Sciences de la terre et de l’Univers

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1 Sciences de la terre et de l’Univers
La Géologie englobe la totalité des disciplines qui s’intéressent aux sciences de la terre. Elle étudie la constitution et l’histoire de la terre. Parmi ses disciplines on citera essentiellement :

2 La pétrologie : Science qui vise l’étude des roches.
La paléontologie : Science qui étudie les êtres vivants anciens (restes ou traces d’activités). La géodynamique externe : Science qui étudie les forces qui sont à la surface de la terre tel que : Le gel, le vent, les pluies, etc. dont l’effet est l’érosion des roches, leur transport et leur dépôts. La géodynamique interne : Science qui s’intéresse aux manifestations externes engendrées par les séismes, les volcans etc. Sédimentologie : Etude des roches sédimentaires et milieux de leurs formations et leurs évolutions. Tectonique : Etude des déformations qui affectent l’écorce terrestre. Hydrogéologie : Etude des ressources en eau de la terre. Métallogénie : Etude des gisements de métaux. Géotechnique : Science qui vise les travaux d’équipement (route, barrage..) Géophysique : Etude de la structure d’ensemble du globe terrestre et des mouvement qui l’affectent. Géomorphologie : étude des formes de la surface de la terre, description et explication des reliefs actuels.

3 Sciences de l’Univers INTRODUCTION :
La cosmologie étudie la naissance, la forme, l’évolution et la mort de l’univers. Plusieurs astronomes étudient l’univers par des instruments et des techniques dont les plus importantes sont les télescopes qui permettent la collecte de la lumière, des étoiles, des rayonnements électromagnétiques, des ondes radio, de l’infra rouge et des rayons X. Il existe en effet deux types d’appareils pour l’étude de la lumière venue du ciel : Les télescopes qui concentrent la lumière à l’aide de miroirs Les lunettes astronomiques qui utilisent des lentilles.

4 I/ Schéma de fonctionnement d’un télescope

5 1-1/ Fonctionnement des télescopes
Les télescopes collectent la lumière grâce à des miroirs concaves et les dirigent vers des équipements d’enregistrement situés hors de la partie mobile de l’appareil. Une fois captée, la lumière est décomposée en différentes longueurs d’onde grâce à un spectrographe. Des ordinateurs analysent les résultats et nous indiquent la température des objets et leurs compositions.

6 Place de la Terre dans l’espace
1- L’Univers L’Univers est constitué à plus de 99,9999 % de vide. La matière qui occupe le reste, se présente sous des formes, aspects et tailles différents. Les plus grandes manifestations de la matière de l’Univers sont les galaxies qui sont formées d’un grand nombre d'étoiles, de poussières et de gaz interstellaires dont la cohésion est assurée par la gravitation. De point de vue forme, on trouve quatre types de galaxies :

7 les galaxies elliptiques qui présentent une forme ovale, sans structure interne et de brillance à peu près uniforme et qui sont principalement composées d'étoiles vieilles et rouges ;  les galaxies spirales qui sont essentiellement constituées de deux éléments, un noyau sphérique ou bulbe entouré d'un disque de matière dans lequel apparaît la structure spirale. Dans ce type de galaxies, chaque étoile tourne en rond autour du noyau et c'est ce mouvement orbital qui donne naissance à une force centrifuge qui empêche l’effondrement de l’ensemble. La rotation globale de la galaxie est également responsable de son aplatissement et de la formation du disque ; les galaxies lenticulaires qui est un cas intermédiaire entre les spirales et les elliptiques ; les galaxies de formes irrégulières qui n'entrent pas dans les trois groupes précédents.

8 galaxie elliptique

9 galaxie spirale

10 galaxie lenticulaire

11 Galaxie irrégulière

12 Le système solaire est constitué de
La Voie Lactée C’est la galaxie à laquelle appartient le système solaire Elle appartient à la catégorie des galaxies spirales. Elle contient quelques centaines de milliards d'étoiles, dont le soleil. Le système solaire est constitué de huit planètes, d’un million d’astéroïdes Un nombre incalculable de débris rocheux et de comètes. Ils occupent un volume à peu prés égal à Milliards de Kilomètres de diamètre.

