Transcript (0,±1..±L) L

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
Les systèmes physiques et leurs
«découvreurs»
leptons
(électrons)
quarks
hadrons
(protrons & neutrons)
Gell-Mann
1964
noyaux
Chadwick
1932
atomes
Guay-Lussac
~ 1820
molécules
Lavoisier ~ 1790
Dalton ~ 1800
Rutherford
1919
Rutherford
1911
Thompson
~ 1890
nous sommes
«poussières d’étoiles»
atomes
minéraux
processus physicochimiques terrestres
abiotiques (actions du vent, de l’eau,
de l’air; ex: oxydation)
fluides
molécules
la vie
règne végétal
règne animal
Êtres humains
Le nombre d’Avogadro
• Un facteur d’échelle entre le monde de
l’infiniment petit et le monde du visible
N0 = 6,022 1023 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 (6,022 1023/ 22,4) ou
environ 2,7 1022 molécules d’air (oxygène et azote).
Le nombre d’Avogadro
Restons avec l’exemple de l’atmosphère: (volume équivalent
de 4.1021 litres dans les conditions de pression normale)
•1 litre d’air contient environ 2,7 1022 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 5 1022 molécules réparties dans les 4 1021
litres de l’atmosphère, soit environ une douzaine de molécules par
litre d’air
 l’être humain respire 20 m³ (20 000 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 !
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 1,4 1021 litres
Nous absorbons chaque jour (2. 2,7 1022 (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.
Spinosaurus
96-65 millions d’années
1,8 millions- 10000 ans
Nous sommes mémoire
du passé de la Terre
Uintatherium
53-33 millions d’années
L’atome
Lame mince sous lumière polarisée d’achondrite, un météorite des
plus vieux (4558 Ma) du système solaire
L’expérience de Rutherford
diaphragme
cible d’or
 diffusés
source de radium
particules 
 réfléchis
détecteur d’
déplacement du détecteur
L’expérience de Rutherford
1. La plupart des particules sont peu défléchies
l’espace de l’atome est principalement
• la matière est pleine de vide
occupé par les électrons et vide
106
nombre de particules
• déflexion électromagnétique
2. Quelques unes sont sont fortement défléchies
103
• il y al’atome
des zones
extrêmement
denses
a un noyau,
espace réduit
de charges
et de très
volume
qui rassemble
toutesfaible
les charges
positives et la masse
1
0
300
600
900 1200
angle de diffusion 
1500
L’atome
Avant Rutherford
-
-
-
- +
-
-

-
-
+
-
-
-
La représentation de l’atome
Bhor- 1913
modèle de couches sphériques
n=1
La représentation
moderne
den =l’atome
2
n=3
Les orbites électroniques
Couche
principale
symbole n
Sous-couche
nombre
d’électrons
L
m
symbole
(0,1..n-1) (0,±1..±L)
K
1
0
0
s
2
L
2
0
1
0
-1, 0, +1
s
p
2
6
M
3
0
1
2
0
-1, 0, +1
-2, -1, 0, 1, 2
s
p
d
2
6
10
0
1
2
3
0
-1, 0, +1
-2, -1, 0, 1, 2
s
p
d
f
2
6
10
14
N
4
-3,-2,-1,0,1,2,3
FE = k Zq²/d²
 de l’atome (distance électrons- noyau)
Énergie de cohésion de l’édifice atomique
Les orbites électroniques
f
d
f
d
d
p
s
14
10
6
10
2
6
2
p
s
6
2
2
s
2
10
2 6
p
s
p
s
couche n  1
14
3
4
5
nombre d’électrons
Le tableau périodique
groupe
période
2003
Créer au laboratoire
2003
La chimie:
propriétés d’appariement des électrons
extérieurs de sous couches non complètes
métaux
• éclat particulier
• bon conducteur de chaleur et d’électricité
• oxydes basiques en combinaison avec l’oxygène
• pas d’éclat particulier
métalloïdes • mauvais conducteur de chaleur et d’électricité
• composés acides ou neutres avec l’oxygène
masse atomique A = Z+N
A E
Z
numéro atomique Z, nombre de protons
N, nombre de neutrons
La chimie:
propriétés d’appariement des électrons
extérieurs de sous couches non complètes
masse atomique A = Z+N
A E
Z
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).
16
8O (99,76%),
17
8O (0,03%),
18
8O (0,204%)
L’énergie de l’atome
En réalité, l’énergie recueillie après excitation
sera toujours inférieure à l’énergie
absorbée lors de l’excitation
excitation
déexcitation
L’énergie de l’atome
électron libre Ec = Ephoton –E1
radiations émises
visible
E1>E2 > E3 > E4 > E5
UV
R-X
Ephoton> E1
E1 E2 E3
E4
E5
déexcitation
excitation
nombre de photons détectés
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
Ephoton
Un spectre de raies caractéristiques des éléments
contenus dans l’échantillon
L’énergie utile
radiations
atome
Énergie du photon
visible
qques eV
ultraviolet
diz-cent. eV
rayons X
cent. milliers eV
Attention danger
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)
La molécule
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
La molécule: une association
ordonnée d’atomes
Liaison de covalence
mise en commun pour
compléter la sous couche
s2
H

