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Enseignement scientifique · Classe de 1ʳᵉ

La matière dans l'Univers

Des premiers atomes après le Big Bang à la diversité des éléments chimiques — thème « Une longue histoire de la matière » (programme 1re générale)

À propos de cette page
Cette évaluation sur « La matière dans l'Univers » en première permet de faire le point sur ses connaissances en enseignement scientifique, comme lors d'un véritable contrôle. Elle suit le programme officiel de première et propose plusieurs exercices notés sur 20, avec un corrigé détaillé. Au programme : L'Univers et sa composition : les grandes structures, Les briques fondamentales de la matière : atomes et noyaux, La nucléosynthèse primordiale : les premiers éléments, La nucléosynthèse stellaire : forger les éléments dans les étoiles. Travaille seul, chronomètre-toi, puis compare tes réponses au corrigé pour identifier les points à revoir. Parfait pour mesurer ses progrès et réviser efficacement. Évaluation gratuite conçue par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de première en enseignement scientifique.
Évaluation finale · Niveau difficile · Durée 60 min · Noté sur 20
60:00

Évaluation complète de fin de chapitre, tout en niveau difficile. Travaille seul et sans aide, puis vérifie tes réponses avec le corrigé détaillé dépliable en bas de page.

Exercice 1 — Noyaux atomiques et isotopes

/ 4 pts
  1. Complète le tableau suivant pour les noyaux $^{12}_6\text{C}$, $^{14}_6\text{C}$ et $^{4}_2\text{He}$ : donne pour chacun le nombre de protons ($Z$), le nombre de neutrons ($A-Z$) et le nombre de masse ($A$).
  2. Les noyaux $^{12}_6\text{C}$ et $^{14}_6\text{C}$ sont-ils des isotopes ? Justifie.
  3. Donne la définition du nombre de masse $A$ et de l'énergie de liaison d'un noyau.

Exercice 2 — Nucléosynthèse et vie des étoiles

/ 5 pts
  1. Décris les deux grandes phases de la nucléosynthèse cosmique (primordiale et stellaire) en précisant quand et où elles ont lieu et quels éléments elles produisent.
  2. Explique pourquoi la fusion nucléaire s'arrête au fer dans le cœur des étoiles massives. Utilise la notion d'énergie de liaison par nucléon dans ta réponse.
  3. Lors d'une explosion de supernova, comment se forment les éléments plus lourds que le fer ? Quel processus est mis en jeu ?

Exercice 3 — Spectroscopie stellaire

/ 5 pts
  1. Un astronome analyse la lumière d'une étoile et observe des raies sombres sur fond continu. Quel type de spectre est-ce ? Explique son origine physique.
  2. Les raies de la série de Balmer de l'hydrogène se situent dans le domaine visible. La raie H$\alpha$ est à 656 nm, H$\beta$ à 486 nm et H$\gamma$ à 434 nm. Quelle raie est dans le rouge ? Laquelle est dans le violet ?
  3. En observant le spectre d'une étoile, on identifie les raies du sodium, du magnésium et du fer. Peut-on affirmer que ces éléments sont les plus abondants de cette étoile ? Justifie.

Exercice 4 — Abondance des éléments et origine cosmique

/ 3 pts
  1. Dans le tableau des abondances cosmiques, l'hydrogène (H) représente ≈ 74,9 % et l'hélium (He) ≈ 23,8 % en masse. Quelle fraction des éléments plus lourds que He cela laisse-t-il ?
  2. Pourquoi l'oxygène est-il l'élément le plus abondant de la croûte terrestre alors qu'il est bien moins abondant que H et He dans l'Univers ?
  3. Cite deux éléments présents dans le corps humain qui ont été synthétisés dans les étoiles (hors Big Bang).

Exercice 5 — Problème de synthèse : une étoile à neutrons révèle l'or cosmique

/ 3 pts
  1. En 2017, l'observatoire LIGO a détecté la fusion de deux étoiles à neutrons (événement GW170817). Cette fusion a produit un rayonnement électromagnétique dont le spectre a révélé la présence d'or, de platine et d'autres éléments lourds. Explique pourquoi cette observation constitue une confirmation du processus r.
  2. La fusion de deux étoiles à neutrons libère une quantité colossale de neutrons libres. Comment ces neutrons permettent-ils de former de l'or ($^{197}_{79}\text{Au}$) à partir d'un noyau de fer ($^{56}_{26}\text{Fe}$) ? Décris le mécanisme en 2-3 phrases.
  3. Quelle conclusion générale peut-on tirer sur l'origine de l'or que nous trouvons sur Terre ?
✓Corrigé détaillé

Exercice 1 — Noyaux atomiques et isotopes
Corrigé :
Tableau :
• $^{12}_6$C : Z=6 protons, A−Z=6 neutrons, A=12.
• $^{14}_6$C : Z=6 protons, A−Z=8 neutrons, A=14.
• $^4_2$He : Z=2 protons, A−Z=2 neutrons, A=4.
Isotopes ? Oui : $^{12}$C et $^{14}$C ont le même Z=6 (même élément, le carbone) mais des nombres de masse différents (A=12 et A=14). Ce sont bien des isotopes.
Définitions : $A$ = nombre total de nucléons (protons + neutrons). L'énergie de liaison est l'énergie qu'il faudrait fournir pour désintégrer complètement le noyau en nucléons libres ; elle mesure la stabilité du noyau.

