Les éléments chimiques

ACTIVITES

 

A1. Les éléments chimiques dans les étoiles.

Les astrophysiciens identifient les éléments chimiques présents dans les étoiles en analysant leurs spectres lumineux.

Objectif : Comment peut-on déterminer la composition des étoiles à partir de leurs spectres lumineux ?

 

Doc 1 : Spectre du Soleil

Spectre 3

Le spectre d’une étoile est la superposition d’un spectre d’émission (d’origine thermique - fond coloré - et de raies d’absorption (spectre d’absorption, raies noires). La longueur d’onde des raies permet d’identifier les éléments chimiques présents dans l’étoile. Dans le cas du Soleil elles sont appelées « raies de Fraunhofer » du nom du physicien allemand qui les a observées au XIXe siècle. Les raies A à H ont été identifiées en 1814.

 

Doc 2 : Composition chimique de la photosphère

Une étoile est une masse gazeuse dans laquelle on trouve principalement de l'hydrogène et de l'hélium. Elle peut contenir aussi d'autres éléments chimiques, dont la nature et l'abondance dépendent de l'étoile. Tous les éléments chimiques de numéro atomique supérieur à 2 sont considérés comme des éléments lourds en astrophysique.

Elément Composition photosphérique (en masse)
Hydrogène (Z = 1) 73,46 %
Hélium (Z = 2) 24,85 %
Oxygène (Z = 8) 0,77 %
Carbone (Z = 6) 0,29 %
Fer (Z = 26) 0,16 %
Néon (Z = 10) 0,12%

 

 

 L’atome d’hydrogène est caractérisé par plusieurs raies lumineuses. Une des raies a une longueur d’onde de 656 nm. Peut-on identifier cette raie sur le spectre ?

• Tracer un diagramme circulaire donnant la composition chimique en pourcentage massique du Soleil. (Utiliser un tableur ou à la main)

• Expliquer comment identifier les éléments chimiques présents dans une étoile.

 

A2 La radioactivité, un phénomène naturel.

La radioactivité a été découverte par hasard par Henri Becquerel en 1896. L’étude de la désintégration du carbone 14 permet de comprendre ce phénomène.

 

Qu’est-ce que la radioactivité ?

Doc1 : Une découverte fortuite.

En 1896, Henri Becquerel étudie les propriétés de fluorescence des sels d’uranium en les exposant aux rayons solaires, puis en les déposant sur une plaque photographique. Après quelques minutes, la plaque est impressionnée comme si elle avait été exposée à la lumière. Henri Becquerel pense que ce sont les rayonnements absorbés par l’uranium qui sont réémis sous forme de rayons X vers la plaque.
C’est par hasard qu’il découvre que si les sels restent plusieurs jours dans un tiroir, une image apparaît également sur une plaque photographique à proximité ! Sa théorie sur la fluorescence des sels d’uranium est remise en cause. L’uranium émet des rayonnements de façon « naturelle ».

Doc2 : La loi de décroissance radioactive.

Dans un échantillon contenant au départ N0? atomes radioactifs, le nombre de noyaux décroît de telle sorte que le nombre N de noyaux est divisé par deux au bout d’une durée appelée « demi-vie » notée t1/2? et qui dépend de la nature du noyau. Par exemple, la demi-vie du carbone 14 vaut 5 730 ans.

Decroissance

 

Doc3 : La désintégration du carbone 14.

Le carbone14 (Z = 6) est un noyau radioactif instable, qui se désintègre en libérant un électron et en se transformant en un autre noyau, l'azote 14 (Z = 7). Dans le noyau, un neutron se transforme en proton en éjectant un électron. Le noyau ainsi formé se désexcite ensuite en émettant un roi à rayonnement gamma (γ).

C14bis 1

 

Définitions :

Fluorescence : propriété d'un corps qui, après avoir été éclairé, émet de la lumière.

Noyau radioactif : noyau instable qui se désintègre inéluctablement à un instant qui n'est pas prévisible.

 

 

• Quelles observations de Becquerel lui ont permis d’affirmer que la radioactivité est un phénomène naturel ?

•  Combien de temps faut-il pour que la population en carbone 14 d’un échantillon soit divisée par 2 ? Et par 4 ?

•  Donner la composition du noyau de carbone 14 (Z=6).

•  Identifiez la modification qui a eu lieu dans le noyau de l’atome de carbone 14 au cours de sa désintégration et écrivez l’équation de la désintégration.

•  Synthèse : expliquer le phénomène de radioactivité à travers l’exemple du carbone 14.

A3 L'origine des éléments chimiques.

