L’infiniment petit Le nombre d’Avogadro Les systèmes physiques

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1 L’infiniment petit Le nombre d’Avogadro Les systèmes physiques
atome molécule noyau les particules fondamentales: quarks et électrons L’énergie associée au système physique : de la molécule de l’atome du noyau

2 Les systèmes physiques et leurs «découvreurs»
leptons (électrons) quarks Gell-Mann 1964 hadrons (protrons & neutrons) Thompson ~ 1890 atomes Rutherford 1919 noyaux Chadwick 1932 Guay-Lussac ~ 1820 Rutherford 1911 molécules Lavoisier ~ 1790 Dalton ~ 1800

3 nous sommes «poussières d’étoiles»
atomes processus physicochimiques terrestres abiotiques (actions du vent, de l’eau, de l’air; ex: oxydation) minéraux fluides molécules règne végétal règne animal Êtres humains la vie

4 Le nombre d’Avogadro Un facteur d’échelle entre le monde de l’infiniment petit et le monde du visible N0 = 6, atomes dans un atome-gramme ou molécule dans une molécule –gramme (mole): comme dans 12 g de carbone (C12), et 18 g d’eau liquide (H2O) comme dans 22,4 litres de gaz dans les conditions normales de température ou de pression (15 0C et 1 atmosphère) Par exemple: 1 litre d’air contient (6, / 22,4) ou environ 2, molécules d’air (oxygène et azote).

5 Le nombre d’Avogadro Restons avec l’exemple de l’atmosphère: (volume équivalent de litres dans les conditions de pression normale) 1 litre d’air contient environ 2, molécules le brassage continuel de l’air atmosphérique fait que toute émission locale d’un gaz se retrouve avec le temps dilué à l’échelle globale de l’atmosphère le dernier souffle d’Aristote 2 litres ou encore molécules réparties dans les litres de l’atmosphère, soit environ une douzaine de molécules par litre d’air l’être humain respire 20 m³ ( litres) d’air par jour c’est ¼ de million de molécules expirées par Aristote qui chaque jour viennent en contact intime avec les alvéoles et les composés du sang de chacun des humains !

6 Nous pourrions refaire ce calcul avec la plupart des éléments minéraux de la croûte terrestre, mais faisons le plutôt avec l’eau, élément si nécessaire à la vie. L’eau «métabolisée», l’eau ingérée et bue et aussi excrétée nécessaire à votre métabolisme quotidien, est d’environ 2l/j. L’hydrosphère représente de l’ordre de 1, litres Nous absorbons chaque jour (2. 2, (mol/litre) /1,4 1021litres) soit 50 molécules d’eau ayant eu un contact intime avec les entrailles des premiers humanoïdes ou même des autres organismes vivants comme les grands dinosaures qui devaient même consommés plus d’eau au quotidien. Ce taux de dilution est supérieur aux pratiques de dilution de la médecine homéopathique par exemple et du phénomène de la «mémoire» de l’eau propre à certaines médecines douces.

7 Nous sommes mémoire du passé de la Terre
Spinosaurus 96-65 millions d’années 1,8 millions ans Nous sommes mémoire du passé de la Terre Les Mondes disparus, Éric Buffetaut Jean Le Loeuff, Berg international Éditeurs, 1998, 158 p. 53-33 millions d’années Uintatherium

8 L’atome Lame mince sous lumière polarisée d’achondrite, un météorite des plus vieux (4558 Ma) du système solaire

9 L’expérience de Rutherford
source de radium détecteur d’ cible d’or diaphragme  diffusés particules   réfléchis déplacement du détecteur

10 L’expérience de Rutherford
La plupart des particules sont peu défléchies la matière est pleine de vide déflexion électromagnétique 106 103 1 1500 300 600 900 1200 l’espace de l’atome est principalement occupé par les électrons et vide 2. Quelques unes sont sont fortement défléchies il y a des zones extrêmement denses de charges et de très faible volume nombre de particules l’atome a un noyau, espace réduit qui rassemble toutes les charges positives et la masse angle de diffusion 

