- Relier la diversité des éléments chimiques de l'Univers aux réactions de fusion nucléaire se produisant au sein des étoiles.
- À partir d'une équation de réaction nucléaire fournie, reconnaître s'il s'agit d'une fusion ou d'une fission.
- Comprendre qu'un noyau instable se désintègre de manière spontanée et aléatoire (radioactivité) et distinguer les rayonnements alpha, bêta et gamma.
- Écrire l'équation d'une désintégration nucléaire et vérifier les lois de conservation du nombre de masse A et du numéro atomique Z.
- Définir et utiliser la notion de demi-vie pour calculer le nombre de noyaux restants ou dater un échantillon.
- Exploiter des documents historiques ou scientifiques (datation de la Terre, de météorites, d'objets archéologiques).
- Identifier des applications de la radioactivité en médecine, dans l'industrie et dans la recherche, et argumenter sur ses bénéfices et ses risques.
L'origine des éléments chimiques
Une origine stellaire
Juste après le Big Bang, l'Univers n'est composé que de particules élémentaires puis, très rapidement, des noyaux d'hydrogène et d'hélium. Tous les autres éléments chimiques connus aujourd'hui — carbone, oxygène, fer, or… — n'existaient pas encore : ils se sont formés bien plus tard, au cœur des étoiles.
La centaine d'éléments chimiques stables connus dans l'Univers résulte de réactions nucléaires de fusion, qui se produisent en permanence au cœur des étoiles à partir de l'hydrogène initial.
Abondance de la matière : trois réservoirs
La composition chimique de l'Univers observable, de la croûte terrestre et des êtres vivants diffère fortement, ce qui témoigne d'une longue histoire de tri et de transformation de la matière depuis le Big Bang.
| Réservoir | Éléments majoritaires |
|---|---|
| Univers observable | Hydrogène (≈ 92 %), hélium (≈ 8 %) |
| Croûte terrestre | Oxygène, silicium, fer, aluminium, magnésium |
| Êtres vivants | Carbone, hydrogène, oxygène, azote |
À partir du tableau ci-dessus, construisez un diagramme circulaire pour chacun des trois réservoirs, puis comparez la composition de la croûte terrestre et celle du corps humain à celle de l'Univers. Que remarquez-vous ?
Fusion et fission nucléaires
Au cours d'une réaction nucléaire, un ou plusieurs noyaux se transforment. Fusion et fission en sont les deux exemples étudiés cette année ; dans les deux cas, le nombre de masse A et le numéro atomique Z se conservent, et de grandes quantités d'énergie sont libérées.
| Réaction | Principe | Où ? |
|---|---|---|
| Fusion | Union de deux noyaux légers en un noyau plus lourd | Cœur des étoiles |
| Fission | Scission d'un noyau lourd en deux noyaux plus légers sous l'impact d'un neutron | Centrales nucléaires |
Dans une équation de réaction nucléaire $\ ^{A}_{Z}X$, la somme des nombres de masse A et la somme des numéros atomiques Z sont conservées de part et d'autre de la flèche. C'est ce qui permet, à partir d'une équation fournie, de retrouver un noyau manquant et d'identifier s'il s'agit d'une fusion ou d'une fission.
Connaître la composition d'une étoile : l'analyse spectrale
La composition chimique d'une étoile ne peut pas être déterminée en y prélevant de la matière. Au XIXe siècle, Fraunhofer observe des raies sombres (raies de Fraunhofer) dans le spectre de la lumière solaire. Les travaux de Bunsen et Kirchhoff montrent ensuite que ces raies spectrales sont caractéristiques de chaque élément chimique : en les comparant aux spectres connus, on peut identifier les éléments présents dans une étoile très éloignée.
Depuis le Big Bang : les atomes qui composent l'Univers
Cette activité s'appuie sur une courte vidéo présentant les premiers instants après le Big Bang, puis propose trois exercices : construire les diagrammes circulaires des trois réservoirs de matière, qualifier des équations nucléaires de fusion ou de fission, et comprendre comment l'analyse spectrale du Soleil renseigne sur sa composition chimique.
La radioactivité, une transformation nucléaire naturelle
Une découverte historique
En 1896, Henri Becquerel découvre presque par hasard que l'uranium émet spontanément un rayonnement invisible capable d'impressionner des plaques photographiques. Dès 1897, Marie et Pierre Curie isolent deux nouveaux éléments radioactifs, le polonium et le radium, et Marie Curie donne son nom au phénomène : la radioactivité.
- 1896Henri Becquerel découvre les « rayons uraniques » émis par l'uranium.
- 1897-1898Marie et Pierre Curie isolent le polonium et le radium à partir de la pechblende.
- 1903Prix Nobel de physique partagé entre Becquerel, Pierre et Marie Curie.
- 1911Marie Curie reçoit, seule, le prix Nobel de chimie.
- 1901-1930Premiers usages du radium en radiothérapie, naissance de la radiobiologie.
- Fin des années 1950Développement de l'imagerie médicale moderne (tomographie).
