LE SOLEIL (3) STRUCTURE INTERNE L’ATOME – UN PEU D’HISTOIRE. La notion d’atome est très ancienne. Dans la culture européenne, ce concept apparaît entre 500 et 300 av. J.C., dans les écrits des philosophes grecs LEUCIPPE, DEMOCRITE et EPICURE. Pour eux, la matière ordinaire est composées de particules insécables! Cette théorie, inédite à l’époque, contredisait les idées des premiers philosophes adeptes du principe de réalité! Au fil des siècles et des expérimentations, les hommes se sont aperçus que les produits se transforment: la métallurgie transforme le minerai en métal, les matériaux organiques se décomposent. Au Moyen Âge, les alchimistes constatent que ces transformations suivent des règles bien précises! Vers le milieu du 18ème siècle, les chimistes anglais et allemands étudient les gaz et LAVOISIER énonce son fameux principe que « rien ne se perd et rien ne se crée, tout se transforme ». Le physicien suisse Daniel BERNOULLI démontre que les gaz sont formés de particules qui s’entrechoquent! Le 19ème siècle voit le triomphe de la théorie atomique: par John DALTON , Louis Joseph GAY-LUSSAC, Amedeo AVROGADRO, Ivanovitch MENDELEÏEV et bien d’autres… Le 20ème siècle, sous l’impulsion de Niels BOHR, SCHRÖDINGER, HEISENBERG, voit l’émergence de la « mécanique » quantique. L’ATOME-GENERALITES On sait à présent que l’atome est composé d’un noyau, lui-même composé de particules appelées protons et neutrons, et autour duquel se déplacent d’autres particules appelées électrons. Le nombre de protons et de neutrons est identique pour un atome en état stable. Le nombre de protons est également identique au nombre d’électrons. Les protons sont chargés positivement et les électrons négativement: leur nombre étant égal, ces charges s’annulent. L’atome dans son état normal est neutre électriquement! La force qui maintient liés les protons et les neutrons est appelée force nucléaire forte. La force qui maintient les électrons autour du noyau est appelée force nucléaire faible. Les électrons gravitent autour du noyau selon des « orbites » précises correspondant à des niveaux d’énergie différents. Le nombre de protons et de neutrons du noyau définit la nature et les propriétés de chaque atome. PETIT RAPPEL de PHYSIQUE Modèle de Niels BOHR (ici, atomes de carbone, lithium et sodium) Dans le schéma couramment admis, l’atome se compose d’un noyau central composé de protons et de neutrons et entouré d’électrons. Le nombre de protons, chargés positivement, est égal au nombre d’électrons chargés négativement. Chaque proton est accompagné par un neutron, de charge électrique nulle, pour tout atome dans un état stable. C’est le modèle élaboré par Niels BOHR, physicien danois, en 1913. Il obtient le prix NOBEL de Physique en 1922 pour ses travaux en physique quantique. Les différents niveaux d’énergie d’un électron: les couches K,L,M, etc… Ions hydrogène LES IONS ET LES ISOTOPES Isotopes de l’hydrogène Un isotope d’un atome se forme lorsque le noyau de celui-ci capture un ou plusieurs neutrons supplémentaires. Les propriétés électriques de l’atome ne sont pas modifiées. L’exemple le plus connu est le fameux « carbone 14 ». Un ion se forme lorsque l’atome gagne ou perd un électron. La charge de l’atome devient ainsi négative (anion) ou positive (cation) selon le cas. NOTIONS DE CHIMIE : CLASSEMENT DE MENDELEÏEV Colonne 1: les alcalins; 2 : alcalino-terreux; 13: terreux; 14: carbonides 18: gaz rares. En gris: les métalloïdes ( col 3 à 12). INTERPRETATION DU TABLEAU Chaque case représentant un corps simple est affectée d’un numéro en haut et à gauche. Ce numéro (Z) indique à la fois le degré de complexité de l’élément du plus simple au plus complexe, le nombre de protons du noyau atomique et, par conséquent, le nombre d’électrons. Le centre de la case indique le nom de l’élément ( exemple H pour hydrogène, Fe pour fer etc…). En dessous se trouve un chiffre indiquant