Chapitre n°1
Enseignement scientifique de première générale
Partie A Partie n°1 Une longue histoire de la matière	1.2 Des édifices ordonnés : les cristaux
BO : Quelles sont les proportions des éléments chimiques de l’univers ? La nucléosynthèse, la demie vie d’un noyau radioactif.

I. La radioactivité un phénomène aléatoire ? 

1. Expérience de jets de dés pour une analogie avec la radioactivité

a.) Expérience

Nous allons étudier le lancer de plusieurs centaines de dés. Chaque fois qu’un as apparait il est éliminé, on compte le nombre de dés restants, on recommence ainsi  plusieurs fois à les lancer et les éliminer.
Cette expérience permet de simuler le temps qui s’écoule par les différents lancés pour des noyaux radioactifs. La désintégration radioactive est simulée par l’enlèvement des dés qui présente l’as.

b) Observation

On obtient les courbes suivantes

Nombre de dés restants au cours du temps	Nombre de noyaux radioactifs restants au cours du temps

b)  Interprétation 

Que démontre cette expérience ?

2. Le principe de la radioactivité  

La désintégration radioactive est un phénomène aléatoire et naturel.
Un noyau, dit instable, se transforme en un noyau ou d’autres noyaux en émettant des rayonnements.
Ce noyau peut se désintégrer à tout moment sans que rien ne puisse le prévoir.

II. Radioactivité

1. la découverte de la radioactivité

La découverte de la radioactivité, en 1895 par Becquerel fut fortuite.
L’émission de rayonnements lumineux invisibles, les rayons X, d’un échantillon d’uranium ne dépendait pas de son exposition ultérieure à la lumière du jour mais provenait de lui-même.
Une énergie jusqu’ alors secrète de la matière se révélait alors : ……………..
L’énergie nucléaire put ainsi se révéler et fut à l’origine d’une révolution scientifique et technique au 20émé siècle.

Vidéo:

Question

L’uranium est phosphorescent, c’est dans ce cadre que Becquerel l’étudia et découvrit la radioactivité. Qu’est-ce que la phosphorescence ?

2. La réaction nucléaire et son équation    

Un noyau se désintègre, lors d’une réaction de fission. Il se transforme en un autre noyau plus petit.
On associe à cette réaction une équation.
………………………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………………………..

• Exemple du carbone 14

Le carbone 14, est un isotope du carbone 12. Il se forme dans la haute atmosphère. Il se désintègre naturellement par la suite pour former de l’azote 14.
L’équation de cette désintégration est :       

e^– représente ici  un électron. En radioactivité on parle de particule β^–

Question :
Que signifie A=0   et Z=-1 pour l’électron ?

Question
Dans l’équation ci-dessus le principe de conservation de la charge et du nombre de nucléons sont est-il respecté ?

Exemple de l’uranium 238

L’uranium s’est formé au cours d’une implosion  sur une ancienne étoile que  notre Soleil.
Au bout d’un certain nombre de désintégrations qui durent plusieurs milliards d’années l’uranium se transforme en plomb

La première désintégration radioactive naturelle que subit l’uranium est :

Question :
Dans cette équation la charge et le nombre de nucléons sont-ils conservés ?

3. Les isotopes

Deux atomes isotopes ont le même nombre de protons et des nombres de nucléons différents.
Exemple du carbone 14

• L’atome  a un nombre atomique Z=……………. . il possède ………protons

           Il a un nombre de masse A=……………….,
Il  possède ……………….. nucléons et ………..neutrons.

• Les atomes  et  sont isotopes car ils ont le même nombre de ………..……………… et des nombre de neutrons………………………………..

4. La demi-vie

Lorsque l’on représente le nombre N de noyaux présents par rapport au temps en années on obtient le graphe ci-dessous et on retrouve la forme de la courbe tracée page2.

La période radioactive ou demi-vie, t_1/2 , d’un noyau est la durée au bout de laquelle le nombre N de noyaux initiaux a été divisé par deux.
Question
Quelle est la demi-vie du carbone 14 ?   ………………………………………………………………….

5. La datation

En mesurant le nombre de noyaux restants d’un échantillon on peut en déduire son âge.
Un échantillon   contient 100 noyaux de carbone 14 initialement et 25 aujourd’hui, quel est son âge ?   

III. Formation des éléments chimiques, Nucléosynthèse

1. La problématique

Comment peut on expliquer la variété des éléments chimiques présents autour de nous alors qu’au tout début de notre univers il n’en existait que deux ?