11 L’atome - + Avant Rutherford - + 

12 La représentation de l’atome
Bhor- 1913 modèle de couches sphériques

13 La représentation moderne
de l’atome n = 2

14 Les orbites électroniques
Couche principale Sous-couche nombre d’électrons symbole n L (0,1..n-1) m (0,±1..±L) K 1 s 2 -1, 0, +1 p 6 M 3 -2, -1, 0, 1, 2 d 10 N 4 -3,-2,-1,0,1,2,3 f 14

15 Les orbites électroniques
Énergie de cohésion de l’édifice atomique FE = k Zq²/d²  de l’atome (distance électrons- noyau) f 14 f 14 d 10 p 6 10 d s 2 p 6 d 10 s 2 p 6 s 2 p 6 s 2 s 2 nombre d’électrons couche n  1 2 3 4 5

16 Le tableau périodique groupe période 2003 Créer au laboratoire

17 La chimie: propriétés d’appariement des électrons extérieurs de sous couches non complètes
éclat particulier bon conducteur de chaleur et d’électricité oxydes basiques en combinaison avec l’oxygène métaux pas d’éclat particulier mauvais conducteur de chaleur et d’électricité composés acides ou neutres avec l’oxygène métalloïdes AZE masse atomique A = Z+N numéro atomique Z, nombre de protons N, nombre de neutrons

18 La chimie: propriétés d’appariement des électrons extérieurs de sous couches non complètes
AZE masse atomique A = Z+N numéro atomique Z, nombre de protons N, nombre de neutrons Les éléments chimiques (E) d’un même Z sont chimiquement identiques même s’ils ont un nombre N de neutrons différents : un élément (Z donné) peut avoir plusieurs isotopes (N différent). 168O (99,76%), 178O (0,03%), 188O (0,204%)

19 L’énergie de l’atome En réalité, l’énergie recueillie après excitation
sera toujours inférieure à l’énergie absorbée lors de l’excitation photon photon excitation déexcitation

20 électron libre Ec = Ephoton –E1
L’énergie de l’atome électron libre Ec = Ephoton –E1 visible UV R-X radiations émises E1> E2 > E5 E4 > E3 > Ephoton> E1 E1 E2 E3 E4 E5 déexcitation excitation

21 L’analyse spectroscopique
L’élargissement du pic est dû à l’agitation naturelle des électrons et atomes ce qui introduit un élargissement des énergies des sous couches et une distribution des vitesses (et donc des énergies) des électrons autour de la valeur moyenne E1-E2 E1-E3 nombre de photons détectés Ephoton Un spectre de raies caractéristiques des éléments contenus dans l’échantillon

22 L’énergie utile atome radiations Énergie du photon
visible qques eV atome ultraviolet diz-cent. eV lumière (visible) diagnostics et traitements en santé (UV et R-X) rayons X cent. milliers eV Attention danger l’atome absorbe plus d’énergie qu’il en redonne, mais les émissions sont utiles

23 La molécule

24 La molécule: une association ordonnée d’atomes
Règle générale: les atomes se groupent de façon à compléter les sous couches (s,p,d..) ceux avec un électron en trop (alcalin) cherchent à le partager avec ceux auxquels il manque un électron (halogène) les atomes avec une configuration (s2p6) sont inertes (gaz rares) Les propriétés chimiques sont liées à la configuration (nombre d’électrons) des orbites extérieures

25 La molécule: une association ordonnée d’atomes
H Liaison de covalence  H2 mise en commun pour compléter la sous couche s2 H Na Na+ Cl- Liaison ionique  ClNa Cl don de 1 électron pour compléter une sous couche p6

26 L’énergie associée à l’édifice de la molécule
1. Excitation L’excitation ne peut pas être comme dans le cas de l’atome, l’expulsion ou le saut d’orbite d’un électron, ce processus a pour effet de détruire le lien de cohésion E excitation du domaine des infrarouges lointains H O H O H Energie de vibration Energie de rotation

