Le nombre d’Avogadro L’infiniment petit Les systèmes physiques atome molécule noyau les...

Le nombre d’Avogadro

L’infiniment petitL’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

Les systèmes physiques et leurs «découvreurs»

quarksleptons

(électrons)

hadrons(protrons & neutrons)

noyaux

atomes

molécules

Rutherford 1919

Gell-Mann 1964

Chadwick1932

Rutherford 1911

Guay-Lussac

~ 1820

Thompson~ 1890

Lavoisier ~ 1790Dalton ~ 1800

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 végétal règne animal

Êtres humains

la vie

Le nombre d’AvogadroLe 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 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

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 (20 000 litres) d’air par jour

Le nombre d’AvogadroLe nombre d’AvogadroRestons 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

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.

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.

Spinosaurus

96-65 millions d’années

53-33 millions d’années

1,8 millions- 10000 ans

Uintatherium

Nous sommes mémoire du passé de la Terre

L’atome

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

source de radium

détecteur d’

cible d’ordiaphragme

L’expérience de Rutherford

diffusés

réfléchis

déplacement du détecteur

particules

L’expérience de Rutherford

angle de diffusion

nom

bre

de

par

ticu

les

106

103

11500

0 300 600 900 1200

1. 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 principalementoccupé par les électrons et vide

l’atome a un noyau, espace réduit qui rassemble toutes les charges

positives et la masse

+

Avant Rutherford

L’atome

+--

---

-

-

-

-

-

-

--

-

-

La représentation de l’atome

Bhor- 1913modèle de couches sphériques

n = 1

n = 2

n = 3

La représentation moderne de l’atome

Les orbites électroniques

Couche principale

Sous-couche nombre d’électrons

symbole n L(0,1..n-1)

m(0,±1..±L)

symbole

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

N 4

0

1

2

3

0

-1, 0, +1

-2, -1, 0, 1, 2-3,-2,-1,0,1,2,3

s

p

d

f

2

6

10

14

Les orbites électroniques

de

l’at

ome

(dis

tan

ce é

lect

ron

s- n

oyau

)

couche n 1 2 3 4 5

Én

ergi

e d

e co

hés

ion

de

l’éd

ific

e at

omiq

ue

FE = k Zq²/d²

ss

s

s

s

p

p

p

p

d

d

d

f

f

2

nombre d’électrons

26

2

2

2

6

6

6

10

10

10

14

14

Créer au laboratoire

Le tableau périodique

groupe

période

2003 2003

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

AZE

masse atomique A = Z+N

numéro atomique Z, nombre de protons

N, nombre de neutrons

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%), 17

8O (0,03%), 188O (0,204%)

L’énergie de l’atome

photon

photon

excitation déexcitation

En réalité, l’énergie recueillie après excitation sera toujours inférieure à l’énergie

absorbée lors de l’excitation

L’énergie de l’atome

E1 E2 E5E4E3

électron libre Ec = Ephoton –E1

excitationdéexcitation

E1> E2 > E5E4 >E3 >

Ephoton> E1

visible

UV

R-X

radiations émises

L’analyse spectroscopique

Ephoton

nom

bre

de

ph

oton

s d

étec

tés

E1-E2 E1-E3

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

L’énergie utile

atome

radiations Énergie du photon

visible qques eV

ultraviolet diz-cent. eV

rayons X cent. milliers eV

l’atome absorbe plus d’énergie qu’ilen redonne, mais les émissions sont utiles

lumière (visible)

diagnostics et traitements en santé (UV et R-X)

Attention danger

La molécule

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..)

Liaison de covalence

Liaison ioniqueNa

Cl

Na+

Cl-

H

H

H2

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

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

HH

O

Energie de vibration

H H

O

Energie de rotation

1. Excitation

L’énergie associée à l’édifice de la molécule

E réaction du domaine des infrarouges proches

2. Réaction «chimique»CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Q (~200 000 calories)

E (CH4) 2E (O2) E (CO2) 2 E (H2O)

état de liberté individuelle des atomes

État deplus grande cohésion des molécules

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

L’énergie utile

atome

radiations Énergie du photon

visible qques eV

ultraviolet diz-cent. eV

rayons X cent. milliers eV

molécule infrarouge < eVchaleur

spectroscopie IR

lumière

usages

diagnostic ettraitements

Attention danger

Le noyau

Le noyau: protons et neutrons «agglutinés»

force nucléaire forte

gluons attractionsp pp nn n

attractionentre les 3 quark de l’édifice

du proton et du neutron

résidu

Le noyau

90%

10%

r0 r0 = 1,3 A1/3 10-15 m

Volume du noyau ~ A

r ~ A1/3

r

r

AZE, N = A-Z

radioisotopes isotopes instables

radioactivité: rayons particules et

Noyau d’Uranium

Nombre de protons

Nom

bre

de

neu

tron

s

Isotopes et

radioisotopes

les nombres magiques:2- 8- 20- 2850 - 82

Z = 82 (Pb)

cohésion :

N pair

Z pair

N-Z: pair-pair

Énergie de liaison par nucléon

fusion

fission

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

MeV

1

2

3

4

5

6

7

L’énergie utile

atome

radiations Énergie du photon

visible qques eV

ultraviolet diz-cent. eV

rayons X cent. milliers eV

molécule infrarouge < eVchaleur

spectroscopie IR

lumière

usages

diagnostic ettraitements

noyau rayons gamma () qques MeVdiagnostic ettraitements

Attention danger

Les particules élémentaires

Les particules élémentaires

Les trajectoires de particules élémentaires dans une chambre à bulles

Les particules élémentairesLes 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

gluonbosons

graviton

Les particules fondamentales

uquark haut

1ère famille 2ème famille 3ème famille

dquark bas

cquarkcharmé

squark étrange

tquark top

bquark beauté

électron muon tau

neutrino neutrino neutrino

charge électrique

nombre leptonique

nombre baryoniqu

e

0

0

0

0

0

-1

-1/3

2/3

1/3

1/3

1

1

baryonsleptons mésons (2 quarks)

proton et neutron

u u

d

d u

d

d u

d

u u

d

W- (- + e)

désintégration du neutron libre

charge

nombre baryonique

1

1 0

n0 p+ + - + e

agent de la force nucléaire faible

La mort du proton? (vie1032ans)

Une structure de poupée russe

corde

23 juin 1966