Les élements des étoiles - correction

Ce questionnaire adresse davantage aux élèves scolarisés en Lycée.
Vous pouvez utiliser ce document pour réaliser la visite avec vos élèves et/ou construire un
questionnaire. Dans le cas où vous utilisez des questions du présent document, nous vous
conseillons de photocopier le plan de l’exposition et de respecter la numérotation des éléments et
des questions. De cette façon, vos élèves pourront se concentrer sur les éléments intéressants par
rapport à la thématique plutôt que chercher au hasard dans les 1500 m2 de l’exposition
Rendez-vous dans la salle pour écouter le récit du Big Bang raconté par Marc Lachièze-Rey,François Bouchet et Hubert Reeves. Puis dirigez-vous vers les panneaux « Big Bang, l'Univers àune histoire »situés derrière la salle de projection. 1/ Les premières « briques » de la matière se sont formées 10-12s après le Big Bang à une
température de 1016 K ( Kelvin ). Comment s'appellent ces particules ?
10-32 s avant le Big Bang, la physique actuelle n'est pas capable d'expliquer les événements. Ce
temps limite est appelé par les physiciens le temps de Planck. Après ce temps de Planck , la
théorie physique permet de donner une évolution de l'Univers . Ces théories sont confortées
par les recherches dans les accélérateur de particules et les analyses du rayonnement dit 3 K
( Rayonnement du fond cosmologique – RFC - ) . Le RFC a été analysé par les satellites
COBE et WMAP .
Les particules formées après le BigBang sont des quarks et de leptons . Cette soupe
primordiale était composée de particules et des antiparticules. Une majorité des physiciens
admettent qu'il existait alors une asymétrie entre la création des particules et les
antiparticules. De ce carnage cosmologique initial entre particules et antiparticules, la matière
sort victorieuse.
2/ Les hommes sont capables de récréer ces conditions extrêmes dans des machines complexes
appelées accélérateurs de particules. Comment s'appelle le dernier accélérateur européen ?
C'est le LHC ( Large Hadron Collider ) . Situé à la frontière Franco-Suisse, il a été mis en
fonctionnement en Septembre 2008. Il est enterré à 100 m de profondeur et forme un anneau
de 26,659 km de diamètre. C'est le plus puissant accélérateur de Particules au monde. Les
protons ( de la famille des hadrons) sont accélérés à des énergie de 7 TeV ( Tev : Téra
électroVolt ) .
En novembre 2010, les protons on été remplacés par par des ions de Plomb . L'énergie totale
de collision fût alors de 1150TeV !
1eV = 1,6 x 10-19J . L'électro Volt est une unité d'énergie utilisée pour les particules et
l'infiniment petit . Téra est un préfixe du système international d'unité - coefficient
multiplicatif équivalent à 1012. _ ( Pour information : kilo – x 103 , Méga – x106 , Giga – x109 ,
Téra x 1012, péta x1015 …. )
Bruno Evrard – Le Plus – Communauté Urbaine de Dunkerque
3/ Le français George Charpak a obtenu le prix Nobel de physique en 1992 pour ses travaux sur les
détecteurs de particules .Citer le nom d'un détecteur de particule du CERN ( centre d'étude sur la
recherche nucléaire )
Le détecteur Atlas est un détecteur aux dimensions impressionnantes : 46 m de long, 25 m de
large et 25 m de haut. Il pèse 7000 tonnes. Le 4 Juillet 2012, les scientifiques travaillant à Atlas
ont confirmé la détection d'une particule prédite par le théorie : le Boson de Higgs. Il détecte
aussi les particules Supersymétriques ( Su Sy ) . C'est une symétrie supposée de la physique
qui postule une relation profonde entre les particules de spin demi-entiers ( les fermions ) et
les particules de spin entiers ( les bosons). Cela engendre alors des interactions, objets de cette
recherche.
Le détecteur Delphi ( Detector with Lepton,Photon and Hadron Identification) . Ce détecteur
étudie les produits de collisions électron- positron.
4/ La « soupe primordiale de particules » se refroidit. Vers 1013 K , deux nucléons apparaissent .
Quels sont-ils ? Ce sont les protons ( 2 quarks up et 1 down )et les neutrons ( deux down et 1 up ) .
Auparavant, la température était telle que ces particules ne pouvaient exister. L'énorme
densité qui y régnait, engendrait des collisions terribles ne permettant pas la stabilité de ces
deux particules. A 1013K la température permet aux protons et neutrons d'être suffisamment
stables pour exister.
5/ Les premiers atomes apparaissent combien de temps après le début de l'expansion de l'Univers
( Big-Bang ) ?
1 à 3s après le big bang. Avant cette période , le milieu était beaucoup trop chaud et dense.