Exercice 2 — Nucléosynthèse et vie des étoiles
Corrigé :
Deux phases : (1) Nucléosynthèse primordiale : 3 premières minutes après le Big Bang, à T > 10⁹ K. Produit H (≈75%), He (≈25%), D, Li en traces. (2) Nucléosynthèse stellaire : dans le cœur des étoiles sur des millions/milliards d'années. Les étoiles massives forgent les éléments de He jusqu'à Fe par fusions successives.
Arrêt au Fe : Le fer-56 possède l'énergie de liaison par nucléon maximale (≈8,79 MeV). Toute réaction de fusion impliquant du Fe produirait des noyaux moins stables, ce qui nécessiterait un apport d'énergie (réaction endothermique). La fusion ne peut donc plus alimenter la pression et s'arrête.
Éléments lourds : Lors de l'explosion de supernova, le flux de neutrons est extrêmement intense. Les noyaux capturent rapidement de nombreux neutrons (processus r = rapid neutron capture), puis se désintègrent par radioactivité bêta pour former des noyaux stables de plus en plus lourds (or, platine, uranium…).

Exercice 3 — Spectroscopie stellaire
Corrigé :
Type de spectre : C'est un spectre d'absorption. Origine : la photosphère (surface brillante) émet un spectre continu. Les couches atmosphériques plus froides et ténues absorbent certaines longueurs d'onde correspondant aux transitions électroniques des atomes présents. Cela crée des raies sombres à ces longueurs d'onde précises.
Raies : H$\alpha$ (656 nm) est dans le rouge ; H$\gamma$ (434 nm) est dans le violet. H$\beta$ (486 nm) est dans le bleu-vert.
Abondance : Non. La présence de raies spectrales indique que l'élément est présent, mais pas nécessairement qu'il est le plus abondant. La visibilité d'une raie dépend aussi de la température de l'étoile : si la température n'est pas dans la plage qui excite les transitions électroniques de l'hydrogène (par exemple), ses raies n'apparaissent pas, même si H est très abondant. La spectroscopie identifie la composition mais pas directement les proportions.

Exercice 4 — Abondance des éléments et origine cosmique
Corrigé :
Fraction éléments lourds : 100 − 74,9 − 23,8 = 1,3 % pour tous les éléments plus lourds que He.
Croûte terrestre : H et He sont gazeux et très légers ; lors de la formation de la Terre, ils se sont en grande partie échappés dans l'espace (faible gravité planétaire) ou ont été soufflés par le vent solaire. Les éléments lourds, formant des roches et des minéraux (oxydes, silicates), sont restés. C'est pourquoi O et Si dominent la croûte terrestre.
Éléments stellaires : Par exemple le carbone (C, synthétisé dans les étoiles géantes) et le fer (Fe, produit dans les étoiles massives). On peut aussi citer l'azote (N) et l'oxygène (O).

Exercice 5 — Problème de synthèse : une étoile à neutrons révèle l'or cosmique
Corrigé :
Confirmation du processus r : Le processus r prédit la formation d'éléments lourds (Au, Pt, U…) lors d'événements cataclysmiques générant un flux intense de neutrons. La détection de ces éléments dans le spectre lumineux de la kilonova GW170817 confirme directement que les fusions d'étoiles à neutrons sont bien un site de nucléosynthèse par processus r.
Mécanisme : Lors de la fusion, les noyaux (dont le fer) capturent très rapidement de nombreux neutrons (processus r = rapid neutron capture), formant des noyaux de plus en plus riches en neutrons. Ces noyaux instables se désintègrent ensuite par émission bêta (un neutron se transforme en proton + électron + antineutrino), augmentant $Z$ et produisant progressivement des noyaux stables de $Z$ élevé comme l'or ($Z=79$).
Conclusion : L'or présent sur Terre a été forgé dans des événements cosmiques violents (supernovas ou fusions d'étoiles à neutrons) survenus avant la formation du Système solaire, il y a plus de 4,6 milliards d'années. Il a ensuite été incorporé à la nébuleuse solaire lors de la formation de la Terre. Nous portons sur nous de l'or venu d'étoiles mortes.

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