La composition de tout objet peut être donnée comme un ensemble d’abondances élémentaires et isotopiques. On peut parler, par exemple, de la composition de l’océan, du système solaire ou même de la Galaxie en termes d’abondances élémentaires et isotopiques respectives. Formellement, l’expression « abondances élémentaires » désigne généralement les quantités d’éléments dans un objet exprimées par rapport à un élément particulier (ou à un isotope de celui-ci) choisi comme étalon de comparaison. Les abondances isotopiques font référence aux proportions relatives des isotopes stables de chaque élément. Elles sont le plus souvent citées sous forme de pourcentages d’atomes, comme dans le tableau.
Depuis la fin des années 1930, les géochimistes, les astrophysiciens et les physiciens nucléaires se sont associés pour tenter d’expliquer le schéma observé des abondances élémentaires et isotopiques. Une image plus ou moins cohérente a émergé. On pense que l’hydrogène, une grande partie de l’hélium et certains isotopes du lithium se sont formés au moment du big bang, l’explosion primordiale dont l’univers est censé être issu. Le reste des éléments provient, directement ou indirectement, des étoiles. Les rayons cosmiques produisent une proportion non négligeable d’éléments dont le nombre de masse est compris entre 5 et 10 ; ces éléments sont relativement rares. De nombreuses preuves montrent que les étoiles synthétisent les éléments les plus lourds par des processus nucléaires appelés collectivement nucléosynthèse. En premier lieu, donc, la nucléosynthèse détermine le modèle d’abondance des éléments partout. Ce schéma n’est pas immuable, car toutes les étoiles ne sont pas identiques et, une fois que la matière s’échappe des étoiles, elle peut subir divers processus de séparation physique et chimique. Une petite planète nouvellement formée, par exemple, peut ne pas exercer une attraction gravitationnelle suffisante pour capturer les gaz légers que sont l’hydrogène et l’hélium. D’autre part, les processus qui modifient les abondances élémentaires modifient normalement les abondances isotopiques à un degré bien moindre. Ainsi, pratiquement tout le fer terrestre et météoritique analysé à ce jour est composé de 5,8 % de 54Fe, 91,72 % de 56Fe, 2,2 % de 57Fe et 0,28 % de 58Fe. Le tableau présente les abondances isotopiques des éléments stables et de quelques éléments radioactifs. La constance relative des abondances isotopiques permet d’établir des masses atomiques moyennes significatives pour les éléments. La disponibilité des masses atomiques est très importante pour les chimistes.
Bien qu’il y ait un accord général sur la façon dont les éléments se sont formés, l’interprétation des abondances élémentaires et isotopiques dans des corps spécifiques continue d’occuper l’attention des scientifiques. Ils obtiennent leurs données brutes de plusieurs sources. La plupart des connaissances concernant les abondances proviennent de l’étude de la Terre, des météorites et du Soleil.
Les estimations actuellement acceptées des abondances du système solaire (par opposition aux abondances terrestres) sont reconstituées principalement à partir de deux sources. Les analyses chimiques des chondrites carbonées de type I, un type particulier de météorite, fournissent des informations sur tous les éléments sauf les plus volatils – c’est-à-dire ceux qui existaient sous forme de gaz que le corps parent de la météorite ne pouvait pas piéger en quantités représentatives. L’analyse spectroscopique de la lumière du Soleil fournit des informations sur les éléments volatils déficients dans les météorites.
