Fiche de révision : Univers, éléments et radioactivité

📋 Plan du Cours

1. Tableau périodique et noyaux légers
2. Formation de l’univers et des éléments
3. Composition actuelle de l’univers
4. Structure des noyaux et isotopes
5. Fission fusion et transformations nucléaires
6. Radioactivité et décroissance nucléaire
7. Datation au carbone 14

📅 Repères chronologiques

1. 1896Henri Becquerel a découvert la radioactivité en montrant que l’uranium émet des rayonnements qui impressionnent les plaques photographiques
2. 1898Pierre et Marie Curie ont isolé les premiers éléments naturels radioactifs, le polonium et le radium
3. 1934Irène Curie et Frédéric Joliot ont créé les premiers éléments radioactifs artificiels
4. janvier 1958Le premier réacteur nucléaire civil français est entré en service à Marcoule
5. 1965Des ingénieurs de Bell Télécom ont découvert accidentellement le rayonnement fossile, observation qui a permis de confirmer l’existence du Big Bang

📖 1. Tableau périodique et noyaux légers

★ À maîtriser

• Dimitri Mendeleïev a établi le tableau périodique des éléments en 1869.

• Le tableau périodique contient 18 colonnes, 7 périodes et 118 éléments chimiques.

📌 Les éléments sont classés selon leur numéro atomique croissant, c’est-à-dire selon le nombre de protons de leur noyau, de gauche à droite et de haut en bas.

• Le noyau d’hydrogène le plus courant contient un proton, tandis que le noyau d’hélium le plus courant contient deux protons et deux neutrons.

Compléments

📌 Les éléments d’une même période possèdent des propriétés chimiques similaires et produisent le même type de réactions chimiques.

💡 Astuce mémo

Numéro atomique croissant : gauche à droite, puis de haut en bas

📖 2. Formation de l’univers et des éléments

★ À maîtriser

• Il y a 13,8 milliards d’années, l’univers s’est formé lors du Big Bang, une gigantesque explosion en un point minuscule ayant libéré la matière initialement sous forme de protons, de neutrons et d’électrons.

• Dans les 380 000 premières années après le Big Bang se sont formés les noyaux d’hydrogène, de deutérium et d’hélium.

• La fusion des noyaux légers d’hydrogène et d’hélium au cœur des étoiles produit des noyaux plus lourds comme le carbone, l’oxygène et l’azote.

• Les étoiles massives en fin de vie explosent en supernovæ et projettent dans l’espace les éléments formés en leur cœur, permettant la formation de nouvelles étoiles et de systèmes planétaires.

📌 Lors d’une transformation nucléaire, le nombre total de nucléons et la charge électrique globale se conservent.

Compléments

• Les télescopes permettent d’observer le passé de l’univers, car la lumière des astres éloignés met longtemps à parvenir jusqu’à nous.

• La présence de technétium 99 dans certaines étoiles montre qu’il a été produit récemment dans les étoiles, car sa période radioactive est beaucoup trop courte pour qu’il provienne du Big Bang vieux de 13,8 milliards d’années.

💡 Astuce mémo

Big Bang → noyaux légers → étoiles → éléments lourds

📖 3. Composition actuelle de l’univers

★ À maîtriser

• L’hydrogène représente 25 % de la masse de l’univers et 90 % de ses atomes, tandis que l’hélium représente 73 % de sa masse et 8 % de ses atomes.

• L’hydrogène et l’hélium représentent ensemble 98 % de la masse et 98 % du nombre des atomes de l’univers.

Compléments

• Les masses atomiques de l’hydrogène et de l’hélium sont respectivement de 1,00784 u et 4,00260 u.

• Sur Terre, l’hydrogène représente 0,20 % et l’hélium 0,00042 % des éléments présents.

💡 Astuce mémo

Hydrogène et hélium dominent l’univers, mais restent rares sur Terre

📖 4. Structure des noyaux et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Constitué d’un noyau formé de protons et de neutrons, appelé nucléons, autour duquel gravitent des électrons

★ À maîtriser

📌 Deux isotopes d’un même élément possèdent le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents, comme le carbone 12 et le carbone 14.

• Le carbone 12 contient 6 protons et 6 neutrons, tandis que le carbone 14 contient 6 protons et 8 neutrons.

Compléments

• L’uranium 235 et l’uranium 238 sont deux isotopes de l’uranium qui diffèrent par leur nombre de neutrons.

💡 Astuce mémo

Même élément, neutrons différents : c’est l’isotopie

📖 5. Fission fusion et transformations nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Transmutation : Transforme un noyau en un autre sans modifier le nombre total de nucléons, en transformant un proton en neutron ou inversement

★ À maîtriser

📌 La fission casse un noyau père en deux noyaux plus petits, tandis que la fusion réunit deux noyaux pour former un noyau plus gros.

📌 Dans les centrales nucléaires, la fission contrôlée utilise des noyaux d’uranium 235 fissiles et l’eau ralentit les neutrons pour entretenir la réaction en chaîne.

Compléments

• Le combustible des centrales n’est pas enrichi à plus de 5 % afin que la réaction nucléaire reste contrôlable.

💡 Astuce mémo

Fission : un gros noyau se divise ; fusion : deux noyaux s’unissent

📖 6. Radioactivité et décroissance nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Désintégration radioactive : Éjection spontanée de particules par un noyau instable afin de former un noyau fils plus stable
• Becquerel : Unité de mesure de l’activité radioactive, correspondant à une désintégration par seconde

• Demi-vie : Durée nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs initiaux se soient désintégrés

★ À maîtriser

• Les noyaux sont généralement stables, mais deviennent instables lorsqu’ils possèdent trop ou trop peu de neutrons pour que la force de cohésion agisse correctement.

• La demi-vie de l’uranium est de 4,5 milliards d’années ; une masse initiale de 1 kg devient 500 g après une demi-vie, 250 g après deux demi-vies et 125 g après trois demi-vies.

Compléments

• Le nombre de noyaux radioactifs diminue globalement au cours du temps, mais les fluctuations entre mesures proviennent du caractère statistique des désintégrations.

💡 Astuce mémo

Noyau instable → désintégration → noyau fils plus stable

📖 7. Datation au carbone 14

★ À maîtriser

• La datation au carbone 14 est principalement utilisée en archéologie pour dater des objets ou des tissus organiques.

• Le carbone 14 se forme dans la haute atmosphère lorsque des neutrons issus des rayons cosmiques interagissent avec des atomes d’azote ; il forme ensuite du dioxyde de carbone capté par les végétaux.

• Après la mort d’un organisme, la quantité de carbone 12 reste stable tandis que le carbone 14 se désintègre spontanément en azote 14.

• La demi-vie du carbone 14 est de 5730 ans.

• Les spécialistes datent un échantillon en mesurant sa radioactivité ou sa quantité de carbone 14, en calculant le rapport carbone 14-carbone 12, puis en utilisant une courbe de calibration.

Compléments

• Le carbone 14 représente environ un isotope pour 1 000 milliards d’isotopes de carbone 12 et il est radioactif.

• La courbe de calibration est nécessaire parce que la production atmosphérique de carbone 14 a varié au cours du temps, et elle permet de dater précisément des objets jusqu’à environ 50 000 ans.

💡 Astuce mémo

Mort de l’organisme → décroissance du carbone 14 → datation

📊 Tableaux de synthèse

Principales transformations nucléaires