L’infiniment petit

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

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

4. 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 1atmosphère) Par exemple: 1 litre d’air contient (6,022 1023/ 22,4) ou environ 2,7 1022 molécules d’air (oxygène et azote).

5. 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 !

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 1,4 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.

7. Spinosaurus 96-65 millions d’années 1,8 millions- 10000 ans 53-33 millions d’années 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. diaphragme cible d’or  diffusés source de radium particules   réfléchis détecteur d’ L’expérience de Rutherford déplacement du détecteur

10. 106 103 1 300 600 900 1200 1500 0 L’expérience de Rutherford • La plupart des particules sont peu défléchies • la matière est pleine de vide • déflexion électromagnétique 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 l’atome a un noyau, espace réduit qui rassemble toutes les charges positives et la masse nombre de particules angle de diffusion 

11. - Avant Rutherford - - + - - - - - - - - - - - - L’atome + 

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

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

14. Les orbites électroniques

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

16. période 2003 2003 Le tableau périodique groupe Créer au laboratoire

17. masse atomique A = Z+N AZE numéro atomique Z, nombre de protons N, nombre de neutrons 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

18. masse atomique A = Z+N AZE numéro atomique Z, nombre de protons N, nombre de neutrons La chimie: propriétés d’appariement des électrons extérieurs de sous couches non complètes 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. photon L’énergie de l’atome En réalité, l’énergie recueillie après excitation sera toujours inférieure à l’énergie absorbée lors de l’excitation photon déexcitation excitation

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

21. E1-E2 E1-E3 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 nombre de photons détectés Ephoton Un spectre de raies caractéristiques des éléments contenus dans l’échantillon

22. qques eV visible diz-cent. eV ultraviolet rayons X cent. milliers eV lumière (visible) diagnostics et traitements en santé (UV et R-X) L’énergie utile radiations Énergie du photon atome 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. H H Na+ Cl- La molécule: une association ordonnée d’atomes Liaison de covalence  H2 mise en commun pour compléter la sous couche s2 Na Liaison ionique  ClNa Cl don de 1 électron pour compléter une sous couche p6

26. O H H 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 Energie de vibration Energie de rotation

27. état de liberté individuelle des atomes État deplus grande cohésion des molécules E (CH4) 2E (O2) E (CO2) 2 E (H2O) L’énergie associée à l’édifice de la molécule 2. Réaction «chimique» CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Q (~200 000 calories) 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. chaleur spectroscopie IR molécule infrarouge < eV L’énergie utile radiations Énergie du photon usages lumière qques eV visible atome ultraviolet diz-cent. eV diagnostic et traitements rayons X cent. milliers eV Attention danger

29. Le noyau

30. p  p p  n n  n 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

31. r 90% 10% r radioisotopes isotopes instables radioactivité: rayons  particules  et  Le noyau • Volume du noyau ~ A • r ~ A1/3 r0 = 1,3 A1/3 10-15 m r0 AZE, N = A-Z

32. Noyau d’Uranium

33. Nombre de neutrons Nombre de protons cohésion : N pair Z pair N-Z: pair-pair Isotopes et radioisotopes les nombres magiques: 2- 8- 20- 28 50 - 82 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. chaleur spectroscopie IR molécule infrarouge < eV Attention danger L’énergie utile radiations Énergie du photon usages lumière qques eV visible atome ultraviolet diz-cent. eV diagnostic et traitements 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. agent photon gluon bosons graviton 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

39. quark haut quarkcharmé quark top u c t quark bas quark étrange quark beauté d s b neutrino leptons baryons Les particules fondamentales charge électrique nombre leptonique nombre baryonique 1ère famille 2ème famille 3ème famille 2/3 0 1/3 0 -1/3 1/3 électron muon tau -1 1 0 neutrino neutrino 1 0 0 mésons (2 quarks)

40. u u u u d d u u d d d d proton et neutron charge 1 0 nombre baryonique 1 désintégration du neutron libre agent de la force nucléaire faible W-  (- + e) n0 p++ - + e

41. La mort du proton? (vie1032ans)

42. Une structure de poupée russe corde

44. 23 juin 1966