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Le nombre d’Avogadro L’infiniment petit Les systèmes physiques atome molécule noyau les particules fondamentales: quarks et électrons L’énergie associée.

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1 Le nombre d’Avogadro L’infiniment petit 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» quarks leptons (électrons) hadrons (protrons & neutrons) noyaux atomes molécules Rutherford 1919 Gell-Mann 1964 Chadwick 1932 Rutherford 1911 Guay-Lussac ~ 1820 Thompson ~ 1890 Lavoisier ~ 1790 Dalton ~ 1800

3 nous sommes «poussières d’étoiles» atomes molécules processus physicochimiques terrestres abiotiques (actions du vent, de l’eau, de l’air; ex: oxydation) minéraux fluides règne végétalrègne 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 N 0 = 6, atomes dans un atome-gramme ou molécule dans une molécule –gramme (mole): comme dans 12 g de carbone (C 12 ), et 18 g d’eau liquide (H 2 O) comme dans 22,4 litres de gaz dans les conditions normales de température ou de pression (15 0 C et 1 atmosphère) Par exemple: 1 litre d’air contient (6, / 22,4) ou environ 2, molécules d’air (oxygène et azote).

5 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  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 !  l’être humain respire 20 m³ ( litres) d’air par jour 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

6 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, litres ) 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. 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.

7 Spinosaurus millions d’années millions d’années 1,8 millions ans Uintatherium Nous sommes mémoire du passé de la Terre

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

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

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

11 + Avant Rutherford L’atome 

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

13 n = 1 n = 2 n = 3 La représentation moderne de l’atome

14 Les orbites électroniques Couche principale Sous-couchenombre d’électrons symbole n L (0,1..n-1) m (0,±1..±L) symbole K1 00s2 L , 0, +1 spsp 2626 M , 0, +1 -2, -1, 0, 1, 2 spdspd N , 0, +1 -2, -1, 0, 1, 2 -3,-2,-1,0,1,2,3 spdfspdf

15 Les orbites électroniques  de l’atome (distance électrons- noyau) couche n  Énergie de cohésion de l’édifice atomique F E = k Zq²/d² s s s s s p p p p d d d f f 2 nombre d’électrons

16 Créer au laboratoire Le tableau périodique groupe période 2003

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 pas d’éclat particulier mauvais conducteur de chaleur et d’électricité composés acides ou neutres avec l’oxygène métaux métalloïdes AZEAZE 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 AZEAZE 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) O (99,76%), 17 8 O (0,03%), 18 8 O (0,204%)

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

20 L’énergie de l’atome E1E1 E2E2 E5E5 E4E4 E3E3 électron libre E c = E photon –E 1 excitation déexcitation E1>E1>E 2 >E5E5 E 4 >E 3 > E photon > E 1 visible UV R-X radiations émises

21 L’analyse spectroscopique E photon nombre de photons détectés E 1 -E 2 E 1 -E 3 Un spectre de raies caractéristiques des éléments contenus dans l’échantillon 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

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

23 La molécule

24 La molécule: une association ordonnée d’atomes Les propriétés chimiques sont liées à la configuration (nombre d’électrons) des orbites extérieures 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) Règle générale: les atomes se groupent de façon à compléter les sous couches (s,p,d..)

25 Liaison de covalence Liaison ionique Na Cl Na + Cl -  H H  H2H2 ClNa mise en commun pour compléter la sous couche s2 don de 1 électron pour compléter une sous couche p6 La molécule: une association ordonnée d’atomes

26 L’énergie associée à l’édifice de la molécule 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 H O Energie de vibration H H O Energie de rotation 1. Excitation

27 L’énergie associée à l’édifice de la molécule E réaction du domaine des infrarouges proches 2. Réaction «chimique» CH 4 + 2O 2  CO 2 + 2H 2 O + Q (~ calories ) E (CH 4 ) 2E (O 2 ) E (CO 2 ) 2 E (H 2 O) état de liberté individuelle des atomes État deplus grande cohésion des molécules Q = (E CH4 + 2E O2 ) – (E CO2 + E H2O )avec E  m 0 c² L’énergie exothermique provient d’une perte de masse ou gain de cohésion des édifices moléculaires

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

29 Le noyau

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

31 Le noyau 90% 10% r0r0 r 0 = 1,3 A 1/ m Volume du noyau ~ A r ~ A 1/3 rr r A Z E, N = A-Z radioisotopes  isotopes instables radioactivité: rayons  particules  et 

32 Noyau d’Uranium

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

34 Énergie de liaison par nucléon fusion fission La fusion un potentiel de 7 fois plus d’énergie récupérée par nucléon que la fission MeV

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

36 Les particules élémentaires

37 Les trajectoires de particules élémentaires dans une chambre à bulles

38 Les particules élémentaires 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 agent photon gluon bosons graviton

39 Les particules fondamentales u quark haut 1 ère famille2 ème famille3 ème famille d quark bas c quarkcharmé s quark étrange t quark top b quark beauté électronmuontau neutrino charge électrique nombre leptonique nombre baryoniqu e /3 2/3 1/3 1 1 baryons leptons mésons (2 quarks)

40 proton et neutron uu d du d du d uu d W-  (  - + e) désintégration du neutron libre charge nombre baryonique 1 10 n 0  p + +  - + e agent de la force nucléaire faible

41 La mort du proton? (vie  ans)

42 Une structure de poupée russe corde

43 La matière

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 (D 2 O). 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


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