Il existe près d’une centaine d’éléments chimiques dans l’Univers. Pourtant, dans une étoile, on trouve principalement de l’hydrogène et de l’hélium. Les éléments chimiques sont formés dans les étoiles au cours d’un ensemble de processus appelé "nucléosynthèse".

 

Comment les éléments chimiques sont-ils formés ?

 

Groupe 1 : Le Soleil, siège de réactions nucléaires de fusion.

 

Doc 1 : Nucléosynthèse primordiale.

Quelques secondes après le Big Bang, les particules élémentaires fusionnent pour former les premiers noyaux d'atomes d’hydrogène, d’hélium et de lithium.
Ces noyaux fusionnent ensuite pour former les deux isotopes de l’hydrogène (deutérium et tritium), l’hélium 3 et 4, le lithium 6 et 7, ainsi que le béryllium 7.
Environ 300 secondes après le Big Bang, la température et la densité deviennent trop faibles pour que les réactions de fusion continuent.

 

Doc 3 : Cycle CNO.

Cno2bis 2

Doc 2 : Nucléosynthèse stellaire.

Après la nucléosynthèse primordiale, les éléments plus lourds sont formés au sein des étoiles : c’est la nucléosynthèse stellaire. La fusion des atomes d’hydrogène peut s’expliquer selon deux mécanismes :
 

1. la chaîne "proton-proton" au cours de laquelle des protons (noyaux d’hydrogène) fusionnent pour former des noyaux d’hélium 4, les "particules alpha (α)". On peut résumer cette chaîne par l’équation suivante :

$ 4 \ p \longrightarrow ^4_2 He \ + \ 2 \ e ^+ + 2 \ \nu $

 

La réaction libère deux positons e + et deux neutrinos ν, ainsi que de l’énergie E. Cette réaction va se produire pendant la "séquence principale", la quasi-totalité de la vie de l’étoile.

2.  le cycle CNO

(voir doc 3.)

D’autres réactions ont lieu, et les éléments chimiques plus lourds (jusqu’à Z=26, le fer) sont formés.

 

Doc 4 : Nucléosynthèse explosive.

Au fur et à mesure des fusions, l’étoile forme des éléments de plus en plus lourds jusqu'au fer. Le cœur de l'étoile gagne en masse jusqu'à s'effondrer sous son propre poids en expulsant les couches externes de l'étoile. Les éléments plus lourds que le fer (Z>26) sont formés lors de cette explosion : c’est la nucléosynthèse explosive.

 

 

Décrire les principales étapes de la vie d’une étoile.

Écrire les équations du cycle CNO.

 

Groupe 2 : Les réactions nucléaires.

 

Doc 5 : La radioactivité naturelle.

Certains noyaux sont instables : on dit qu’ils sont radioactifs. La radioactivité est un phénomène naturel, qui se traduit par la "transmutation" d’un élément chimique instable, le "noyau père", en un autre, le "noyau fils" de façon inéluctable, aléatoire, spontanée et indépendante des conditions extérieures. Il existe plusieurs types de désintégration.
· La désintégration α? concerne les noyaux "trop gros", qui contiennent trop de neutrons et de protons pour que les interactions qui maintiennent la cohésion du noyau soient suffisantes. Ils se désintègrent en libérant une particule a (un noyau d’hélium 4).
· La désintégration β - concerne les noyaux qui contiennent trop de neutrons. Un neutron va donc transmuter (se transformer) en un proton, en libérant un électron.
· La désintégration β + concerne les noyaux qui contiennent trop de protons. Un proton va donc transmuter en un neutron, en libérant un positon (ou positron), antiparticule de l’électron

 

Doc 6 : La radioactivité naturelle.

Il existe deux types de réactions nucléaires "provoquées" : la fusion et la fission.
· La fusion est la réaction qui se produit entre deux noyaux de petite taille, et qui permet de former un noyau plus gros. Par exemple, un noyau de deutérium (hydrogène 2) et un noyau de tritium (hydrogène 3) fusionnent pour former un noyau d’hélium 4 en éjectant un neutron :

$^2_1 \ H \ + \ ^3_1 H \longrightarrow ^2_4 \ He \ + \ ^1_0 \ n $ 

?

· La fission est la réaction qui se produit lorsqu’une particule (neutron, proton) entre en collision avec un gros noyau. Celui-ci se casse en deux noyaux plus petits, en éjectant une ou plusieurs petites particules (neutron, proton). Par exemple, dans le cycle « CNO » qui se produit dans les étoiles, le noyau d’azote 15 bombardé par un proton se casse en un noyau d’hélium 4 et de carbone 12 :

$^16_7 N \ + \ ^1_1H \longrightarrow \ ^{12}_6 C + \ ^2_4He $

La fusion et la fission sont des réactions qui sont « provoquées », mais qui peuvent se produire dans les étoiles de façon « naturelle ». Elles ont besoin d’énergie pour se produire.

