ATOME ET SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE Décrire la structure de la matière Décrire le rôle des interactions Décrire la nature et le comportement de la lumière Décrire l’interaction entre la lumière et la matière

Structure de l’atome Toute la matière est: À toutes les échelles: Solide Liquide Gaz À toutes les échelles: Galaxie Planète cellule

Structure de l’atome … et composée des mêmes particules élémentaires: Électron Proton Neutron Électron 9.109 x 10-28 g charge négative Proton 1.673 x 10-24 g charge positive Neutron 1.675 x 10-24 g aucune charge

Structure de l’atome Particules de base : Quarks Leptons Hadrons Etc Molécules: combinaisons d’atomes nouvelles propriétés physiques & chimiques

Atome de Bohr normalement np = ne- neutre

Structure de base d’un atome NOYAU : protons & neutrons Rn = 10-15 m ÉLECTRONS : orbitales Ratome = 10-10 m Mp/Me- = 1840

Structure de base d’un atome R(noyau) / R(atome) = 10-5 Densité (noyau) / densité (atome) = 1015 volume de l’atome est surtout du vide densité nucléaire = 1015 x densité de la matière ordinaire Terre (densité atomique) 200 m diamètre

Tableau périodique des éléments

Tableau périodique des éléments Il existe 92 sortes différentes d’atome dans la nature 92 éléments naturels : noyaux stables (> 109 ans) + des éléments fabriqués en labo : (vie = qques jours) Les neutrons assurent la stabilité du noyau

Tableau périodique des éléments Nombre de neutrons (vs protons) varie d’un élément à l’autre On peut même avoir 2 noyaux du même élément avec un nombre différent de neutrons (isotopes) ex.: Uranium (141 -> 148 neutrons)

Particules fondamentales Particules fondamentales de l’atome : protons, neutrons & électrons À partir des années 40, on a construit des accélérateurs permettant de briser ces particules fondamentales en particules encore plus fondamentales

Particules fondamentales PROCESSUS : à l’aide de champs magnétiques et électriques, on accélère et focalise des faisceaux de particules à des énergies de plus en plus grandes pour ensuite sortir le faisceau de l’accélérateur et lui faire frapper une cible

Particules fondamentales Résultat : désintégrations des protons, neutrons & électrons en particules plus fondamentales 2 familles: Leptons – poids plumes (neutrino, muon …) Hadrons – poids lourds (protons, mésons …)

Forces fondamentales (interactions) de l’Univers L’Univers est un laboratoire où les conditions physiques atteignent des valeurs extrêmes Ex.: meilleur vide en labo sur Terre est 1012x plus dense que le milieu intergalactique * à neutrons 1013x plus dense que le matériau le plus dense sur Terre

Forces fondamentales (interactions) de l’Univers Températures extrêmes: 106 K -> Soleil 2.7 K -> rayonnement cosmique Dans toutes ces conditions extrêmes, les mêmes lois de la physique s’appliquent (certaines forces étant plus importantes dans certaines conditions que dans d’autres)

Forces fondamentales (interactions) de l’Univers Force gravitationnelle Force électromagnétique Forces nucléaires

Interaction gravitationnelle Force de gravitation : force attractive dont l’intensité décroît comme le carré de la distance

Interaction gravitationnelle Distance Force Objet 2x ¼ 3x 1/9 4x 1/16 5x 1/25 Jupiter (~5 UA) 10x 1/100 Saturne (~10 UA) 40x 1/1600 Pluton (~40 UA)

Interaction gravitationnelle Étoiles : équilibre entre Force gravitationnelle & Pression de radiation Galaxies spirales: équilibre entre Rotation Univers: expansion ou contraction force gravitationnelle

Interaction électromagnétique Force électromagnétique: force attractive ou répulsive (dépendant des charges électriques) qui varie comme le carré de la distance

Interaction électromagnétique Force électromagnétique gouverne le mouvement des e- autour du noyau Assure la cohésion des liens entre les atomes à l’intérieur des: Molécules Cristaux Cellules Force électromagnétique lumière (visible, radio, RX…)

Interaction nucléaire Force nucléaire forte : assure la stabilité du noyau atomique Force nucléaire faible : régit la désintégration radioactive

Forces fondamentales Force Intensité Domaine d’action Gravitation 1 longue portée Nucléaire faible 1026 dimension du noyau Électromagnétique 7x1036 longue portée Nucléaire forte 1039 dimension du noyau

Théorie d’unification des forces -> en développement Ex.: force de répulsion électrique entre 2 e- / d = 5m. Force gravitationnelle entre Terre & 1e- Ex.: Arracher 1 e- à l’attraction du noyau 10 000 x plus d’énergie Arracher 1 e- à l’attraction grav. De la terre

Spectre électromagnétique Une onde électromagnétique est caractérisée par 2 quantités: l : longueur d’onde n : fréquence

Spectre électromagnétique

Spectre électromagnétique l . n = c où c = vitesse de la lumière matière atomes particules chargés électriquement mouvement des charges (accélération) radiation d’une onde électromagnétique

Niveaux d’énergie Électrons dans l’atome sont sur des niveaux (orbites) Si e- passe d’un niveau supérieur à un niveau inférieur émission d’énergie E Si e- passe d’un niveau inférieur à un niveau supérieur absorption d’énergie E

Niveaux d’énergie

Niveaux d’énergie E associée à l et n de l’onde électromagnétique E : énergie H : constante de Planck C: vitesse de la lumière

Niveaux d’énergie Plus l grand, plus E petit p.e. atome d’hydrogène -> saut niveau 2 -> 1 E2,1 = 10,19 eV -> émission d’un photon La l = 121,6 nm (UV) -> saut niveau 3 -> 2 E3,2 = 1 eV -> émission d’un photon Ha l = 656,3 nm (R)

Spectre électromagnétique

Spectre électromagnétique

Spectre électromagnétique

Spectre électromagnétique