompue.
Ces noyaux ont ensuite fusionné pour former de nouvelles variétés isotopiques de l'hydrogène (le deutérium { }_{1}^{2} \mathrm{H} et le tritium { }_{1}^{3} \mathrm{H}), l'hélium 3 et 4, le lithium 6 et 7, ainsi que le béryllium 7. Cette première étape est appelée nucléosynthèse primordiale.
Environ 300 secondes après le Big Bang, la température et la densité sont devenues trop faibles : la nucléosynthèse primordiale s'est interrompue.
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Visionnez une de la fusion
au cœur des étoiles.
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Doc. 2La formation des noyaux lourds
Après la nucléosynthèse primordiale, les noyaux légers se sont rassemblés et ont commencé à former des noyaux plus lourds au sein des étoiles : ce processus est appelé nucléosynthèse stellaire.
La fusion des noyaux d'atomes d'hydrogène a notamment permis la formation de noyaux d'hélium 4. D'autres réactions se sont produites ensuite, et les noyaux atomiques plus lourds (jusqu'à Z=26 avec le fer \mathrm{Fe}) sont apparus au cœur des étoiles.
Au fur et à mesure des fusions, une étoile gagne en masse ce qui la conduit à s'effondrer sous l'effet de sa propre attraction gravitationnelle. Cet effondrement provoque l'expulsion des couches externes. De nouvelles fusions nucléaires ont alors lieu, ce qui permet la formation de noyaux plus lourds que le fer (Z>26). Ce phénomène est appelé nucléosynthèse explosive.
La fusion des noyaux d'atomes d'hydrogène a notamment permis la formation de noyaux d'hélium 4. D'autres réactions se sont produites ensuite, et les noyaux atomiques plus lourds (jusqu'à Z=26 avec le fer \mathrm{Fe}) sont apparus au cœur des étoiles.
Au fur et à mesure des fusions, une étoile gagne en masse ce qui la conduit à s'effondrer sous l'effet de sa propre attraction gravitationnelle. Cet effondrement provoque l'expulsion des couches externes. De nouvelles fusions nucléaires ont alors lieu, ce qui permet la formation de noyaux plus lourds que le fer (Z>26). Ce phénomène est appelé nucléosynthèse explosive.
Débris d'étoile de la nébuleuse du Voile. On y trouve la présence d'oxygène et de soufre formés par nucléosynthèse dans ce qui fut une étoile il y a 8 000 ans.
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Doc. 3Les éléments chimiques dans l'Univers
On connaît 118 éléments chimiques à ce jour mais leur abondance relative est très variable. Sur le graphique, N représente le nombre de noyaux de l'élément chimique dont le numéro atomique est Z, en les comparant à une population de référence de 106 noyaux de silicium \mathrm{Si}.
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Doc. 4L'abondance massique des éléments chimiques dans le monde du vivant
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Doc. 5L'abondance massique des éléments chimiques dans la croûte terrestre
| Élément | Pourcentage massique |
|---|---|
| Oxygène \mathrm{O} (Z = 8) | 46 % |
| Silicium \mathrm{Si} (Z = 14) | 28 % |
| Aluminium \mathrm{Al} (Z = 13) | 8 % |
| Fer \mathrm{Fe} (Z = 26) | 6 % |
| Calcium \mathrm{Ca} (Z = 20) | 4 % |
| Autres | 8 % |
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Doc. 6L'abondance massique des éléments chimiques sur le sol lunaire
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Doc. 7L'abondance massique des éléments chimiques dans la photosphère du Soleil
| Élément | Pourcentage massique |
|---|---|
| Hydrogène \mathrm{H} (Z = 1) | 73,46 % |
| Hélium \mathrm{He} ( Z= 2) | 24,85 % |
| Oxygène \mathrm{O} ( Z= 8) | 0,77 % |
| Carbone \mathrm{C} ( Z= 6) | 0,29 % |
| Fer \mathrm{Fe} (Z = 26) | 0,16 % |
| Néon \mathrm{Ne} (Z = 10) | 0,12 % |
| Autres | 0,35 % |
Abondance massique des éléments chimiques présents dans la
photosphère du Soleil.
Le Soleil est un astre dans lequel on trouve principalement de l'hydrogène \mathrm{H} et de l'hélium \mathrm{He}. Il contient aussi d'autres éléments chimiques, dont les proportions sont beaucoup plus faibles. En astrophysique, tous les éléments chimiques de numéro atomique Z supérieur à 2 sont considérés comme des « éléments lourds ».
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Abondance massique : rapport entre la masse d'un ensemble de noyaux d'un même élément chimique et la masse totale.
Abondance relative : rapport entre le nombre de noyaux d'un élément chimique et le nombre de noyaux d'un élément chimique de référence.
Croûte terrestre : enveloppe solide et superficielle de la Terre, qui a une épaisseur de l'ordre de 10 km.
Photosphère : couche externe superficielle d'une étoile.
Univers : ensemble de toute la matière, de tout ce qui existe.
Abondance relative : rapport entre le nombre de noyaux d'un élément chimique et le nombre de noyaux d'un élément chimique de référence.
Croûte terrestre : enveloppe solide et superficielle de la Terre, qui a une épaisseur de l'ordre de 10 km.
Photosphère : couche externe superficielle d'une étoile.
Univers : ensemble de toute la matière, de tout ce qui existe.
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Questions
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1. Doc. 1 et doc. 2 Décrivez les principales étapes de la formation des éléments chimiques dans l'Univers.
2. Doc. 3 Identifiez les deux éléments chimiques les plus abondants dans l'Univers. Combien de fois sont-ils plus présents que le silicium Si d'après les abondances relatives fournies ?
3. Doc. 5 et doc. 6 À l'aide de la fiche , réalisez des diagrammes circulaires de l'abondance massique des éléments dans la croûte terrestre et sur le sol lunaire.
4. Synthèse Réalisez un diagramme en bâtons empilés comparant l'abondance massique des éléments chimiques dans le monde du vivant, la croûte terrestre, le sol lunaire et la photosphère du Soleil.
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4. Synthèse Réalisez un diagramme en bâtons empilés comparant l'abondance massique des éléments chimiques dans le monde du vivant, la croûte terrestre, le sol lunaire et la photosphère du Soleil.
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