Matière, atomes, noyaux


Introduction

Résumé

Au cours des premières secondes après le Big Bang, sont nés les éléments chimiques les plus légers : hydrogène, hélium, lithium et des traces de béryllium. C'est la nucléosynthèse primordiale. Tous les atomes d'hydrogène de l'Univers ont été créés dans le Big Bang : pas loin de 75% de la masse de la matière ! Quant aux autres éléments chimiques, le carbone, l'oxygène, le fer, l'or, ils sont tous nés dans des étoiles, fabriqués à partir d'éléments plus simples comme l'hydrogène et l'hélium. Une simple molécule d'eau (H2O) contient donc de l'hydrogène, témoin des trois premières minutes après le Big Bang, et de l'oxygène, né dans un creuset stellaire.


Les atomes

Toute la matière qui nous entoure, la matière "ordinaire" est composée d'atomes. Mais d'où viennent ces atomes ? Prenons l'exemple de la molécule d'ADN, support de l'information génétique, qui est le fondement de toute la biologie. Cette molécule est constituée d'une série d'éléments appelés nucléotides, chaque nucléotide comprenant trois parties : un groupe phosphate avec un atome de phosphore relié à quatre atomes d'oxygène, un sucre à cinq atomes de carbone, et une base azotée contenant des atomes d'hydrogène, de carbone et d'azote. Pour fabriquer de l'ADN, il faut donc disposer des éléments chimiques suivants : l'hydrogène (H), le carbone (C), l'azote (N), l'oxygène (O) et du phosphore (P). D'où viennent donc tous ces éléments ? A cette question, ce n'est pas la biologie qui doit répondre, mais bien cette branche de l'astrophysique qui étudie la nucléosynthèse!

Le terme de nucléosynthèse désigne tous les processus de fabrication des noyaux atomiques. Donnons pour commencer une description schématique de la structure atomique. Les atomes sont constitués d'un noyau entouré d'un cortège d'électrons, particules chargées négativement. Le noyau contient des protons, chargés positivement et en nombre égal à celui des électrons (un atome n'a pas de charge électrique, au contraire d'un ion qui peut être chargé positivement ou négativement), et des neutrons, qui sont neutres électriquement comme leur nom l'indique. Protons et neutrons, qui ont à peu près la même masse, sont 1800 fois plus massifs que les électrons. Le nombre de protons s'appelle le numéro atomique Z et permet de différencier les éléments chimiques entre eux. Le numéro atomique de l'hydrogène est 1 : le noyau d'hydrogène contient un proton. Quant au noyau d'hélium (Z = 2), il contient deux protons et deux neutrons. Le lithium que nous verrons apparaître pendant le Big Bang, et qui entre dans la composition des batteries des ordinateurs portables (batteries "lithium-ion"), a trois protons (Z = 3).

Le numéro atomique permet de ranger les atomes par masse croissante dans une table, appelée table périodique des éléments, ou encore tableau de Mendeleiev, d'après le chimiste russe qui en a proposé la première version en 1868 :

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Isotopes

La plupart des éléments existent en plusieurs "variétés" appelées isotopes, qui se différencient par leur nombre de neutrons. Ces isotopes ont les mêmes propriétés chimiques (celles-ci ne dépendent que du nombre d'électrons). L'isotope 14 du carbone, qui est radioactif et qu'on utilise pour les datations, contient ainsi 8 neutrons alors que le carbone normal, le carbone 12, en contient 6. Le chiffre 14 du carbone 14, qu'on écrit 14C, est le nombre de masse A, il est égal à la somme du nombre de protons et de neutrons.

Les éléments les plus légers ont eux aussi leurs isotopes : l'hydrogène en a trois, l'hydrogène normal, le deutérium, avec un proton et un neutron (noté D) et le tritium, dont le noyau contient un proton et deux neutrons. L'hélium existe sous forme d'3He et d'4He.