la masse de l’élément (A) du plus léger au plus lourd. Chaque colonne regroupe les éléments ayant à peu près les mêmes propriétés ou la même réactivité. Au-dessus de chaque colonne se trouve un chiffre romain qui indique la VALENCE des atomes concernés: la VALENCE est le nombre maximal d’atomes d’hydrogène auquel un atome courant peut se lier. Selon cette règle, plusieurs atomes peuvent se lier pour former des MOLECULES STRUCTURE INTERNE ET FONCTIONNEMENT DU SOLEIL Munis de ces quelques notions de base de Physique et de Chimie, nous pouvons à présent étudier la structure interne et le fonctionnement de notre Soleil qui nous servira de modèle pour les autres catégories d’étoiles! Une étoile ne naît jamais seule! Elle provient généralement d’un gigantesque nuage composé principalement d’hydrogène et d’hélium ainsi que de traces de métaux et de poussières. Ce nuage peut se fragmenter et donner naissance à plusieurs étoiles. Ainsi il est admis que notre Soleil s’est formé au sein d’un nuage qui a également formé plusieurs des étoiles de la Grande Ourse. Cela a été mis en évidence par l’étude des courants stellaires. Ce fragment de nuage (globule de BOK) va peu à peu se contracter sous l’effet de la force de la gravitation et se mettre en rotation, constituant ce qu’on appelle un disque d’accrétion. La condensation centrale « dévore » la matière la plus extérieure et augmente par là-même la force de gravité. La pression augmente dans le cœur et celui-ci s’échauffe de plus en plus. L’étoile entre alors dans une phase dite T Tauri ainsi nommée d’après une étoile variable. Son énergie provient non pas de réactions nucléaires de fusion mais uniquement de sa contraction gravitationnelle. A ce stade, la proto-étoile est vieille de 10 millions d’années. Elle est encore instable et sa luminosité est très grande du fait de son volume important. Il faudra encore une centaine de millions d’années pour que l’étoile se stabilise par l’amorçage de la fusion nucléaire. A ce moment là, gravitation et forces de fusion s’équilibrent exactement. Grande nébuleuse d’Orion. C’est une pouponnière d’étoiles Disques protostellaires dans la Nébuleuse d’Orion Etoile « T Tauri » dans le Taureau Le diamètre du disque d’accrétion d’une étoile en formation peut mesurer plusieurs fois le diamètre du système solaire. Les systèmes planétaires sont issus de ces disques. Disque d’accrétion d’une proto-étoile L’étoile devient stable quand la pression de radiation du cœur équilibre la gravité. Etoile adulte: équilibre entre gravité et fusion nucléaire STRUCTURE INTERNE DU SOLEIL Le NOYAU est le « moteur »du Soleil. Sa température s’élève à 15 millions de degrés. La pression y est énorme: 150 000 kg/m3. Son diamètre est d’environ 500 000 Km. Il est le siège des réactions nucléaires de fusion. La ZONE CONVECTIVE évacue la chaleur produite par une sorte de « bouillonnement »: la matière solaire remonte vers la photosphère, libère l’énergie et plonge ensuite vers la zone radiative. Ces cellules convectives forment les « FACULES » visibles sur la photosphère. La ZONE RADIATIVE, épaisse de 250 000 km transmet la chaleur par rayonnement vers l’extérieur sous forme de photons de haute énergie. Cette pression de radiation est très faible par rapport à la pression gazeuse (1/2500ème). Dans cette zone la température « tombe » à deux millions de degrés LA FUSION NUCLÉAIRE OU THERMONUCLÉAIRE Pendant très longtemps, les scientifiques se sont questionnés quant à la source de l’énergie produite par le Soleil. Camille FLAMMARION s’étonnait déjà en 1880 devant la puissante énergie de l’astre: « Il n’est pourtant pas impossible d’exprimer cette merveilleuse puissance, mais on peut avouer sans honte qu’il est impossible de la comprendre. La chaleur émise par le Soleil à chaque seconde est égale à celle qui résulterait de la combustion de onze quatrillions six cents mille milliards de tonnes de