H2
H
Na
Liaison ionique
don de 1 électron pour
compléter une sous couche
p6
Na+

Cl
ClNa
Cl-
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
O
O
Energie de vibration
Energie de rotation
L’énergie associée à l’édifice de la
molécule
2. Réaction «chimique»
CH4 + 2O2

CO2 + 2H2O + Q (~200 000 calories)
état de liberté individuelle des atomes
E (CH4)
État deplus grande cohésion des molécules
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
L’énergie utile
radiations
molécule
atome
Énergie du
photon
infrarouge
< eV
visible
qques eV
ultraviolet
diz-cent. eV
rayons X
cent. milliers eV
Attention danger
usages
chaleur
spectroscopie IR
lumière
diagnostic et
traitements
Le noyau
Le noyau: protons et neutrons
«agglutinés»
force nucléaire forte
gluons
attractions
attraction
entre les 3 quark de l’édifice
du proton et du neutron
résidu
pp
pn
nn
Le noyau
r
Volume du noyau ~ A
90%
r ~ A1/3
r0 = 1,3 A1/3 10-15 m
r0
A
10%
r
ZE, N = A-Z
radioisotopes  isotopes instables
radioactivité: rayons 
particules  et 
Noyau d’Uranium
les nombres
magiques:
2- 8- 20- 28
50 - 82
Nombre de neutrons
cohésion :
N pair
Z pair
N-Z: pair-pair
Isotopes et
radioisotopes
Z = 82
(Pb)
Nombre de protons
Énergie de liaison par nucléon
MeV
1
fission
2
3
fusion
4
5
6
7
La fusion un potentiel
de 7 fois plus d’énergie
récupérée par nucléon
que la fission
L’énergie utile
radiations
molécule
atome
noyau
Énergie du
photon
infrarouge
< eV
visible
qques eV
ultraviolet
diz-cent. eV
rayons X
cent. milliers eV
rayons gamma ()
qques MeV
Attention danger
usages
chaleur
spectroscopie IR
lumière
diagnostic et
traitements
diagnostic et
traitements
Les particules
élémentaires
Les trajectoires de particules
élémentaires dans une chambre à bulles
Les particules élémentaires
Pour décrire le «monde»:
agent
• quatre interactions fondamentales
• électromagnétique (cohésion des atomes et molécules)
photon
• nucléaire forte (cohésion des noyaux)
gluon
bosons
• nucléaire faible (modification des quarks)
• gravitation (cohésion de l’univers et pesanteur)
graviton
• 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
Les particules fondamentales
1ère famille 2ème famille 3ème famille
quark haut
u
quark bas
d
quarkcharmé
quark top
t
2/3
0
1/3
quark beauté
-1/3
0
1/3
-1
1
0
0
1
0
c
quark étrange
s
électron
muon
neutrino
neutrino
leptons
charge
nombre
nombre
électrique leptonique baryoniqu
e
b
tau
neutrino
baryons
mésons
(2 quarks)
proton et neutron
1
u
charge
0
d
u
u
nombre baryonique
1
d
d
agent de la force
nucléaire faible
désintégration du neutron libre
W-  (- + e)
d
u
u
d
n0  p+ + - + e
u
d
La mort du proton?
(vie1032ans)
Une structure de poupée russe
corde
23 juin 1966