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LE SOLEIL (3)
STRUCTURE INTERNE
L’ATOME – UN PEU D’HISTOIRE.
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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
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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
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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
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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.