L'énergie qui est ensuite transformée en lumière dans l'étoile, selon un principe qui sera expliqué dans une autre partie de cet exposé, provient de la perte de masse de la matière constituant l'intérieur de l'étoile, lorsque se produisent les transformations nucléaires de fusion.
C'est Einstein qui en 1905 a étudié ce phénomène : il a constaté expérimentalement qu'une intéraction entre particules élémentaires pouvait s'accompagner d'une diminution de masse, (!)...Comme si de la matière disparaissait...L'étude des intéractions entre particules et antiparticules (électron et positron par exemple) montre leur disparition lorsqu'elles se heurtent à grande vitesse !
Ceci est troublant, habitué que nous sommes au principe de conservation de la matière : "rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme". Les mesures et calculs d'Einstein l'ont amené à contater que lorsque la masse du système étudié diminue, il apparaît de l'énergie, et ceci de manière proportionnelle. Il a alors établi la célèbre relation d'Einstein E=mC2 qui devrait plutôt s'écrire E=ΔmC2.
Schéma de principe :
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Etat initial
A+B
MA + MB
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→ |
Etat final
A et B transformés en C
Mc inférieur à MA + MB
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+ |
Energie libérée
E = [MA + MB - MC]C2
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La transformation de l'hydrogène en Hélium est la transformation nucléaire essentielle de la vie d'une étoile, elle s'effectue à 10 millions de degrés. Nous avons déjà vu le détail de cette transformation dans un précédent exposé. Le schéma bilan de cette réaction s'écrit :
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4 11H
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→ |
24He
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+ |
2 10e
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Le calcul montre que la masse finale est inférieure à la masse initiale, on peut donc calculer la quantité d'énergie libérée lors dela fusion de 4 noyaux d'hydrogène en un noyau d'hélium :
E = [4m H - m He - 2m e]C 2 = [6,6904.10 -27 - 6,6465.10 -27 ].(3.10 8)2 = 3,949 .10 -12 Joules
L'unité d'énergie est le Joule, cette énergie n'est pas adapté à l'échelle du noyau on lui préfère l'électron volt (qui est l'énergie que va acquérir un électron lorsqu'il est soumis à une tension égale à 1Volt) et le MégaélectronVolt (million d'eV) : on divise par e charge élémentaire pour passer du joule à l'électronvolt eV puis par 1 million pour passer de l'électronVolt au MégaélectronVolt MeV L'énergie calculée précédemment :
E = 24,68.10 6 eV = 24,68MeV
b) Le processus triple alpha
Le processus triple alpha est un processus qui se produit vers la fin de vie de l'étoile : Lorsque l'hydrogène commence à manquer, il se produit une brutale contraction du c½ur de l'étoile, il s'en suit une forte augmentation de température qui passe de l'ordre de 10 à 100 millions de degrés et de ce fait il peut y avoir fusion d'éléments plus lourds tels que les noyaux d'Hélium (appelés particules alpha) selon :
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3 24He |
→ |
612C
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+ |
2 00γ |
On remarque la même conservation du nombre de charges et du nombre de nucléons dans ce schéma bilan du processus triple alpha.
La particule γ est une radiation électromagnétique (un photon) comme la lumière, mais non visible et beaucoup plus énergétique. Elle ne correspond qu'à un transport d'énergie, c'est une particule sans masse.
3) EQUIVALENT THERMIQUE
Il est intéressant de comparer l'énergie produite au cours des transformations nucléaires à celle qui se produisent lors des combustions classiques comme celle du pétrole par exemple.
Prenons le cas du processus triple alpha et calculons l'énergie libérée lors de la formation d'un kilogramme de carbone. Il faut d'abord calculer combien il y a de noyaux de carbone dans un kg :
x = masse/masse du noyau de carbone = 1/1,99266.10-26 = 5,018.1025 noyaux
L'énergie libérée lors de la formation d'un noyau de carbone a été calculée, elle est égale à 6,75 .10 -13 Joules.
On en déduit facilement l'énergie libérée lors de la formation de x noyaux de carbone :E = 5,018.10 25 . 6,75 .10 -13 Joules = 3,387 .10 +13 Joules
On sait que la combustion du pétrole produit 42 MJ par kg 42 MégaJoules ou 42.10 6 J par kg de pétrole brûlé. On peut facilement calculer la quantité de pétrole nécessaire pour produire la quantitée d'énergie précédente :
42.10 6 Joules pour 1kg de pétrole
3,387.10 13 Joules ⇒ m = 806 531 kg = 806,531 tonnes de pétrole.
La quantité d'énergie produite lors de la formation de 1 kg de carbone au cours du processus triple alpha est identique à l'énergie produite lors de la combustion de 807 tonnes de pétrole !
Ceci permet de mieux comprendre l'énormité de l'énergie produite lors des transformations nucléaires, justifie l'utilisation de faibles quantité de réactifs et la longueur des différentes phases de la vie des étoiles.