Le fer d’un clou, le carbone de ton crayon, l’oxygène que tu respires : d’où viennent tous ces atomes ? En classe de 3e, on découvre que l’origine de la matière se lit dans la structure de l’atome et dans l’histoire de l’Univers : certains atomes datent du Big Bang, d’autres sont fabriqués au cœur des étoiles.
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L’atome, brique de la matière
Toute la matière est constituée d’atomes. Un atome comprend un noyau, situé en son centre, entouré d’électrons qui se déplacent autour. Le noyau est formé de deux types de particules : les protons, de charge électrique positive, et les neutrons, sans charge. Protons et neutrons sont appelés des nucléons. Un électron porte une charge négative, égale à l’opposée de celle d’un proton.
Un atome est électriquement neutre : il possède autant d’électrons que de protons. Entre le noyau et les électrons, il n’y a que du vide : le noyau est environ 105 fois plus petit que l’atome, mais il concentre presque toute sa masse. Un nucléon pèse environ 1,67 × 10−27 kg, soit près de 1 800 fois plus qu’un électron (9,1 × 10−31 kg).
Élément chimique, numéro atomique et nombre de nucléons
Un élément chimique est défini par le nombre de protons de son noyau. Ce nombre s’appelle le numéro atomique, noté Z. Tous les atomes de numéro atomique 6 sont des atomes de carbone, quel que soit leur nombre de neutrons. Le nombre total de nucléons est noté A.
nombre de neutrons = A − Z
Pour un atome neutre : nombre d’électrons = nombre de protons = Z. Le noyau se note AZX, où X est le symbole de l’élément (par exemple 126C).
| Élément | Symbole | Z | A | Neutrons (A − Z) |
|---|---|---|---|---|
| Hydrogène | H | 1 | 1 | 0 |
| Hélium | He | 2 | 4 | 2 |
| Carbone | C | 6 | 12 | 6 |
| Oxygène | O | 8 | 16 | 8 |
| Sodium | Na | 11 | 23 | 12 |
| Fer | Fe | 26 | 56 | 30 |
Le noyau du sodium s’écrit 2311Na : il contient 11 protons, 23 − 11 = 12 neutrons, soit 23 nucléons. L’atome neutre possède 11 électrons.
Deux atomes d’un même élément qui n’ont pas le même nombre de neutrons sont des isotopes : le carbone 12 (6 neutrons) et le carbone 14 (8 neutrons) ont le même numéro atomique Z = 6 mais pas le même A.
L’origine de la matière : le Big Bang
Selon le modèle du Big Bang, l’Univers est né il y a environ 13,8 milliards d’années d’un état extrêmement chaud et dense, puis s’est dilaté et refroidi. En quelques minutes, des protons et des neutrons se sont assemblés pour former les premiers noyaux : surtout des noyaux d’hydrogène et d’hélium. Environ 380 000 ans plus tard, ces noyaux ont capturé des électrons : les premiers atomes sont apparus.
Après le Big Bang, la matière ordinaire est composée en masse d’environ 75 % d’hydrogène et 25 % d’hélium. Les autres éléments (carbone, oxygène, fer…) n’existaient pas encore, ou seulement en traces infimes.
Les étoiles fabriquent de nouveaux éléments
Dans le cœur d’une étoile, la température atteint des millions de degrés. Des noyaux d’hydrogène fusionnent pour former des noyaux d’hélium, en libérant une énorme quantité d’énergie : c’est cette fusion nucléaire qui fait briller le Soleil (environ 15 millions de degrés au centre).
Quand une étoile massive épuise son hydrogène, de nouvelles fusions forment des noyaux plus lourds : carbone, azote, oxygène, silicium, jusqu’au fer. Les éléments plus lourds que le fer, comme l’or ou l’uranium, se forment lors d’événements violents : l’explosion d’une étoile massive (supernova) ou la collision d’étoiles très denses. Ces explosions dispersent ensuite les atomes dans l’espace.
D’où vient la matière qui nous entoure ?
Il y a 4,6 milliards d’années, un nuage de gaz et de poussières, enrichi par les atomes issus d’étoiles disparues, s’est effondré sur lui-même pour former le Soleil et les planètes. La Terre et les êtres vivants contiennent donc des atomes forgés dans des étoiles : nous sommes faits de « poussières d’étoiles ». Les proportions diffèrent beaucoup selon l’endroit où l’on regarde.
Ne confonds pas atome et élément chimique : un atome est une particule, l’élément est défini par Z. Autre erreur : croire que la masse de l’atome est répartie sur tout son volume ; elle est presque entièrement dans le noyau. Enfin, le Big Bang n’a pas créé l’or ni le fer.
L’essentiel à retenir
- Un atome est neutre : un noyau (protons + neutrons = nucléons) entouré d’autant d’électrons que de protons.
- Le noyau est environ 105 fois plus petit que l’atome et concentre presque toute la masse.
- Un élément chimique est défini par Z, son numéro atomique ; neutrons = A − Z.
- Le Big Bang a donné surtout de l’hydrogène et de l’hélium (environ 75 % et 25 % en masse).
- Les étoiles fabriquent de l’hélium, puis des éléments jusqu’au fer ; les éléments plus lourds naissent dans les explosions d’étoiles.
- Les atomes de la Terre et des êtres vivants ont été formés dans des étoiles.