 

Doc 7 : La radioactivité artificielle.

On peut créer artificiellement des éléments chimiques. Irène Joliot-Curie (ci-dessous) et Frédéric Joliot ont été les premiers, en 1934, à réaliser la synthèse d’un isotope instable, le phosphore 30, à partir de l’aluminium 27 en le bombardant avec des noyaux d’hélium 4 (particule alpha). Le phosphore 30 ainsi formé a une demi-vie de 3 min 15 s et subit une désintégration β -.

Curie

 

• Identifiez les particules émises lors des trois formes de désintégration présentées.

• Donner les caractéristiques des réactions de fusion et fission.

• Expliquez à l'oral : la différence entre désintégration naturelle et réaction provoquée.

• Expliquez à l'oral : pourquoi le phosphore 30 est un élément qui n’existe pas dans la nature.

 

Groupe 3 : Abondance des éléments chimiques dans l'Univers.

 

Doc 8 : Les éléments chimiques dans l'Univers.

Abondance

 

 

Doc 9 : Abondance massique dans la croûte terrestre.

Elément Pourcentage massique
Oxygène (O) 46 %
Silicium (Si) 28 %
Aluminium (Al) 8 %
Fer (Fe) 6%
Calcium (Ca) 4 %
Autres 8%

 

 

Doc 10 : Abondance massique dans la croûte terrestre.

Concentration 1

 

Doc 11 : Abondance massique des éléments dans le monde vivant.

Porcentages 1

 

 

• Déterminez les valeurs de l’abondance relative des éléments plus abondants que le silicium dans l’Univers, selon la taille de leurs noyaux ?

• Avec un tableur réaliser les diagrammes circulaires de l’abondance des éléments dans la croûte terrestre et le sol lunaire.

• Comparez l’abondance des éléments chimiques dans les différents domaines.

 

Groupe 4 : Du Big Bang au développement de la vie.

 

Doc 12 : Histoire simplifiée de l'Univers.

Nul ne sait ce qui existait avant ou s’il existait un avant, mais le Big Bang est un modèle physique qui permet de décrire l’évolution de l’Univers depuis 13,7 milliards d’années.
Au départ, l’Univers devait être un mélange de quarks, d’électrons, de photons et de gluons. Ce mélange est appelé « soupe primordiale ». Cet état condensé aurait permis la formation des premiers protons et neutrons. Dans les quelques minutes qui ont suivi, la nucléosynthèse primordiale aurait eu lieu : les atomes d’hydrogène, d’hélium et de lithium se seraient formés.
L'Univers aurait ensuite diffusé un rayonnement, le fond diffus cosmologique, que l’on capte encore de nos jours, et qui constitue un des éléments essentiels en faveur du modèle du Big Bang.
Les premières galaxies, regroupant des milliards d’étoiles, auraient été formées 700 millions d’années plus tard. Notre planète, la Terre, se serait formée il y a 4,5 milliards d’années, peu de temps après notre Soleil. Il aurait fallu près d’un milliard d’années pour que les premières bactéries, à l’origine de la vie, y fassent leur apparition.

 

Doc 13 : Les conditions d'apparition de la vie.

Pour que la vie telle que nous la connaissons apparaisse sur une planète, il faut réunir plusieurs conditions :

la planète doit être rocheuse ;
 la température doit y être clémente, et les écarts entre les saisons, les jours et les nuits, peu importants ;
 la "gravité" doit être importante, pour retenir les éléments chimiques "biogènes" tels que le carbone et l’oxygène, mais pas trop importante pour permettre le mouvement ;
une atmosphère, qui permette un effet de serre, pour maintenir des températures agréables ;
la présence d’eau liquide.

 

 

Doc 14 : Les premiers instants de l'Univers.

Doc14

 

Doc 15 : Le schéma simplifié du Big Bang.

Bigbang 1

 

Réaliser une frise chronologique présentant les différentes étapes du Big Bang à l’apparition de la vie.

Expliquer les critères nécessaires à l’apparition de la vie.

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Commentaires

  • Ano
    • 1. Ano Le 24/09/2021
    Bonjour, c'est dommage qu'il n'y ai pas de correction en disponibilité. Je cherche des exercices pour m’entraîner en vu de mon contrôlé cependant sans correction je ne peux pas faire grand chose.
    • bob_coyote
      • bob_coyoteLe 02/10/2021
      Bonjour. Je veux bien t'aider, mais pose-moi des questions... On peut se donner RDV demain. Cordialement. Greg

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