Les chocs innombrables ne permettait pas une stabilité suffisante des atomes.
6/ Sur le panneau « les emboîtements de la matière ordinaires », on y trouve les différentes briques
élémentaires de la matière : donner le nom des 6 quarks découverts
down, up, strange , charm, beauty , top ( bas , haut , étrange, charme, beauté et sommet )
L'existence des quarks up,down et strange est suggérée en 1964 par Gell-Mann et Zweig.
Cette même année, un peu plus tard, la théorie prévoit un autre quark: le quark charme.
En 1965, la théorie précise que les quarks d,u et s ne pourront pas être détectés et observés
directement.
En 1974, des particules contenant le quark charme sont détectés à l'université de Standford
et de Brookhaven. La présence de ce quark est confirmé en 1976 par la découverte du méson
charmé D° ( - composé de deux quarks : c et u ) .
Le cinquième quark -bottom - est découvert en 1978 au Fermilab .
Le dernier – top - est découvert en 1995 au même endroit .
7/ De quels quarks est composé le proton ? Le neutron ?
Voir 4
8/ De quoi sont composés les nucléons formant le noyau de l'atome ?
C'est le physicien Anglais – Ernest Rutherford – en 1911 qui donne impulsion sur
l'organisation interne des atomes. Il envoie un faisceau de particules alpha ( noyau d'hélium )
sur une feuille d'or. Ces particules traversaient la feuille d'or sans être déviées, et un petit
nombre d'entre-elles étaient déviées en la traversant ou étaient renvoyées en arrière.
Il conclut alors que le noyau concentre toute la masse de l'atome
En 1919, Rutherford prouve l'existence du proton dans le noyau atomique.
C'est en 1932 que James Chadwick découvre le neutron.
En conclusion, le noyau d'un atome est formé de nucléons: les neutrons et les protons
Bruno Evrard – Le Plus – Communauté Urbaine de Dunkerque 9/ De quoi est composé un atome ?
Un atome est composé d'un noyau et d'électrons. Dans un atome (électriquement neutre), il y
a autant de protons dans le noyau que d'électrons « virevoltants » autour de ce noyau.
Le proton possède une charge élémentaire positive +e=1,6 x10-19 C
L'électron possède une charge élémentaire négative -e= - 1,6 x10-19 C
La charge électrique du neutron étant nulle 0 C
C : unité de charge électrique – le Coulomb
10/ Il existe quatre grandes forces qui gouverne l'univers . Quelles sont ces quatre forces ?
1/ I nteraction forte : Elle est responsable de la cohésion de tous les hadrons, c'est à dire des
particules composées de quarks . Indirectement elle est à l'origine de la cohésion du noyau
des atomes. Sa portée est très faible et ne dépasse pas le diamètre d'un atome (De l'ordre de
10-15 m ).
2
/Interaction électromagnétique : Elle est responsable des phénomènes de notre vie courante –
lumière, électricité, magnétisme, chimie …. Sa portée est en théorie illimitée. Cependant
l'action de particules antagonistes ( charges + et charge - ) tendent à neutraliser ses effets.
Elle est cent fois moins forte que l'interaction forte.
3
/Interaction faible : Elle est responsable de la radioactivité bêta . Elle joue un rôle important
dans la fusion nucléaire entre deux noyaux d'atomes, la nucléosynthèse des étoiles. C'est aussi
elle qui rend possible la datation par le carbone 14.
Son rayon d'action est de courte portée ( 10-18 m ).
4
/ Gravitation : Interaction qui cause l'attraction entre deux corps possédant une masse. Elle
s'observe facilement par l'attraction terrestre. Elle est responsable de la révolution des
planètes, des marées, de la structure générale de notre Univers .
Elle a une portée infinie mais c'est la plus faible de toute les interactions citées : 1038 fois plus
faible que l'interaction forte.
11/ Citer un boson connu et la force qui est associée.
•8 gluons sont associés à l'interaction forte. C 'est la théorie chromodynamique qui décrit
l'interaction forte. La charge électrique d'un gluon est nulle . Sa masse est aussi nulle.
Charge : le gluon porte « des charges de couleur » : rouge ,vert ,bleu. Et une anti-charge de
couleur correspondante. Normalement 3 x 3 = 9 . Il devrait donc y avoir 9 gluons
correspondant à la combinaison des couleurs et des anti-couleurs. Or le théorie précise que
rouge et antirouge + vert et antivert + bleu et antibleu = 0. Il n'y a donc que 8 bosons.
•L
e photon est associé à l'interaction électromagnétique . Cette interaction engendre une force
attractive ou répulsive entre deux corps ayant une charge électrique. Dans certains conditions,
elle peut « créer » les ondes électromagnétiques parmi lesquelles on distingue la lumière, les
UV, Les IR, les ondes radios,.