charbon de terre brûlant ensemble. Cette même chaleur ferait bouillir par heure deux trillions neuf cents milliards de kilomètres cubes d’eau à la température de la glace. Essayez de comprendre ! Que la fourmi essaye de boire l’océan! On peut faire une comparaison encore plus saisissante, si l’on songe que cette chaleur ferait bouillir à chaque seconde toute l’eau contenue dans les océan de la Terre. On avait pensé tout d’abord à l’énergie chimique car certaines réactions dégagent de la chaleur. Mais un système basé sur la combinaison hydrogène/oxygène autoriserait seulement une vie de 2650 ans pour notre astre. Nous sommes loin du compte! D’autres théories furent envisagées: chutes de météores, contractions du globe solaire. Cette dernière hypothèse fut admise pendant longtemps comme étant satisfaisante car elle faisait intervenir l’énergie potentielle de la gravité pour la transformer en chaleur. Mais, tous calculs faits, la durée de vie autorisée de notre étoile serait seulement de vingt millions d’années! Or la Terre est bien plus vieille, la géologie et les fossiles l’attestent! Ce qui semblait incompréhensible à FLAMARION est expliqué aujourd’hui par la physique nucléaire. LA RÉACTION PROTON-PROTON Le secret de la puissance du Soleil réside dans une réaction de fusion due à la température élevée qui règne en son cœur. Les scientifiques appellent cela le « cycle proton-proton » dans lequel quatre noyaux d’hydrogène fusionnent pour donner un noyau d’hélium. Il faut savoir que lorsque des noyaux atomiques fusionnent il y a une perte de masse pendant cette transformation. Ainsi, un gramme d’hydrogène transformé en hélium s’accompagne d’une perte de masse de 0,0071 gramme correspondant à une énergie (E=mc2) correspondant à 150 milliards de calories! Le Soleil perd donc à chaque seconde 4 millions de tonnes représentant la masse de l’énergie émise. En supposant que le Soleil soit constitué par 70% d’hydrogène et que 15% soit transformé en hélium, son espérance de vie est de 10 milliards d’années. Il lui reste donc environ 5 milliards d’années de vie! Deux noyaux d’hydrogène fusionnent et libèrent un positron (antiparticule de l’électron) et un neutrino. Le positron s’annihile immédiatement avec un électron. Un des deux noyaux se transforme en neutron. Cela donne un noyau de deutérium. Celui-ci fusionne avec un noyau d’hydrogène pour donner un noyau d’hélium 3 en libérant un rayon gamma. Deux noyaux d’hélium 3 fusionnent pour donner un noyau d’hélium 4 en libérant deux noyaux d’hydrogène. Cette énergie va lentement remonter vers la surface en se refroidissant et en se dégradant, les particules gamma se transformant en lumière visible. Ce processus de fusion est très lent car dans le cœur ionisé du Soleil, la probabilité d’union de 2 noyaux 1H est très faible. Ceci explique la longévité du Soleil! Les étoiles plus massives que le Soleil, donc plus chaudes, utilisent un autre cycle dit CNO (carbone-azote-oxygène) pour former de l’hélium en six réactions de fusion. VIE ET MORT DU SOLEIL Dans cinq milliards d’années le Soleil ayant épuisé presque tout son son combustible, la force de gravitation va reprendre son travail et comprimer le Soleil en faisant augmenter sa température ce qui aura pour conséquence de relancer la fusion de l’hydrogène restant. Le Soleil se mettra alors à enfler (100 fois son diamètre actuel) et dans son cœur l’hélium se mettra à fusionner en carbone ( flash de l’hélium). L’étoile se transformera en géante rouge tandis que le carbone fusionnera en azote et l’azote en oxygène. Le stade de géante rouge durera environ 500 millions d’années au cours desquelles elle perdra de la matière par ses vents stellaires. A la fin, son enveloppe se désagrègera laissant une nébuleuse planétaire, coquille de gaz entourant le cœur à nu. L’étoile sera une naine blanche qui se transformera en dix milliards d’années en naine noire, astre mort.