Les éléments chimiques

Un élément chimique est défini par son nombre de protons, appelé numéro atomique et noté Z. Les noyaux contiennent des protons et généralement des neutrons ; ces particules sont les nucléons. Le nombre total de nucléons est noté A. Le nombre de neutrons vaut donc A − Z. Deux noyaux de même Z mais de nombres de neutrons différents appartiennent au même élément : ce sont des isotopes. Un atome neutre possède autant d’électrons que de protons. Gagner ou perdre des électrons forme un ion sans modifier l’élément, tandis qu’une transformation du noyau peut modifier celui-ci.

L’abondance d’un élément dépend du milieu étudié et de la grandeur comptée. La matière ordinaire de l’Univers est dominée par l’hydrogène et l’hélium. La composition globale de la Terre diffère de celle de sa croûte, et celle des êtres vivants met notamment en jeu carbone, hydrogène, oxygène et azote. Une proportion en nombre d’atomes n’est pas identique à une proportion en masse. Avant de comparer deux graphiques, il faut donc identifier le milieu, l’unité et la catégorie autres. Une couleur ou une hauteur de barre n’a de sens qu’avec une légende.

Les principaux éléments de la Terre ne sont pas ceux de l’Univers dans les mêmes proportions. Le fer, l’oxygène, le silicium et le magnésium jouent un rôle majeur dans sa composition globale. La croûte terrestre est notamment riche en oxygène et en silicium. L’hydrogène est très présent dans l’eau et, avec le carbone, l’oxygène et l’azote, dans la matière vivante. Comparer ces milieux exige de conserver la même convention de proportion et de préciser si l’on étudie la Terre entière, sa croûte ou un organisme.

Les noyaux ne sont pas tous apparus au même moment de l’histoire de l’Univers. Les premiers temps ont produit surtout les noyaux légers. Dans les étoiles, des réactions nucléaires construisent d’autres noyaux, et différents événements astrophysiques contribuent à la formation et à la dispersion des éléments plus lourds. Il faut éviter de présenter une étoile unique comme la fabrique de tous les éléments dans des conditions identiques. La nucléosynthèse désigne cet ensemble de processus de formation des noyaux. Les générations d’étoiles enrichissent progressivement la matière à partir de laquelle de nouveaux systèmes se constituent.

Une fusion assemble des noyaux légers pour former un noyau plus lourd, avec éventuellement d’autres particules émises. Une fission divise un noyau lourd en plusieurs noyaux plus légers, souvent avec des neutrons émis. Dans les deux cas, il s’agit d’une transformation nucléaire, différente d’une réaction chimique qui réorganise les électrons et les liaisons entre atomes. Lorsqu’une équation nucléaire est fournie, on peut vérifier la conservation du total des nucléons et de la charge électrique. Ces contrôles aident à lire l’équation ; ils ne prouvent pas à eux seuls qu’une réaction est réalisable dans n’importe quelles conditions.

Certains noyaux sont instables : ils se transforment spontanément en émettant des particules ou des rayonnements. Ce phénomène est la radioactivité. L’instant où un noyau particulier se désintégrera est aléatoire. Il n’est pas possible de désigner à l’avance la moitié précise des noyaux qui va disparaître. À l’échelle d’une grande population, une loi statistique décrit cependant l’évolution de l’effectif restant. La demi-vie, notée t½, est la durée au bout de laquelle cet effectif est divisé par deux dans le modèle. Elle caractérise le radionucléide étudié, pas l’âge du morceau de matière.

Si N₀ désigne le nombre initial de noyaux radioactifs, le modèle donne N = N₀ ÷ 2ⁿ après n demi-vies entières. Les divisions successives portent sur ce qui reste : après deux demi-vies, il reste un quart de l’effectif initial ; après trois, un huitième. La diminution absolue est donc de moins en moins grande pour des durées égales. Le modèle ne prévoit pas que tous les noyaux disparaissent après deux demi-vies. Il ne décrit pas non plus une perte de la moitié de toute la matière : les noyaux transformés et leurs produits doivent être distingués des noyaux radioactifs initiaux.

Pour lire une demi-vie sur une courbe, repère d’abord l’effectif initial, puis sa moitié sur l’axe vertical. Cherche le point de la courbe correspondant et projette sur l’axe du temps. La différence entre deux dates où l’effectif est divisé par deux fournit aussi une demi-vie. Vérifie l’unité : des heures et des années ne s’additionnent pas sans conversion. Une simulation peut illustrer le hasard avec des tirages répétés. Ses fluctuations ne contredisent pas le modèle collectif ; elles rappellent qu’un résultat particulier n’est pas exactement la moyenne attendue.

Une décroissance peut servir d’horloge lorsque l’état initial et les conditions du système sont suffisamment connus. Pour le carbone 14, on étudie notamment une matière issue d’un organisme dont les échanges de carbone ont cessé. Sa proportion de carbone 14 diminue ensuite. Une datation réelle demande de tenir compte des contaminations et de la variation du rapport initial, puis de comparer les résultats à des références de calibration. Un calcul scolaire donne un âge dans des hypothèses explicites ; il ne suffit pas à certifier la date exacte d’un objet archéologique.

Des radionucléides servent aussi en médecine, par exemple comme traceurs dont le rayonnement peut être détecté, ou dans des traitements utilisant les effets des rayonnements. L’intérêt d’un isotope dépend de plusieurs caractéristiques : nature du rayonnement, demi-vie et comportement dans l’organisme. Une demi-vie courte n’efface pas automatiquement tout risque. Les usages sont encadrés par des professionnels et des règles de radioprotection. Temps d’exposition, distance, écrans adaptés et maîtrise de la contamination contribuent à la protection selon les situations. Ces notions expliquent un principe scientifique ; elles ne constituent pas une consigne de manipulation d’une source radioactive.