Dans la mesure où le Soleil ressemble aux autres étoiles, les abondances élémentaires et isotopiques du système solaire ont une signification universelle. Le modèle du système solaire présente plusieurs caractéristiques notables. Premièrement, les isotopes les plus légers, ceux de l’hydrogène et de l’hélium, constituent plus de 98 % de la masse ; les isotopes plus lourds représentent à peine 2 %. Deuxièmement, hormis les exceptions discutées ci-dessous, à mesure que A ou Z augmente dans le tableau périodique des éléments, les abondances diminuent généralement. Par exemple, le système solaire dans son ensemble contient environ un million de fois plus de carbone, d’azote et d’oxygène que les éléments beaucoup plus lourds que sont le platine et l’or, bien que les proportions de ces derniers puissent varier considérablement d’un objet à l’autre. La diminution de l’abondance avec l’augmentation de la masse reflète en partie la nature successive de la nucléosynthèse. Dans la nucléosynthèse, un nucléide de masse inférieure sert souvent de germe ou de cible pour la production d’un nucléide de masse supérieure. Comme la conversion de la cible de masse inférieure en produit de masse supérieure est généralement loin d’être complète, les abondances ont tendance à diminuer à mesure que la masse augmente. Une troisième caractéristique intéressante est que les isotopes stables ayant des nombres pairs de protons et de neutrons sont plus fréquents que les isotopes ayant des nombres impairs (ce que l’on appelle l’effet pair-impair). Sur les quelque 300 nucléides stables connus, seuls cinq ont des nombres impairs de protons et de neutrons ; plus de la moitié ont des valeurs paires de Z et de N. Quatrièmement, parmi les isotopes à Z et N pairs, certaines espèces se distinguent par leur stabilité nucléaire considérable et leurs abondances comparativement élevées. Les nucléides qui ont un nombre égal et pair de neutrons et de protons, les nucléides à « particules alpha », appartiennent à cette catégorie, qui comprend le carbone-12, le magnésium-24 et l’argon-36. Enfin, des pics dans la distribution de l’abondance apparaissent près des valeurs spéciales de Z et N définies ci-dessus comme des nombres magiques. Les abondances élevées manifestent la stabilité nucléaire supplémentaire que les nombres magiques confèrent. Les éléments présentant des abondances accrues comprennent le nickel (Z = 28), l’étain (Z = 50) et le plomb (Z = 82).
L’étude des rayons cosmiques et de la lumière émise par les étoiles donne des informations sur les abondances élémentaires et isotopiques en dehors du système solaire. Les rayons cosmiques sont des noyaux atomiques ou des électrons de haute énergie qui proviennent généralement de l’extérieur du système solaire. Le Soleil produit également des rayons cosmiques, mais d’une énergie moyenne beaucoup plus faible que ceux qui atteignent le système solaire depuis l’extérieur. Le schéma d’abondance des rayons cosmiques ressemble à celui du système solaire à bien des égards, ce qui suggère que les abondances solaires et galactiques globales pourraient être similaires. Deux explications ont été avancées pour expliquer pourquoi les abondances solaires et cosmiques ne concordent pas en tous points. La première est que les rayons cosmiques subissent des réactions nucléaires, c’est-à-dire des collisions qui transforment leurs noyaux, lorsqu’ils traversent la matière interstellaire. La seconde est que la matière provenant d’étoiles inhabituelles, aux compositions exotiques, peut être plus importante dans les rayons cosmiques.
La détermination des abondances élémentaires et isotopiques dans les étoiles de la Voie lactée et de galaxies plus lointaines pose de redoutables difficultés expérimentales. La recherche dans ce domaine est active et révèle des tendances dans la composition des étoiles qui sont cohérentes avec la théorie de la nucléosynthèse. La « métallicité » – ou proportion d’éléments lourds – des étoiles, par exemple, semble augmenter avec l’âge stellaire. En outre, on connaît de nombreuses étoiles dont la composition est très différente de celle du système solaire. Leur existence a conduit certains chercheurs à douter de la pertinence du concept d’abondance cosmique, par opposition à celle du système solaire. Pour le moment, il suffit peut-être de citer l’astrophysicien américain James W. Truran:
Le schéma local des abondances est généralement représentatif. Les caractéristiques d’abondance brute dans l’ensemble de notre galaxie, dans d’autres galaxies, et même apparemment dans les quasars, sont généralement similaires à celles de la matière du système solaire, ce qui témoigne du fait que les systèmes stellaires sous-jacents partagent les mêmes processus nucléosynthétiques.
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