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15 II-1/ Mouvement des planètes
Les planètes ne se déplacent pas autour du soleil selon des trajectoires circulaires, mais suivant des ellipses. La trajectoire complète autour du soleil s’appelle une orbite. La longueur des orbites et le temps mis à les parcourir entièrement augmentent avec la distance qui sépare chaque planète du soleil. Une planète tourne sur elle même en se déplaçant sur son orbite. L’axe de rotation est incliné par rapport à une droite perpendiculaire au plan de l’orbite. Cette inclinaison varie pour chaque planète.

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18 La distance qui sépare chaque planète du soleil varie selon son mouvement autour de son orbite en raison de sa forme elliptique. La plus faible distance séparant une planète du soleil s’appelle : périphélie. La plus grande distance séparant une planète du soleil s’appelle : Aphélie. Les distances en astronomies sont exprimés généralement en unités astronomiques (UA). Une unité astronomique équivaut à 149,9 Millions de kilomètres = Distance moyenne entre la terre et le soleil.

19 Les planètes forment deux groupes distincts
Les planètes telluriques : Ce sont les planètes les plus proches du soleil (Mercure, Vénus, la Terre et Mars). Elles sont constituées de roches et sont plus petites que les autres planètes. Les planètes géantes : (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) Elles sont appelées les gazeuses car elles sont principalement faites de gaz. Elles possèdent chacune un système d’anneaux et une famille de satellites.

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21 Quelques définitions Les Astéroïdes : Ils ont pris naissance à partir des planètes éclatées, leurs dimensions est plus au moins importantes et ils se placent entre les planètes inférieures et les planètes géantes. Les comètes : ce sont des astres d’aspect diffus (pas de trajectoire déterminée) accompagnée d’une traînée de lumière appelée Queue ou chevelure. Les comètes ne sont pas visibles en permanence (Une fois par an mais pas toutes visibles à l’œil nu).

22 La naissance de l’Univers : Le Big Bang
Le Big Bang est le commencement de tout : du temps et de l’espace et de la construction des blocs élémentaires de toute la matière de l’Univers. Tout a commencé dans une boule de feu il y’a 13 Milliards d’années et à partir de la quelle matière et antimatière ont été crées spontanément à partir de l’énergie. A l’instant de sa création l’Univers était infiniment chaud et dense. Puis il a commencé à se dilater et à se refroidir, ce qu’il continue à faire aujourd’hui. L’Univers est en expansion. C’est la raison pour la quelle, dans le passé, toutes choses ont dû se trouver plus proches les unes des autres. Si le mouvement des galaxies que nous voyons aujourd’hui s’inversait, on remonterait à l’instant d’il y’a environ 13 Milliards d’années quand elles étaient toutes concentrées en un seul point. C’est l’origine du Big-Bang

23 - Infinitésimale point qui est dense
- Toute l’énergie est contenue dans ce point

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26 IV/ Naissance du système solaire
La plupart des astronomes croient que les éléments du Système solaire, du soleil jusqu’au plus petit des astéroïdes, ont pris naissance dans un immense nuage tourbillonnant de gaz et de poussière appelé nébuleuse solaire. L’énorme nuage tourbillonne et refroidit entraînant les matériaux vers le centre qui devient de plus en plus dense et de plus en plus chaud jusqu’à ce que s’amorcent les réactions thermonucléaires : c’est la naissance du Soleil.

27 La théorie de la capture
Cette théorie suggère qu’une partie d’un gros nuage de gaz et de poussière passant à proximité du jeune soleil aurait été capturé par sa gravité. Celui-ci se serait divisé en petite nuages qui se serait contractés, donnant naissance aux planètes. La naissance des planètes Ces planètes ont commencés à se former voilà 4.6 Milliards d’années. A part Pluton, elles viennent toutes d’une masse initiale de matériau en forme d’anneaux qui entourait le soleil. De fines particules se sont soudées pour donner des grains qui à leur tour ont donné des cailloux puis des pierres et enfin des gros corps appelés planétésimaux. Quand ils ont atteint quelques KM de diamètre, leur gravité était assez forte pour attirer de plus en plus de matériaux