Les noyaux des éléments les plus légers
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Les noyaux d'hydrogène, de deutérium, des deux isotopes de l'hélium et du lithium.
Crédit : Astrophysique sur Mesure / Florence Durret, Fabienne Casoli et Gilles Bessou

Constituants élémentaires de la matière

Protons, neutrons, et quarks

Dans l'état actuel des connaissances, les physiciens pensent que les électrons n'ont pas de structure interne : ce sont donc réellement des particules élémentaires. Par contre, les constituants du noyau atomique, les nucléons (les protons et les neutrons) contiennent chacun 3 des constituants élémentaires appelés quarks : des quarks up (notés u), de charge électrique +2/3 de la valeur absolue de la charge d'un électron, des quarks down (notés d), de charge électrique -1/3 de la valeur absolue de la charge d'un électron. Les protons sont constitués de deux quarks up et d'un quark down (uud). Les neutrons sont constitués d'un quark up et de deux quarks down (udd).


La fabrication des éléments chimiques

Alchimie cosmique

Pour fabriquer des éléments de plus en plus lourds, il semblerait qu'il suffise d'ajouter quelques protons et neutrons à un noyau déjà existant. En réalité, ces réactions de fusion ne sont pas si faciles. Si on veut approcher un proton ou un noyau, chargé positivement, d'un noyau qui est lui aussi chargé positivement, il va falloir se battre contre la répulsion électrostatique entre ces charges. Pour y arriver, il faut des températures très élevées, largement supérieures au million de degrés : l'agitation thermique des noyaux contrebalance alors la répulsion. On trouve des températures aussi élevées soit dans les premières minutes de l'Univers, soit au centre des étoiles.

La grande question sous-jacente à l'étude de la nucléosynthèse est donc, à partir des abondances observées pour les éléments, de reconstituer leur histoire, de déterminer où ils se sont formés, et bien sûr, de reproduire les abondances observées : la prédominance de l'hydrogène, le fait qu'environ 25% en masse est constitué d'hélium, etc. On remarque sur la figure que l'hydrogène et l'hélium sont de loin les éléments les plus abondants dans l'Univers. Les éléments situés entre l'hélium et le carbone sont sous-abondants. Les éléments les plus abondants après H et He sont le carbone, l'oxygène, le magnésium, le silicium, et le fer. Ce sont aussi les noyaux les plus stables de l'Univers. Le pic d'abondance au niveau du fer est dû à la stabilité exceptionnelle de ce noyau.

Abondances des éléments
Hydrogène H 1 000 000
Hélium He 85 000
Oxygène O 680
Carbone C 330
Azote N 83
Néon Ne 120
Silicium Si 35
Fer Fe 32
Magnésium Mg 38
Soufre S 21
Aluminium Al 3
Sodium Na 2
Nickel Ni 2
Calcium Ca 2
Argon Ar 1
total des autres éléments 2

abondances relatives (figure)

Nombre d'atomes de chaque élément chimique dans l'Univers (par million d'atomes d'hydrogène). Ces abondances ont pour la plupart été déterminées dans le Soleil ou dans certaines météorites très primitives, les "chondrites carbonées". L'Univers est pour l'essentiel constitué d'hydrogène et d'hélium. La composition de la Terre et des planètes telluriques est très différente de celle du reste de l'Univers!

abondance.jpg
Abondance des éléments chimiques dans l'Univers rapportée à celle du silicium (Si), prise arbitrairement à 106.
Crédit : CEA

Exercices : les atomes

exerciceIsotopes de l'hélium

Difficulté :    Temps : 5 min

Question 1)

Combien le noyau d'3He contient-il de neutrons et de protons ? Même question pour le noyau d'4He.

Question 2)

Comment noter le deutérium sous la forme xH ? Même question pour le tritium.

exerciceQuels sont ces éléments?

Difficulté :   

Question 1)

De quel élément chimique s'agit-il ?

Quels sont ces élements?
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Crédit : Astrophysique sur Mesure / Florence Durret, Fabienne Casoli et Gilles Bessou


Réponses aux exercices

pages_la-matiere/bb-exo-atomes.html

Exercice 'Quels sont ces éléments?'