27 L’énergie associée à l’édifice de la molécule
2. Réaction «chimique» CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O + Q (~ calories) état de liberté individuelle des atomes État deplus grande cohésion des molécules E (CH4) 2E (O2) E (CO2) 2 E (H2O) Q = (ECH4 + 2EO2 ) – (ECO2 + EH2O) avec E  m0 c² L’énergie exothermique provient d’une perte de masse ou gain de cohésion des édifices moléculaires E réaction du domaine des infrarouges proches

28 L’énergie utile molécule atome radiations Énergie du photon usages
infrarouge < eV chaleur spectroscopie IR lumière qques eV visible atome ultraviolet diz-cent. eV diagnostic et traitements rayons X cent. milliers eV Attention danger

29 Le noyau

30 Le noyau: protons et neutrons «agglutinés»
force nucléaire forte p  p p  n n  n gluons attractions attraction entre les 3 quark de l’édifice du proton et du neutron résidu

31 Le noyau AZE, N = A-Z Volume du noyau ~ A r ~ A1/3
90% r0 = 1,3 A1/ m r0 AZE, N = A-Z 10% radioisotopes  isotopes instables radioactivité: rayons  particules  et 

32 Noyau d’Uranium

33 Isotopes et radioisotopes
Nombre de protons Nombre de neutrons cohésion : N pair Z pair N-Z: pair-pair Isotopes et radioisotopes les nombres magiques: Z = 82 (Pb)

34 Énergie de liaison par nucléon
MeV fission 1 2 3 fusion La fusion un potentiel de 7 fois plus d’énergie récupérée par nucléon que la fission 4 5 6 7

35 L’énergie utile molécule atome noyau radiations Énergie du photon
usages molécule infrarouge < eV chaleur spectroscopie IR lumière qques eV visible atome ultraviolet diz-cent. eV diagnostic et traitements Attention danger rayons X cent. milliers eV diagnostic et traitements noyau rayons gamma () qques MeV

36 Les particules élémentaires

37 Les trajectoires de particules élémentaires dans une chambre à bulles

38 Les particules élémentaires
agent photon gluon bosons graviton Pour décrire le «monde»: quatre interactions fondamentales électromagnétique (cohésion des atomes et molécules) nucléaire forte (cohésion des noyaux) nucléaire faible (modification des quarks) gravitation (cohésion de l’univers et pesanteur) trois familles de particules élémentaires chacune avec 2 baryons (quarks) et 2 leptons et leurs particules d’antimatière La matière «ordinaire», celle qui est stable à basse énergie, est composée exclusivement de la première famille

39 Les particules fondamentales
charge électrique nombre leptonique nombre baryonique 1ère famille 2ème famille 3ème famille baryons u quark haut c quarkcharmé s quark étrange t quark top b quark beauté 2/3 1/3 d quark bas -1/3 1/3 leptons électron muon tau -1 1 neutrino neutrino neutrino 1 mésons (2 quarks)

40 proton et neutron 1 d u u d 1 désintégration du neutron libre
charge 1 d u u d nombre baryonique 1 désintégration du neutron libre agent de la force nucléaire faible W-  (- + e) d u u d n0  p+ + - + e

41 La mort du proton? (vie1032ans)

42 Une structure de poupée russe
corde

43 La matière La Recherche, hors série, avril 1998, p.43

44 La Recherche, mai 03, p.32

45

46 23 juin 1966

47 Physique moderne La masse des neutrinos
Le détecteur de neutrinos du laboratoire national de Sudbury dans la mine de Creighton est constitué d’une première sphère en acrylique transparent contenant 1000 t d’eau lourde (D2O). Elle est entourée de 9600 photomultiplicateurs installée dans une seconde enveloppe contenant de l’eau naturelle. Ceus-ci détectent la lumière Cerenkov produite par les électrons qui subissent le choc d’un neutrino. La Recherche, sept 01, p.18

48 Physique moderne