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Physique moderne
Au début du XXème^ siècle, avec la découverte de la radioactivité et le développement d'accélérateurs de particules, on commence à dévoiler la structure de la matière à l'échelle subatomique. ● (^) L'atome possède un noyau dur en son centre, responsable des phénomènes de radioactivité, manifestations de nouvelles forces : les interactions forte et faible – cours d'aujourd'hui ● (^) La théorie de la relativité est confirmée : la vitesse de la lumière ne dépend pas du système de référence, l'espace et le temps sont relatifs, et on a une relation entre l'énergie et la masse E = mc^2 – pas inclus dans le cours (sauf E = mc^2 ) ● (^) À petite échelle, la matière suit les lois de la mécanique quantique : tantôt elle se comporte de manière ondulatoire, tantôt de manière corpusculaire – derniers cours
Rappel: force
Une force (ou interaction) est ce qui cause un corps massif à se mettre en mouvement. En termes physique, la force F exercée (par l'intermédiaire d'un champ) sur une masse m cause une variation de vitesse, ou accélération a = d V /d t. Dans l'espace en trois dimensions, la force et l'accélération ont une direction et sont donc représentées comme des vecteurs : Avec la définition de la quantité de mouvement p = mv, la force est la variation de quantité de mouvement : Ainsi, si aucune force n'agit sur un corps massif, sa quantité de mouvement sera constante → loi d'inertie.
Forces fondamentales et matière à l'échelle subatomique
● (^) Les intéractions gravitationnelle et électromagnétique agissent à l'échelle humaine. Nous en faisons l'expérience dans la vie de tous les jours. ● (^) Les intéractions forte et faible agissent au niveau subatomique – celui des noyaux, protons, quarks et électrons.
Interaction forte
p p
n
● L'interaction forte est exercée et subie par les quarks, par l'intermédiaire de gluons. ● (^) Elle est attractive et confine les quarks par trois. ● (^) Les quarks stables sont le up ( u , charge électrique +2/3e) et down ( d , charge électrique -1/3e). ● (^) Ainsi : uud forme le proton ( p , charge électrique +e) et udd le neutron ( n , charge électrique nulle). ● (^) Les protons s'attirent par interaction forte résiduelle exercée entre les quarks, mais ils se repoussent par interaction électromagnétique. ● (^) Si on rajoute des neutrons, l'interaction forte
l'emporte et on forme un système lié, le noyau. noyau
Noyau atomique
Le noyau occupe une toute petite région au centre de l’atome. Les protons et neutrons qui le constituent sont appelés collectivement nucléons. La charge d'un proton (+e = 1.602· 10 -19^ C) est positive, égale et opposée à la charge d’un électron (-e). Un atome électriquement neutre a donc autant de protons dans le noyau que d’électrons en orbite.
atome
~ 10 ¹⁻ ⁰ m = 0.1 nm = 1 Å
noyau
~ 10 ¹ -10 ¹⁻ ⁵ ⁻ ⁴ m
= 1-10 fm
QCM
Quelle proposition est vraie (plusieurs réponses possibles)? A) Les protons et neutrons dans les noyaux constituent essentiellement la masse de tout objet B) Le nombre de protons dans le noyau gouverne les propriétés d'un élément chimique C) Un neutron est plus stable lorsqu'il se trouve dans un noyau D) Pour former un noyau de charge éléctrique +8e, il faut rapprocher 8 protons à une distance inférieure à 1 fm
Isotopes
Le noyau (ou nucléide) est caractérisé par son nombre de protons ou numéro atomique Z et nombre de neutrons N. Le nombre total de nucléons est appelé nombre de masse A = Z + N. Si X est le symbole chimique de l'élément, le noyau est représenté par le symbole général , ou souvent simplement AX. Un élément chimique est déterminé par son nombre de protons Z (qui détermine le nombre d'électrons pour un atome neutre et donc la structure électronique). Par exemple tout noyau contenant 6 protons ( Z =6) forme un atome de carbone. On appelle isotopes des noyaux ayant le même nombre de protons, et donc formant le même élément. Par exemple, les noyaux 126 C (carbone- 12), 136 C (carbone-13) et 146 C (carbone-14) sont trois différents isotopes de l’élément carbone ( Z =6) : on les trouve tous les trois dans les molécules organiques. Leur abondance naturelle diffère : 98.9% de 126 C, 1.1% de 136 C et 10−12^ de 146 C. On appelle isobares des noyaux ayant le même nombre de masse A , par exemple 146 C et 147 N.
Tableau périodique des éléments
L'élément chimique est déterminé par Z (nb protons). Attention: chaque élément peut posséder plusieurs isotopes avec nombres de masse A (et nb de neutrons) différents – ici uniquement l'isotope le plus courant est indiqué.
