NUCLÉOSYNTHÈSE

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Les processus de la nucléosynthèse

Une réaction nucléaire peut se décrire de façon tout à fait analogue à une réaction chimique avec cette différence qu'elle affecte les noyaux et non les atomes. Deux grandeurs physiques caractérisent toute réaction : la probabilité que celle-ci se produise (en fonction des paramètres physiques du milieu : température, densité, composition, etc.) et la chaleur ou énergie dégagée ou absorbée lorsque celle-ci a eu lieu. Les réactions nucléaires peuvent en effet être exothermiques (si elles libèrent de l'énergie) ou endothermiques (dans le cas contraire).

La probabilité d'une réaction nucléaire se mesure en termes de sections efficaces : la section efficace exprime le nombre de réactions qui se produisent par noyau cible et par unité de temps divisé par le flux de particules incidentes (un flux étant un nombre de particules mesuré par unité de surface et de temps, la section efficace ainsi définie a bien les dimensions d'une surface). L'énergie dégagée ou absorbée au cours de la réaction se calcule par application simple de la relation d'Einstein E = mc2. Soit une réaction A + B → C + D, si la masse des « enfants » C + D est inférieure à celle des « parents » A + B la réaction est exothermique et l'énergie libérée est égale à :

Dans le cas contraire la réaction est endothermique, il faut apporter une énergie minimale égale à :

appelée seuil de la réaction pour que celle-ci se produise effectivement.

Quatre types de réactions nucléaires interviennent dans la nucléosynthèse. Les deux premiers sont exothermiques et consistent en la fusion entre noyaux et l'absorption de neutrons par les noyaux lourds ; les deux autres sont endothermiques : ce sont les réactions de photodésintégration (comme on le verra dans la suite, ces réactions sont inverses des réactions précédentes) et les réactions de spallation.

Formation des éléments chimiques : processus

Diaporama : Formation des éléments chimiques : processus

Les quatre processus nucléosynthétiques intervenant dans la formation des éléments chimiques : en a, fusion de deux noyaux de carbone aboutissant à un noyau de magnésium avec émission d'énergie rayonnée par l'étoile (sous forme de photons) ; en b, transformation par absorption de... 

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Les réactions de fusion nucléaire

Les réactions de fusion nucléaire sont des réactions entre noyaux chargés positivement qui font passer de noyaux « parents » relativement légers à des noyaux « fils » plus lourds mais dont la masse totale est légèrement inférieure à celle de leurs parents. Par exemple, la masse d'un noyau d'hélium 4 est inférieure de 27 MeV à celle de la masse de quatre noyaux d'hydrogène. Un gramme d'hydrogène transformé en hélium dégage une énergie de 6,5 ( 1013 joules ou 2 ( 107 kWh, c'est-à-dire pourrait couvrir les besoins en électricité et gaz d'une famille de quatre personnes pendant mille à deux mille ans. Les différentes réactions de fusion qui interviennent pendant l'évolution des étoiles sont regroupées dans le tableau. Elles concernent la fusion de l'hydrogène, de l'hélium, du carbone et de l'oxygène. Comme on le voit, il s'agit de réactions entre noyaux chargés positivement, qui ont donc une tendance naturelle à se repousser. Il faut donc que le gaz de particules susceptibles de subir ces réactions de fusion soit suffisamment chaud pour que l'agitation thermique donne une probabilité suffisante aux noyaux de se rencontrer et donc éventuellement de réagir. On a montré en mécanique quantique que les réactions de fusion peuvent se produire malgré la répulsion électrique engendrée par les noyaux les uns sur les autres. Par application du principe d'incertitude d'Heisenberg, la particule incidente a une probabilité non nulle de se trouver au-delà de la barrière de Coulomb qui serait infranchissable si la nature obéissait à la mécanique classique préquantique. À mesure que l'énergie ou la vitesse relative des particules augmente, la barrière coulombienne devient plus mince et la probabilité de la réaction (ou la section efficace) augmente. C'est en raison de cet effet que la température du gaz dans lequel ces réactions de fusion exothermiques peuvent se produire est élevée (au moins dix millions de degrés dans le cas de la fusion de l'hydrogène) ; on ne peut donc la rencontrer qu'au centre des étoiles suffisamment massives pour que la contraction gravitationnelle chauffe le gaz à ces températures.

Processus

Tableau : Processus

Les quatre principaux processus nucléosynthétiques: leurs sites et les espèces chimiques qu'ils impliquent. 

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D'autre part, par application simple de la loi de Coulomb qui stipule que la force de répulsion est proportionnelle au produit des charges électriques, on constate que la barrière coulombienne est d'autant plus épaisse, et donc infranchissable, que le numéro atomique (donc la c [...]

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Nucléosynthèse, J. Audouze

Nucléosynthèse, J. Audouze
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  • : directeur de recherche émérite CNRS, Institut d'astrophysique de Paris

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Pour citer l’article

Jean AUDOUZE, « NUCLÉOSYNTHÈSE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/nucleosynthese/