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29 Les planétésimaux s’unissent pour former des corps plus gros appelés Protoplanètes dont la réunion donne naissance aux planètes rocheuses. Des protoplanètes se forment aussi à l’extérieur du disque. A mesure qu’elles grossissent , leur gravité attire beaucoup de gaz, créant les géantes gazeuses : Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Pluton est formé de matériau non utilisé par les géantes gazeuses. Les géantes gazeuses comme Saturne, forment un noyau solide, puis captent une énorme atmosphère grâce à leur gravitation

30 LA TERRE La Terre est la troisième planète en partant du Soleil, c’est la seule planète à posséder de l’eau à l’état liquide et solide. Elle est la seule planète à être entourée d’une atmosphère riche en oxygène et la seule à l’état actuel de nos connaissance, sur laquelle existe la vie. La terre est la plus grande des plantes rocheuses. Elle est la seule à posséder une croûte divisée en plaques mobile. Elle tourne autour du soleil en 365,25 jours et tourne autour de son axe en 23,94 h. L’inclinaison de l’équateur sur l’orbite de rotation autour du soleil est de 23,5°.

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32   Structure de la terre : La terre est formée : La terre peut être considérée comme un solide entouré d’une enveloppe gazeuse appelé l’atmosphère. La partie solide de la Terre est constituée de : L’Hydrosphère (Océans, lac etc) d’une croûte constituée de formations variées (appelé aussi biosphère), d’un manteau (formé de manteau supérieur et inférieur) formé de roches siliceuses, d’un noyau externe formé de fer en état liquide, d’un noyau interne formé de fer solide. La croûte terrestre est séparée du manteau par une discontinuité appelé Discontinuité de MOHOROVICIC (MOHO) Vue de l’espace, la terre apparaît comme une perle bleue. Cette couleur est due aux grandes étendues d’eau qui la recouvrent. La terre est la seule planète dont la température, comprise entre 0 et 100°C, permet à l’eau liquide de couler à sa surface. Les océans et les mers couvrent 71% de la surface de la terre. Plus d’un dixième de la surface de la terre est recouvert de glace, constitué surtout par des calottes glacières des pôles.

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34 La terre possède le champ magnétique le plus fort de toutes les planètes. Le magnétisme est né dans le noyau où des courants de fer fondu génèrent des champs électriques et magnétiques. Le magnétisme de la terre s’étend dans l’espace, formant une énorme « bulle magnétique » qui entoure notre planète. Cette magnétosphère protége la Terre des effets des vents solaires (particules chargées émises par le soleil à grande vitesse). Certaines de ces particules sont piégées dans deux zones proches de la terre appelées « ceintures de Van Allen ». La croûte terrestre est divisée en larges zones appelées plaques, qui sont en perpétuel mouvement. Ces plaques, qui reposent sur une couche de roches en partie fondues, se déplacent et entrent en collision : les roche de surface sont alors détruites ou renouvelées.

35 Magnétisme de la terre

36 Le gradient géothermique de la terre
Le gradient thermique ou de température au voisinage de la surface a la valeur de 30°C par kilomètre. Il peut prendre des valeurs plus élevées dans les zones de flux anormales (régions volcaniques, rifts, marges actives). Il est admis que l’origine du flux géothermique doit être recherchée dans la radioactivité de la croûte et du manteau supérieur

37 Mouvements de la terre Mouvement de précession : la précession proprement dite est par définition le mouvement continu de l’axe de la Terre sur un cône de révolution Mouvement de nutation : Mouvement multi périodique faisant décrire à l’axe de la terre des festons autour du cône .

38 Mouvement de précession circulaire de la terre

39 Mouvement de nutation de la terre

40 Orbite de la terre La terre parcourt une orbite complète autour du soleil en 365 jours ¼. Le soleil est au plus haut point dans l’hémisphère nord le 21 juin (jour le plus long de l’année ou solstice), et dans l’hémisphère sud le 21 décembre. Les équinoxes se situent entre ces deux dates (21 mars et 23 Septembre). La nuit et le jour sont alors de durée égale dans les deux hémisphères. Le soleil de minuit : En juin les régions proches du pôle nord sont inclinées vers le soleil. Au de la du cercle arctique, le soleil est si haut dans le ciel qu’il ne se couche ni se lève. Il tourne dans le ciel, passant de sa position la plus haute à midi à sa position la plus basse à minuit. Le même phénomène se produit en antarctique en décembre.

