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La composition chimique de l'Univers

L'Univers est formé de 118 éléments chimiques différents. L'hydrogène _{1}^{1} \mathrm{H} est l'élément chimique le plus abondant : il représente à lui seul près de 75 % des atomes présents dans l'Univers.

Sur Terre, on a observé 94 éléments chimiques à l'état naturel, 24 autres ont été créés artificiellement.

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La répartition des éléments chimiques

Les éléments sont répartis de manière inégale dans l'Univers : on trouve majoritairement de l'hydrogène et de l'hélium dans les étoiles, tandis que la Terre est formée principalement d'oxygène et de silicium.

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La fusion, à l'origine de la synthèse des noyaux

Selon les théories les plus récentes, les premiers atomes ont été formés quelques minutes après le « Big Bang ». L'Univers était alors extrêmement chaud (10⁹ K) et dense, les particules élémentaires se sont agglomérées pour former des noyaux d'hydrogène, de deutérium (^{2}_{1}\mathrm{H} ou ^{2}_1\mathrm{D}) et d'hélium et de lithium. Cette réaction nucléaire est appelée fusion nucléaire.

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Les réactions nucléaires au cœur des étoiles

Les autres éléments sont formés au sein des étoiles, formées par accrétion des atomes créés lors du Big Bang. Les noyaux légers fusionnent et produisent des noyaux plus lourds. On y trouve ainsi plusieurs éléments comme l'oxygène (Z=8), le carbone (Z=6), mais aussi des noyaux plus lourds comme le fer (Z=26).

Sous l'impact de neutrons ou d'autres particules légères, certains noyaux se cassent : c'est la fission.

Ces éléments chimiques sont dispersés à la fin de la vie de l'étoile.

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La radioactivité

Certains noyaux sont instables : on dit qu'ils sont radioactifs. La radioactivité est un phénomène naturel, qui résulte de la transmutation d'un noyau en un autre. Ainsi, les désintégrations successives ont contribué à la formation des 94 éléments chimiques que l'on trouve sur Terre.

La radioactivité est aléatoire, inéluctable, spontanée et indépendante de la substance dans laquelle le noyau radioactif se trouve.

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Évolution du nombre de noyaux et demi-vie

La population de noyaux d'un échantillon décroît au cours du temps, elle est divisée par deux au bout d'une durée appelée « demi-vie ».

Élément chimique : ensemble des entités de même numéro atomique.

Réaction nucléaire : transformation d'un élément chimique en un autre par modification du noyau atomique.

Fusion nucléaire : réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux atomiques légers s'assemblent pour former un noyau plus lourd.

Fission : réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau atomique lourd se sépare en deux noyaux atomiques plus légers.

Radioactivité : phénomène physique par lequel des noyaux atomiques instables se transforment spontanément en d'autres noyaux en émettant des particules (électrons, noyaux d'hélium, neutrons, etc.) et de l'énergie.

Transmutation : transformation d'un élément chimique en un autre par modification du noyau atomique.

Demi-vie : durée au bout de laquelle la moitié des noyaux radioactifs présents initialement ont disparu.

L'élément le plus stable est le fer (Z=26). Toutes les fusions nucléaires jusqu'au fer vont donc libérer de l'énergie et, réciproquement, il faudra fournir de l'énergie pour créer les éléments de numéro atomique supérieur à 26.
Pour cette raison, le fer est le dernier élément créé par le processus de fusion « classique ». Tous les autres éléments sont créés lors de l'explosion des étoiles à leur fin de vie.

Le carbone 14, utilisé pour dater des objets qui ont entre quelques centaines d'années et 50 000 ans, possède un temps de demi-vie d'environ 5 730 années. Cela signifie que dans le cas d'un échantillon vieux de 45 000 années, le nombre d'atomes sera 256 fois plus faible.