•I nteraction faible -3 bosons vecteur W + ,W - , Z° . Cette interaction est causée par l'échange
entre ces bosons et son effet le plus connu est la radioactivité bêta.
12/ Le nombre de protons sera dénoté par Z , le nombre de neutrons par N et le nombre de nucléonspar A . ( A = Z+N ) Le nombre de nucléons correspond à la somme du nombre de protons et deneutrons. Indiquer le nombre de proton et de neutron dans le deutérium, l'hélium 3, l'hélium 4, et le lithium 7 Bruno Evrard – Le Plus – Communauté Urbaine de Dunkerque 13/ L'hydrogène est l'élément chimique le plus abondant dans l'univers . Quel est en pourcentage la
masse totale de l'hydrogène dans notre univers visible ?
La masse totale des atomes d'hydrogène composant notre Univers est de 76%.
Mais attention, cela représente tout de même 99% du nombre d'atomes de notre Univers !
14/ Rendez-vous à la borne : « Dans la chaleur des étoiles ». Tout commence par la fusion deux
atomes d'hydrogène. Lorsque deux atomes d'hydrogène fusionnent, ils forment un nouveau type
d'atome .Lequel ?
Compléter cette réaction de fusion nucléaire ( e+ : positron – l'antiparticule de l'électron - ,
ν : neutrino, γ : rayonnement très énergétique du spectre électromagnétique )
1H + 1 H 2 H + e+ + ν
L'atome produit est du deutérium : il est formé d'un proton et d'un neutron.
15 / La nucléosynthèse primordiale se poursuit . Quel éléments est produit lors de cette fusion ?
2 H + 1H 3He + γ
L'atome produit est de l'hélium 3 : il est formé d'un 2 protons et d'un neutron.
16 / Les deux éléments formés précédemment fusionnent de nouveau pour former un nouvel
élément. De quoi s'agit-il ?
3He 2 1H + 4 He
L'atome produit est de l'hélium 4 : il est formé d'un 2 protons et de 2 neutrons.
17/ « De cycle en cycle »
Une étoile comme notre soleil pourra transformer l'hélium en quel autre élément chimique à la
température de 6 x 107 K
C'est l'hélium qui se transforme en carbone
Elle se produit en 2 étapes :
4 He + 4 He 8Be
Le béryllium 8 est particulièrement instable et se désintègre rapidement mais parfois il entre
en collision avec un noyau d'hélium .
8Be + 4 He 12C
Contact : bruno.evrard@ac-lille.fr Sur le site du PLUS : www.le-plus.fr La version corrigée de ce questionnaire est également téléchargeable sur le site.
Bruno Evrard – Le Plus – Communauté Urbaine de Dunkerque 18 / A des températures plus élevées , d'autres éléments sont formés .
19/ Le fer est un élément très stable. Pourtant des élément chimiques plus lourds que le fer existent.
A quel moment de la vie des étoiles , les éléments plus lourds que le fer sont-ils produits ?
Les éléments lourds sont produits lors de l'explosion de la super nova
20/ Citer des éléments formés lors de cette ultime étape ?
Or , Platine
21/ Bilan sur la matière . Compléter le tableau suivant en citant deux éléments provenant
22/ Un scientifique Russe a consacré la majeure partie de sa vie à classer les éléments chimiques
dans un tableau : la classification périodique des éléments. Qui est ce chimiste Russe.
Il s'agit de Dimitri Mendeleiev ( Mendeléev Dmitrij Ivanovitch ) 1834 – 1907
C'est en 1869 qu'il publie une première ébauche de son tableau. Il affirme qu'arrangés selon
l'ordre des masses atomique, les éléments font apparaître une périodicité des propriétés.
23/ A l'aide de la borne interactive « fiche d'identification d'un élément » , choisir un des 36
premiers éléments et décrire les caractéristiques suivantes :
numéro atomique, masse atomique
symbole, état physique « naturel », température de fusion, température de d'ébullition, année de
découverte ou durant laquelle il a été isolé, Personne ayant identifié l'élément ou isolé l'élément, un
composé dans lequel on trouve cet élément .
Un exemple : le sodium
Symbole :Na ,
Solide dans les conditions dites normales
Température de fusion 97,8 °C,
Température de vaporisation 883 °C
Découvert en 1807 par Davy
On le trouve dans la soude, les lampes à vapeur de sodium, le sel de cuisine
Bruno Evrard – Le Plus – Communauté Urbaine de Dunkerque

Source: http://www.le-plus.fr/download/fichiers/expo-permanente/les-elements-des-etoiles-correction.pdf