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42 LA LUNE La lune est l’objet céleste le plus proche de la terre. La lune est l’objet le plus brillant du ciel nocturne. Elle n’émet pas la lumière mais réfléchit celle du soleil. Origine de la Lune : On ne sait pas exactement comment s’est formée la lune. Il se peut qu’elle soit née à côté de la terre, ou qu’elle soit venue d’ailleurs et ait été attirée par la gravité de la terre. Mais l’hypothèse la plus probable est celle d’une collision : un corps céleste se déplaçant à grande vitesse aurait heurté la jeune terre. Des matériaux fondus venus des deux corps auraient été mis en orbite autour de la terre, donnant naissance à la lune. L’orbite de la lune autour de la terre n’est pas circulaire : la distance entre la terre et son satellite varie. La plus courte distance est de km, la plus longue de km.

43 L’éclipse de la lune : Une éclipse se produit quand la Pleine lune traverse l’ombre de la terre. La terre empêche alors la lumière du soleil d’atteindre directement la Lune : sa face s’obscurcit ou se réduit à un disque rouge. Les marées : Deux fois par jour, la mer monte et descend, tandis que la surface de la Terre est balayée par un bourrelet d’eau formé par l’attraction de la Lune. Mécanisme des marées : L’eau située sur le côté de la terre le plus proche de la lune ressent plus fortement l’attraction lunaire, tandis que de l’autre côté de la terre, elle est moins affectée. Deux bourrelets d’eau se forment et suivent la lune alors qu’elle tourne autour de la terre.

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46 Vive eau et Morte-eau A la pleine lune et à la nouvelle lune, le soleil, la terre et la lune sont alignés. Gravité du soleil et attraction de la lune se conjuguent pour donner les plus hautes marrées hautes et les plus basses marrées basses. On les appelle marées de vives eaux. Quand la lune est à son premier et à son dernier quartier, le soleil est à angle droit avec la lune. La gravité du soleil neutralise partiellement l’attraction de la lune, c’est la morte eau. Les marées sont donc moins fortes.

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48 Les phases de la lune Comme la terre, seule une moitié de la Lune est toujours éclairée par le soleil, tandis que l’autre est plongée dans l’obscurité. Lorsque la lune tourne autour de la terre, sa forme semble changer car nous ne voyons qu’une portion de cette partie éclairée. Ce sont les phases de la lune. Celles-ci suivent un cycle : nouvelle Lune (quand nous ne voyons pas la face éclairée), pleine lune (quand nous voyons toute la face éclairée), puis à nouveau nouvelle Lune.

49 Le soleil Le soleil est un énorme globe de gaz chauds. Son diamètre est 109 fois celui de la terre et sa masse représente 745 fois celle de toute les planètes du Système solaire. La source d’énergie du soleil est une chaudière nucléaire enfouie profondément sous sa surface. Elle brûle depuis 4.6 Milliards d’années.

50 Structure du Soleil : L’énergie du soleil est produite dans son cœur, où il fait si chaud (15 Millions °C) que les atomes de gaz sont désintégrés, laissant juste leurs noyaux nus. L’énergie se déplace à travers les zones radiatives et convectives vers la surface, ou Photosphère. Là, elle quitte le soleil, principalement sous forme de lumière et de rayonnement infrarouge. Puis elle traverse l’atmosphère du soleil qui s’étend à des millions de kilomètres dans l’espace. La photosphère n’est pas solide comme la surface de la terre mais se présente sous forme de gaz bouillonnant de 500 km d’épaisseur. Les températures varient entre 8500 à la base de la photosphère à 4200 °C à son sommet et la température moyenne est de 5500 °C.