Définition et caractère aléatoire
Certains noyaux atomiques instables se désintègrent spontanément et irréversiblement en un noyau plus stable, en émettant un rayonnement. Pour un noyau isolé, l'instant précis de la désintégration est imprévisible : le phénomène est aléatoire. En revanche, à l'échelle d'un échantillon macroscopique contenant des milliards de noyaux, on observe une diminution régulière et prévisible de leur nombre au cours du temps.
Les trois types de rayonnements
| Rayonnement | Particule émise |
|---|---|
| Alpha (α) | Noyau d'hélium $^{4}_{2}He$ |
| Bêta (β) | Électron |
| Gamma (γ) | Photon très énergétique |
$^{226}_{88}Ra \rightarrow \ ^{222}_{86}Rn + \ ^{4}_{2}He$
Nombre de masse : 226 = 222 + 4 ✓ — Numéro atomique : 88 = 86 + 2 ✓. Les nombres de masse et de charge sont bien conservés au cours de cette désintégration alpha.
Entre 1871 et 1937, Ernest Rutherford bombarde une fine feuille d'or avec des particules alpha : la plupart la traversent, mais quelques-unes rebondissent fortement. Il en déduit que l'atome est constitué d'un noyau central très petit et chargé positivement, entouré d'un vaste espace presque vide — une expérience rendue possible par l'usage d'un rayonnement radioactif.
La radioactivité est utilisée en médecine (imagerie, radiothérapie), dans l'industrie (stérilisation, production d'électricité) et en recherche (datation). Une exposition trop importante peut provoquer des effets immédiats ou retardés, d'où la nécessité de mesures de protection strictes.
La radioactivité : une découverte, une théorie, des applications
Cette activité retrace la découverte de la radioactivité par Becquerel puis les Curie, fait construire et compléter la définition des trois rayonnements, vérifier les lois de conservation sur l'équation de désintégration du radium, puis relier applications bénéfiques (médecine, industrie) et effets néfastes de l'exposition aux rayonnements.
La demi-vie et la datation par la radioactivité
La notion de demi-vie
La demi-vie, notée $t_{1/2}$, d'un élément radioactif est la durée nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs initialement présents dans un échantillon macroscopique se soit désintégrée. Cette durée est propre à chaque isotope : elle vaut 5 730 ans pour le carbone 14, contre 4,5 milliards d'années pour l'uranium 238.
| Nombre de demi-vies écoulées | Proportion de noyaux restants |
|---|---|
| 1 | 50 % |
| 2 | 25 % |
| 3 | 12,5 % |
La datation au carbone 14
Le carbone 14 est un isotope radioactif présent en quantité constante dans l'atmosphère et absorbé par tous les êtres vivants. Dès qu'un organisme meurt, il cesse d'en assimiler : le carbone 14 qu'il contient se désintègre alors sans être renouvelé, ce qui permet d'estimer la date de sa mort à partir de la quantité résiduelle mesurée.
- Repérer sur l'axe vertical le nombre de noyaux de carbone 14 mesuré dans l'échantillon.
- Tracer une ligne horizontale jusqu'à la courbe de décroissance, puis une ligne verticale jusqu'à l'axe des temps.
- Lire l'âge de l'échantillon en années, correspondant au temps écoulé depuis la mort de l'organisme.
Dater les roches et l'âge de la Terre
Le carbone 14, de demi-vie trop courte, n'est pas adapté à la datation de roches vieilles de plusieurs milliards d'années : ses noyaux ont depuis longtemps entièrement disparu. Les géologues utilisent alors des radionucléides à très longue période, comme le couple Uranium/Plomb, en mesurant le rapport entre noyaux « pères » restants et noyaux « fils » produits. Cette méthode, appliquée aux plus vieilles roches terrestres et aux météorites, a permis d'établir l'âge de la Terre à 4,57 milliards d'années.
| Domaine | Application |
|---|---|
| Archéologie | Datation au carbone 14 de matières organiques mortes (bois, os) |
| Géologie | Couple Uranium/Plomb pour dater les roches et estimer l'âge de la Terre |
| Médecine | Imagerie médicale (traceurs, tomographie) et radiothérapie |
La datation par la radioactivité
À partir d'une courbe de décroissance du carbone 14, cette activité fait définir la notion de demi-vie, calculer une proportion de noyaux restants au bout de n demi-vies, puis dater un fragment de charbon de bois archéologique et expliquer pourquoi une autre méthode est nécessaire pour dater les roches les plus anciennes.
- Tous les éléments chimiques, sauf l'hydrogène et l'hélium, se sont formés par fusion nucléaire au cœur des étoiles.
- Fusion et fission conservent le nombre de masse A et le numéro atomique Z.
- Un noyau radioactif se désintègre spontanément et aléatoirement en émettant un rayonnement α, β ou γ.
- Demi-vie : $N = \dfrac{N_0}{2^{\,n}}$ — durée propre à chaque isotope.
- Le carbone 14 (t1/2 = 5 730 ans) date les matières organiques ; le couple Uranium/Plomb date les roches et donne l'âge de la Terre : 4,57 × 10⁹ ans.
- Ouverture : ces notions de noyau, de stabilité et de transformation nucléaire seront réinvesties pour comprendre d'autres phénomènes énergétiques à l'œuvre dans les étoiles et sur Terre.