2. Les tous premiers éléments chimiques

a) Le spectre solaire et les éléments chimiques de son atmosphère

 Les raies noires dans le spectre solaire révèlent la présence des éléments chimiques tel que le  Fer, le Magnésium et l’Oxygène dans son atmosphère.
Pourtant notre soleil est une petite étoile, une naine jaune, qui pendant 10 milliards d’années consomme de l’hydrogène pour ne former que de l’hélium.
Ces éléments chimiques ont été créés avant notre système solaire.
Notre système solaire s’est donc constitué à partir d’éléments chimiques formés par une étoile plus grande que la nôtre et plus ancienne qui a disparu depuis.

b) Le Big bang

L’observation de l’univers a montré un grand nombre d’étoiles différentes.
L’étude de leurs spectres a démontré, pour celles hors de notre galaxie, qu’elles s’éloignaient presque toutes de nous.
Cette observation a amené les physiciens à concevoir le big bang comme une singularité initiale, soit une sorte d’explosion à partir du néant où les éléments chimiques tels que l’hydrogène et l’hélium se sont formés peu après, selon les proportions du tableau ci-contre.
Ces proportions sont encore d’actualité pour la plupart des étoiles.

c) Formation d’éléments chimiques par les étoiles

Des études mathématiques et des observations astronomiques ont montré que des étoiles fabriquent, lors de différentes phases de leur existence, tous les éléments chimiques présents sur Terre.

Notre étoile le soleil

Dans le cœur de l’étoile la température du gaz monte à des millions de degrés avec une immense pression. Les nucléides (noyaux d’atomes) fusionnent alors et forment d’autres noyaux avec libération d’énergie.

Dans notre soleil deux protons forment un isotope de l’hydrogène :  le deutérium.

Cette réaction est une fusion nucléaire où deux noyaux se combinent pour en former un autre.
 est une particule élémentaire de nombre de masse nul et de charge+1.
C’est un positron ou particule β+

 est un rayonnement gamma soit de la  lumière à très haute énergie.

Une autre réaction de fusion a lieu dans notre soleil :

Réaction de deux isotopes de l’hydrogène pour former de l’hélium avec émission d’un neutron

Ces réactions nucléaires créent des forces qui devraient dissocier l’étoile mais elles sont compensées par la gravité.

Les rayonnements émis mettent près d’un million d’année à quitter le cœur du soleil avant d’atteindre sa surface, mais ils se sont transformés alors en ultraviolet, et en lumière visible et infrarouge. 
Tant que l’hydrogène est présent l’étoile forme de nouveaux noyaux.
Notre soleil, dans 5 milliards d’années, épuisera ses réserves d’hydrogène et finira son existence en naine blanche de la taille de la Terre, car la gravité aura alors triomphé.

• D’autres étoiles

D’autres étoiles plus grosses que la notre, vivent moins longtemps.
Une fois l’hydrogène épuisé, elles réagissent, avec l’hélium pour former tous les éléments jusqu’au silicium pendant plusieurs millions d’années.
Mais une fois que le noyau de l’atome de fer est formé l’étoile ne peut plus se comprimer encore pour d’autres réactions nucléaires.
La gravité prend alors le dessus, en très peu de temps, l’étoile implose en formant tous les autres éléments du tableau périodique. Lorsque l’onde arrive près du noyau, elle « rebondit » et les couches externes de l’étoile sont expulsées pour former une supernova.

Question
Deux réactions nucléaires de fusion ont lieu dans les grandes étoiles en fin de vie. La gravité entraîne une contraction de l’étoile, l’hélium est alors soumis à des températures d’une centaine de milliards de degrés.
Sous cette température des noyaux de carbone se forment à partir du béryllium

Une première réaction est :

Un noyau de  se forme à partir de deux noyaux d’hélium  

La deuxième réaction est
Synthèse de  à partir de  et  
Ecrire les deux équations de ces réactions sans tenir compte des rayonnements gamma

d) Composition chimique terrestre et du corps humain  

Lors de la synthèse de notre système solaire, une zone particulière soumise au vent solaire a perdu certains éléments chimiques les plus légers.
Les plus lourds près du soleil se sont concentrés agrégés (accrétion) pour former des planètes telluriques dont notre Terre.
Notre distance très particulière au soleil a permis l’émergence de la vie.
La vie ensuite a concentré d’autres éléments chimiques présents à la surface de la Terre.
Ainsi les éléments chimiques qui nous constituent ne sont pas dans les mêmes proportions dans l’univers et dans notre Terre.

Exercices 1 à 10 pages 28 à 30

• C’est pas sorcier : Le soleil  https://www.youtube.com/watch?reload=9&v=F2zOHTOQg_U
• La radioactivité   https://www.youtube.com/watch?v=0LP5VaNqk58
• Mesure de Distances entre les étoiles, les céphéides :   https://www.youtube.com/watch?v=0pZCvB8ESe8
• Nucléosynthèse :  https://www.youtube.com/watch?v=IQ4TQDbktuI