Z
élément A
chimique
Systèmes liés
états excités (instables) particule libre état fondamental Lorsqu'on a une force attractive entre particules, celles-ci vont tendre à former des systèmes liés. Exemples : noyaux et électrons (atomes), protons et neutrons (noyaux). Il faut fournir de l'énergie à une particule pour la libérer du système (dans l'analogie de la balle et la Terre → remonter les marches d'escalier). L'énergie à fournir pour que la particule devienne libre (tout en haut du puits) est appelée énergie de liaison. La particule va d'elle-même tendre à trouver un état d'énergie plus faible (tomber en bas des marches) et ce faisant va dégager de l'énergie. À un moment donné les particules ne peuvent pas se rapprocher plus : elles ont trouvé l'état d'énergie le plus bas, appelé état fondamental. Les états liés d'énergie plus élevée que le niveau fondamental sont appelés états excités.
QCM
Une molécule d'azote dans un état excité émet de la lumière ultraviolette de fréquence f = 9· 1014 Hz. Quelle proposition est correcte (plusieurs réponses possibles)? A) L'énergie de liaison de la molécule diminue de 3.7 eV B) L'énergie de liaison de la molécule augmente de 3.7 eV C) La masse de la molécule diminue de 3.7 eV/ c^2 D) La masse de la molécule augmente de 3.7 eV/ c^2
Masse et énergie de liaison
Masse et énergie sont équivalentes par la fameuse relation E = mc^2 de la théorie de la relativité d'Einstein. Ainsi, même au repos, toute particule possède une énergie intrinsèque proportionnelle à sa masse. Un système de particules liées se trouve dans un état d'énergie potentielle inférieur à celui des particules prises séparément (si ce n'était pas la cas, le système se désintégrerait de lui-même). Donc, selon l'équivalence masse- énergie, un système lié possède une masse inférieure à la somme des masses individuelles des particules (libres) qui le composent. La différence de masse est équivalente à l'énergie de liaison des particules du système. La force nucléaire implique des énergies de liaison particulièrement élevées! (2mp + 2mn)c^2 = 3755.7 MeV
Noyau
mαc^2 = 3727.4 MeV Énergie de liaison nucléaire Particule α 28.3 MeV (me + mp)c^2 = 938.78308 MeV
Atome
mHc^2 = 938.78307 MeV Énergie de liaison atomique Hydrogène 13.6 eV
Unités de masse
En physique atomique, les masses sont exprimées en unité de masse atomique (uma), aussi appelé dalton. Par définition, un uma est exactement un douzième de la masse d'un atome de carbone neutre (^126 C), qui comprend 6 protons et 6 neutrons liés à l'intérieur du noyau de carbone, ainsi que 6 électrons. Dans cette unité, la masse de l’électron devient 0.00054858 uma, celle du neutron libre 1.008665 uma, celle du proton libre 1.007276 uma et celle d’un atome d’hydrogène neutre 11 H (proton + électron) 1.007825 uma. La définition de l'uma est directement liée à celle du nombre d'Avogadro NA : par définition 1 mole de carbone pèse 12 g et contient NA atomes, et donc On exprime souvent les masses nucléaires à l’aide de l’unité d’énergie électron-Volt eV. Un uma équivaut à la quantité d'énergie E = mc^2 = 931.494· 106 eV = 931.494 MeV. En règle générale, le nombre de masse A d'un noyau diffère légèrement de sa masse en uma (sauf 12 C), car l'énergie de liaison par nucléon est différente, et aussi à cause de la masse des électrons.
QCM (réponse)
Comment exprime-t-on la masse d'un proton mp (plusieurs réponses possibles)? A) mp = 1.007276 uma B) mp = 1 uma C) mp = 938.27 MeV D) mp = 938.27 MeV/c^2 Un uma est un douzième de la masse de l'atome de carbone (12 nucléons et 6 électrons), soit un peu moins que la masse du proton libre à cause de l'énergie de liaison des nucléons. 938.27 MeV correspond à la quantité d'énergie E contenue dans le proton du fait de sa masse. Pour avoir une unité de masse ( m = E/c^2 ), on divise par la vitesse de la lumière au carré, d'où la notation MeV/c^2 pour les unités de masse, qui permet d'éviter les calculs inutiles. En fait, en physique des particules, on triche souvent en écrivant juste MeV pour une unité de masse tout en sachant qu'on a omis le terme 1/ c^2.
Exemples de masses atomiques
Les masses apparaissant dans ce tableau sont, comme il est d’usage, celles de l’atome neutre et non celles du noyau. L'* désigne les élements radioactifs. Question Quel élément dans ce tableau a le noyau avec la plus grande énergie de liaison par nucléon?