51 Structure interne du Soleil

52 Quelques définitions Les taches solaires : des marques sombres qui apparaissent périodiquement au niveau de la photosphère. Elles sont d’un diamètre de moins de 1000 km (petites taches) et de km (pour les grandes taches). Elles durent quelques heures à quelques semaines. Elles se présentent sous forme de dépressions peu profondes dans la photosphère où règne un violent champ magnétique empêchant les courants de gaz chauds d’atteindre la surface du soleil. Elles sont d’environ 1500 °C plus froides que le reste de la photosphère et paraissent sombres en raison du contraste avec les gaz environnants plus chauds donc plus brillants. Les protubérances : ce sont des masses de gaz suspendues dans l’atmosphère du soleil. Les facules : sont des zones blanches et chaudes qui apparaissent avant et après les taches solaires.

53 Les étoiles : La majorité des astres visibles dans le ciel sont des étoiles. Elles sont souvent groupées en associations de quelques centaines de milliers d’étoiles, ceux-ci se groupant à leur tour en unités beaucoup plus grandes, les galaxies. Une galaxie typique contient de 10 à 100 milliards d’étoiles, et l’on dénombre des millions de galaxies sur les images acquises par les grands télescopes modernes.

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56 Les météorites : Chaque année, environ 3000 roches spatiales pesant plus d’un Kg, et trop grosses pour brûler dans l’atmosphère terrestre, atteignent la surface de notre planète. Ce sont les météorites. La plupart tombent dans la mer et ne sont jamais retrouvées. D’autres sont précipitées sur la terre ferme et rapidement ramassées. Quelques unes ne sont découvertes que des années, voire des siècles plus tard. Trois types de météorites existent : Les météorites ferreuses : Constituées de fer et de Nickel, avec quelques traces d’autres minéraux. Les météorites rocheuses : ils sont constituées de blocs de roches. Elles sont classées en chondrites, contenant des gouttes de roches solidifiées, et en achondrites qui n’en ont pas. Les météorites ferro-pierreuses : ils sont plus rares et sont constituées de fer et de roches.

57 Types de roches Roches magmatiques (poviennent d’un magma).
Roches métamorphiques. (Température et pression). Roches sédimentaires. (Erosion, Transport et dépôt).

58 Les datations relatives des roches :
Comme l'indique le terme, ces méthodes permettent d'établir l'âge des couches ou des corps géologiques les uns par rapport aux autres. Il y a deux grands groupes de méthodes de datation relative: les méthodes physiques et les méthodes paléontologiques. Méthodes physiques de datation relative. Principe de superposition : les couches se déposent d’abord à l’horizontale puis les couches se superposent les unes sur les autres, ce qui implique que celle qui est sous une autre est plus vieille que cette dernière.

59 Règle des recoupements  Un corps rocheux qui recoupe un autre est plus jeune que celui qu'il recoupe.

60 Au 19éme siécle, on a compris l'importance de reconnaître des structures bien particulières dans les successions de roches, les discordances, pour établir des datations relatives. On reconnaît deux principaux types de discordances: discordance d'érosion et discordance angulaire. a) Discordance d'érosion: l'exemple ci-dessous illustre ce qu'on entend par ce type de discordance. Cette surface irrégulière entre roche ignée et roche sédimentaire, dans l'exemple çi-haut, est une discordance d'érosion. Dans les exemples précédents, le temps géologique est représenté par le temps de dépôt des couches ou par la mise en place d'intrusions qui représentent des événements courts en temps. Ici, la discordance d'érosion représente aussi du temps géologique, mais du temps où, non seulement il n'y a pas eu de dépôt, mais où il y a eu érosion, suppression de dépôt.

61 b) Discordance angulaire: l'exemple qui suit illustre en séquence comment se forme une telle discordance. Comme dans le cas précédent, cette discordance représente du temps géologique, ici, tout le temps du plissement et de l'érosion.

