Fiche de révision : Origine et transformations des éléments

📋 Plan du Cours

1. Formation des éléments chimiques
2. Abondance des éléments chimiques
3. Réactions nucléaires et radioactivité
4. Estimation et valeur de l’or
5. Transmutation du plomb et du mercure
6. Réactions nucléaires et isotopes

📖 1. Formation des éléments chimiques

★ À maîtriser

• La formation de l’Univers a commencé il y a 13,8 milliards d’années, dans un espace d’environ 10⁹ K composé de protons, de neutrons et d’électrons.

• La nucléosynthèse primordiale forme les noyaux de :

  • hydrogène
  • deutérium
  • tritium
  • hélium
  • lithium
  • béryllium

• La nucléosynthèse stellaire produit par fusion nucléaire, au cœur des étoiles, des éléments chimiques jusqu’à Z ≤ 26.

Compléments

📌 La formation des éléments de numéro atomique Z ≥ 27 nécessite de l’énergie et se déroule à la fin de vie des étoiles, lors de leur explosion.

• Les travaux de Hans Bethe en 1939 expliquent la transformation de l’hydrogène en hélium dans les étoiles par le cycle carbone-azote-oxygène.

• En 1951, Edwin Salpeter explique la transformation de l’hélium en carbone par la réaction dite triple alpha.

📐 Formule - La réaction triple alpha s’écrit $3\,{}^{4}_{2}\mathrm{He}\rightarrow{}^{12}_{6}\mathrm{C}$.

• À la fin de sa vie, une étoile explose et disperse ses noyaux dans l’Univers, contribuant à la formation d’autres étoiles, de planètes et d’êtres vivants sur Terre.

💡 Astuce mémo

Big Bang → nucléosynthèse primordiale → étoiles → explosions

📖 2. Abondance des éléments chimiques

★ À maîtriser

• La classification périodique répertorie les 118 éléments chimiques de l’Univers.

• L’Univers est composé de 75 % d’hydrogène, de 24 % d’hélium et de 1 % d’autres éléments.

• Les parts des éléments de la croûte terrestre sont :

  • 46,6 % d’oxygène
  • 27,7 % de silicium
  • 10,5 % de magnésium
  • 6,2 % de fer
  • 3,6 % de soufre
  • 2,9 % d’autres éléments

Compléments

• Les éléments cités pour le corps humain sont :
  • oxygène
  • carbone
  • hydrogène
  • azote
  • calcium
  • phosphore
  • potassium
  • soufre
  • sodium
  • chlore

📖 3. Réactions nucléaires et radioactivité

🔑 Notions clés & Définitions

• Fusion nucléaire : Réaction thermonucléaire où deux noyaux atomiques légers forment un noyau plus lourd en libérant de l’énergie sous forme de rayonnement gamma.
• Fission nucléaire : Division d’un noyau lourd en deux noyaux plus légers sous l’action d’un flux de neutrons ou de protons, avec libération d’énergie.
• Radioactivité : Transformation spontanée de certains isotopes en un autre noyau par une réaction nucléaire.
• Réaction nucléaire : Transformation de certains isotopes d’un élément chimique lorsqu’ils sont placés dans un environnement physique tel qu’une température ou un flux de neutrons.

📝 Points essentiels

• La fusion thermonucléaire nécessite des températures supérieures à 10 millions de degrés.

📐 Formule - La fusion du deutérium et du tritium s’écrit $^{2}_{1}\mathrm{D}+{}^{3}_{1}\mathrm{T}\rightarrow{}^{4}_{2}\mathrm{He}+{}^{1}_{0}\mathrm{n}$ et libère 17,6 MeV.

📐 Formule - La réaction de l’azote bombardé par un proton s’écrit $^{15}_{7}\mathrm{N}+{}^{1}_{1}\mathrm{p}\rightarrow{}^{12}_{6}\mathrm{C}+{}^{4}_{2}\mathrm{He}$ et libère 4,96 MeV.

• Le nombre de noyaux radioactifs évolue au cours du temps selon la loi de décroissance radioactive, représentée avec la demi-vie T₁/₂ et les repères 2T₁/₂, N₀/2 et N₀/4.

• L’isotope ¹⁴₆C sert à dater des objets de moins de 50 000 ans, notamment des tombeaux et des ossements.

💡 Astuce mémo

La fusion assemble des noyaux légers ; la fission divise un noyau lourd.

📖 4. Estimation et valeur de l’or

★ À maîtriser

📐 Formule - Avec une masse volumique de l’or de 19,3 g·cm⁻³ et un volume cubique de côté 21 cm, la masse calculée est $m = 19{,}3 \times 10^3 \times (21 \times 10^{-2})^3 = 1{,}79 \times 10^2\ \text{kg} = 1{,}79 \times 10^{-1}\ \text{t}$.

• En 2016, la Chine a extrait 455 tonnes d’or, soit 13 % de l’extraction mondiale, ce qui correspond à environ 3 500 tonnes extraites dans le monde.

📐 Formule - À partir du cours indiqué, le prix d’un gramme d’or est $\frac{1\,166{,}05}{31{,}1} \approx 38\ \text{€}$.

Compléments

• Le World Gold Council estime à environ 201 679 tonnes la quantité d’or extraite depuis le début de l’humanité.

• Le volume de l’or extrait dans le monde est comparable à celui d’un cube de 21 m de côté.

• Au 31 mai 2019, l’or cotait 1 305,00 USD par once, soit 1 166,05 EUR par once, une once correspondant à 31,1 g d’or.

📖 5. Transmutation du plomb et du mercure

★ À maîtriser

• Le mercure a pour numéro atomique Z = 80, l’or Z = 79 et le plomb Z = 82.

• Pour transformer un noyau de mercure en noyau d’or, il faut lui retirer un proton.

📌 La transformation du plomb en or est nucléaire, car elle modifie le noyau atomique.

• La masse d’or obtenue par bombardement de neutrons est proportionnelle à la durée du bombardement.

Compléments

• D’après leurs numéros atomiques, transformer un noyau de plomb en noyau d’or exige de retirer trois protons.

• La transformation du plomb en or exige beaucoup d’énergie et son coût de revient est infiniment supérieur au prix du marché ; produire un gramme peut coûter des centaines de millions d’euros.

• Au laboratoire d’Oak Ridge, une cible de mercure est bombardée par des protons de très haute énergie afin de produire des neutrons ; les collisions peuvent conduire à la transformation d’atomes de mercure en or, en quantité infime.

💡 Astuce mémo

Mercure → or : un proton à retirer ; plomb → or : trois.

📖 6. Réactions nucléaires et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Noyaux isotopes : Des noyaux qui ont le même nombre de protons et un nombre différent de neutrons.

★ À maîtriser

📌 La fission correspond à l’éclatement d’un noyau, tandis que la fusion correspond à la réunion de noyaux.

Compléments

• La réaction $^{235}_{92}\mathrm{U}+{}^{1}_{0}\mathrm{n}\rightarrow{}^{94}_{39}\mathrm{Y}+{}^{139}_{53}\mathrm{I}+3\,{}^{1}_{0}\mathrm{n}$ est une fission.

• La réaction $^{2}_{1}\mathrm{H}+{}^{3}_{1}\mathrm{H}\rightarrow{}^{4}_{2}\mathrm{He}+{}^{1}_{0}\mathrm{n}$ est une fusion.