62 Méthodes paléontologiques de datation relative.
Parallèlement au développement des méthodes physiques de datation relative par la superposition, les recoupements et les discordances, une méthode qui deviendra la plus utilisée, et qui demeure toujours la plus utilisée est la méthode de datation par les fossiles. Les fossiles constituent les objets servant aux datations. Sommairement définis, les fossiles sont les restes d'animaux, incluant leurs pistes, qu'on retrouve dans un sédiment ou une roche. Les fossiles peuvent être très abondants dans certaines couches. Ils ont longtemps constitué la méthode par excellence de datation des couches géologiques et continuent à être l'outil privilégié. On utilise communément trois façons de dater les couches par les fossiles: par les fossiles pilotes, par assemblages fossilifères et par lignées évolutives.

63 a) La méthode des fossiles pilotes
a) La méthode des fossiles pilotes. Cette méthode utilise évidemment les fossiles à courte durée de vie qui indiquent des âges bien précis. Une couche contenant un de ces fossiles pourra donc être datée avec assez de précision. Cependant, on ne trouve pas toujours de tels fossiles. b) La méthode des assemblages fossilifères. Cette méthode se fonde sur la somme des fossiles trouvés dans une couche donnée. On assume que tous les fossiles trouvés ensemble sur une couche sédimentaire représentent des organismes qui ont tous vécu au même temps. Les deux schémas qui suivent expliquent la méthode. On fait de la sorte avec les fossiles. Prenons un assemblage de fossiles (A, B, C, D et E) qui se trouve dans une même couche. On consulte les catalogues pour connaître quelle a été la durée de vie de chacun des organismes qu'ils représentent.

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65 c) La méthode des lignées évolutives
c) La méthode des lignées évolutives. La recherche paléontologique sur l'évolution de divers groupes biologiques durant les temps géologiques a mis en évidence plusieurs lignées évolutives, souvent sur de courtes durées de temps. Pour illustrer l'utilité de ces lignées pour les datations relatives, prenons l'exemple d'une lignée évolutive des espèces d'un genre donné, soit les espèces A, B, C, D et E, avec un bon contrôle de la répartition temporelle de chacune des espèces.

66 Puisqu'il s'agit d'une lignée évolutive, la durée de vie d'une espèce marque un temps bien précis. La présence d'une de ces espèces dans une couche, fixe donc une limite d'âge précise à cette couche; par exemple, si on trouvait l'espèce C, on saurait que la couche doit avoir un âge Dévonien moyen.

67 Les datations radiométriques
Cet outil, utilise certains éléments chimiques qui ont la propriété de se désintégrer radioactivement. En calculant le temps qu'a mis une certaine portion d'un élément contenu dans un minéral à se désintégrer, on obtient l'âge de formation de ce minéral. L'atome est composé d'un noyau (protons + neutrons) autour duquel gravitent les électrons. Toute la masse de l'atome est concentrée dans le noyau, les électrons ayant une masse négligeable.

68 Masse atomique = noyau = nombre de protons (+) + nombre de neutrons (±) numéro atomique = nombre de protons (+) La radioactivité est due à l'instabilité du noyau qui se désintègre par émission d'énergie, principalement sous deux formes: particule a = 2 protons (+) + 2 neutrons (±) : d'où une perte de 4 dans la masse atomique et une perte de 2 dans le numéro atomique; particule b = 1 électron (-) : cet électron vient du noyau; il faut donc aller le chercher chez un neutron (±) qui alors devient un proton (+). Il y a donc gain d'un proton, d'où un gain de 1 au numéro atomique, mais aucun changement de masse atomique, car l'électron a une masse négligeable.

69 Le bilan des gains et pertes s'établit donc ainsi:
Un exemple : la désintégration de l'uranium 238 (238U) en plomb 206 (206Pb) L'émission de 8 a entraîne la perte de 8 x (2 protons + 2 neutrons), ce qui signifie une perte de 32 à la masse atomique, ainsi que la perte de 8 x 2 protons qui signifie une perte de 16 au numéro atomique. L'émission de 6 b entraîne la perte de 6 électrons, donc pas de changement à la masse atomique, mais un gain de 6 au numéro atomique. Le bilan des gains et pertes s'établit donc ainsi: masse atomique: = 206 numéro atomique: = 82 (numéro atomique du Pb)

70 La désintégration se fait par étapes successives, selon la suite: