Constitution de la matière

Les particules élémentaires

Il existe de nombreuses particules élémentaires dans la matière visible, nous en retiendrons 3 qui sont très largement répandues dans l'univers et qui constituent toute la matière de notre environnement proche :

  • Protons
  • Neutrons
  • Électrons
 Masse (kg)Charge (C)
Proton1,67 x 10-27<\sup>1,60 x 10-19<\sup>
Neutron1,67 x 10-27<\sup>0
Electron9,10 x 10-31<\sup>- 1,60 x 10-19<\sup>

Remarque :
La charge du proton est exactement opposée à celle de l'électron, il s'agit de la plus petite charge positive possible, on l'appelle charge élémentaire et on la note e.
On peut compter la charge électrique en Coulomb.

L'atome

L'atome est un groupe de particules élémentaires comprenant deux parties :
Le noyau : proton et neutron : Le nombre de protons est le numéro atomique de l'atome, on le note Z. Ce numéro définit la nature de l'atome. Les protons et neutrons sont appelés nucléons, leur nombre est notée A, on l'appelle aussi le nombre de masse de l'atome. Le nombre de neutron se note A : A = Z + N
Le nuage électronique. Les électrons sont en nombre égal en protons car l'atome est électriquement neutre. Il occupe un espace très éloigné du noyau en effectuant des mouvements très désordonnés. Le diamètre de l'atome est de 10-10 m alors que celui de son noyau est de 10-15 m. On dit alors que l'atome a une structure lacunaire.

Composition du noyau

Le noyau d'un atome se compose d'éléments que l'on appelle les nucléons. Ce sont eux qui définissent le nombre de masse d'un atome.

Le nombre de masse d’un atome est le nombre de nucléons qu’il contient. Il s’agit donc de la somme du nombre de protons et du nombre de protons qui constituent le noyau de l’atome

Dans ces nucléons se trouvent des protons dont la charge est positive et des neutrons à charge neutre. Ces deux composants sont très fortement liés entre eux.

Le rayon d'un nucléon est d'environ 10-15 m alors que l'atome tout entier a un diamètre avoisinant les 10-10 m.

Stabilité de l'atome

Pour que le noyau et les électrons restent stables entre eux. Ils sont donc liés par une énergie de liaison. Si ils ne sont pas bien liés entre eux, les atomes deviennent instables et se transforment. Ils sont donc radioactifs.

Il existe trois types de radioactivité.

Comment crée-t-on de l'électricité ?
C'est grâce à l'exploitation de l'instabilité des atomes que l'on a pu créer de l'électricité avec l'énergie de la fission atomique.
Radioactivité gamma

La radioactivité gamma est un rayonnement provoqué par une désintégration gamma. Le plu souvent, ces désintégrations accompagnent des désintégrations alpha ou bêta. En effet, quand il émet un rayon alpha ou bêta, le noyau devient excité. Lors de l’émission d’un rayonnement électromagnétique gamma, le noyau peut donc redescendre à un état plus stable.

Radioactivité bêta

La radioactivité bêta est un type de désintégration radioactive où une particule bêta (électron ou positron) est émise. On parle de radioactivité bêta + quand un positron est émis mais on parle de radioactivité – quand c’est un électron qui est émis.

Radioactivité alpha

La radioactivité alpha est un rayonnement provoqué par une désintégration alpha qui est une désintégration radioactive où un noyau atomique éjecte une particule alpha qui se transforme en un autre noyau dont le nombre de masse est diminué de 4 et le numéro atomique de 2 à cause de la particule alpha manquante qui est analogue au noyau d’hélium 4.

Certains noyaux qui ont une bonne énergie de liaison restent stables. En réalité, la stabilité n'existe pas vraiment. On considère qu'on atome est stable quand sa demie-vie est égale à 1033 années, soit la durée de vie du proton.

En conclusion, il n'existe aucun noyau qui soit réellement stable à l'échelle de l'Univers. Par exemple, le diamant que nous trouvons tous très solide et stable est instable à l'échelle de la Terre mais stable à l'échelle de l'Homme.

L'électronégativité

La stabilité des structures électroniques est aussi impactée par l'électronégativité.

L’électronégativité d'un élément est sa capacité à attirer les électrons lors de la création de liaisons chimiques avec d'autres éléments

On peut trouver l'électronégativité d'un élément grâce à sa position dans le tableau périodique des éléments.
En effet il existe un lien entre la période et l'électronégativité.

Par exemple, en lisant le tableau de gauche à droite, sur une période, l'électronégativité augmente. Il en va de même si on lit le tableau de bas en haut par colonne.

La classification périodique des éléments, aussi appelée tableau de Mendeleïev, du nom de son créateur. C’est un chimiste russe qui en 1869 créa un tableau dont le but était de regrouper tous les éléments chimiques connus par points communs (groupes et familles par exemple). Il a souvent été ajusté et mis à jour depuis cette époque.

Sa dernière révision date de 2016 par l’UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée), une ONG suisse qui a pour but l’évolution de la physique-chimie. Le tableau périodique compte à ce jour 118 éléments.

L’UICPA, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée est une organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, en Suisse. Créée en 1919, elle s’intéresse au progrès de la chimie, de la chimie physique et de la biochimie. Ses membres sont les différentes sociétés nationales de chimie et elle est membre du Conseil International pour la Science
L’UICPA est une autorité reconnue dans le développement des règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et autres terminologie des éléments chimiques et leurs dérivé via son Comité Interdivisionnel de la Nomenclature et des Symboles. Ce comité fixe la nomenclature de l’UICPA

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L'expérience de Van der Waals

Quelles interactions lient les molécules entre elles ?
Les propriétés des atomes qui constituent les molécules sont créatrices d'interactions entre ces dernières. L'expérience de Van der Walls permet d'en montrer une certaine catégorie.

Les interactions de Van der Waals sont des interactions faibles inter-moléculaires. Le nom de ces interactions à été donné en l’honneur du physicien Johannes Diderik Van der Waals, prix Nobel de physique.

Dans les solides moléculaires il existe une interaction qui s’exerce entre les molécules appelée interaction de Van der Waals : elle est d’autant plus importante que les liaisons sont polarisées. Les interactions de Van der Waals sont donc des interactions entre dipôles électriques.

Cependant l’interaction de Van der Waals peut s’exercer aussi sur des liaisons et atomes initialement non polarisés mais dont l’environnement (les atomes voisins) provoque une polarisation temporaire.

Les interactions de Van der Waals ne concernent que des atomes se trouvant à une très courte distance. Quand les atomes sont suffisamment proches, les électrons de l’un sont attirés par les électrons de l’autre atome. Cependant si les atomes sont trop rapprochés, l’effet inverse se produit, il y a une sorte de répulsion.

L’interaction de Van der Wall est donc une interaction électrique entre les charges partielles de liaisons ou d’atomes polarisés de manière permanente ou temporaire: elle assure la cohérence des solides moléculaires.

Interaction gravitationnelle

Historique

La théorie de la gravitation prend ses racines dans l'antiquité où l'on s'interroge sur les mouvements des planètes et se poursuit entre le 16ème et 18ème siècles où les travaux de Kepler et Galilée permettent à Newton d'établir la théorie de la gravitation.

Principe et énoncé

Cette loi affirme que deux corps ponctuels A et B de masse respective ma et mb s'attirent mutuellement. A exerce une force IMAGE et B une force IMAGE. Ces deux forces sont :
Dirigées selon la droite passant par A et B et de sens opposé.
De valeur commune.

On a simplifié le principe de la gravitation en assimilant les objets à des points.

Propriétés et notations

On utilise les vecteurs pour représenter les forces de gravitation et on met en indice les objets qui exercent, et sur lesquels sont exercés les forces.
L'approximation des objets à des points et bonne tant que la distance qui les sépare est très supérieure à leur taille.
La force de gravitation est une force répartie sur tout le volume des objets. Elle possède donc une infinité de points d'application. On conviendra qu'elle ne s'applique qu'en un seul point : le centre de gravité.

L'interaction électromagnétique

Historique

Ici encore, les grecs sont à l'origine de l'étude des phénomènes électriques. Pendant 2000 ans, les phénomènes électriques naturels sont remarqués et reconnus comme tel. Il n'y avait tout de fois pas de théorie pour les comprendre. En 1785, Mr Coulomb énonce une loi permettant de comprendre les corps chargés. De nombreux travaux sont alors entrepris jusqu'à la publication en 1865 de la théorie de Mr Maxwell qui constitue le fondement de l'électromagnétisme moderne.

Comment se crée un champ magnétique ?
Les champs électromagnétiques sont créés sur les antennes radio quand elles diffusent des ondes. Cela est valable pour les antennes de radiophonie, de télévision ou encore de téléphonie.

Principe et énoncé

Dans un premier temps, on se limite au domaine électrostatique et l'on étudie la loi énoncée par Coulomb : deux charges ponctuelles, q et q', distantes de d exerçant l'une sur l'autre des forces qui sont :
Dirigées suivant la droite passant par les deux charges et sens opposé.
De valeur commune

Remarque :
La portée de cette interaction est infinie. De même que celle de l'interaction gravitationnelle.

Propriétés et notations

On utilise à nouveau les vecteurs pour représenter une force.
La charge électrique est q si elle est ponctuelle et Q si elle est étendue.
La charge électrique se mesure en Coulomb, elle peut aussi se mesurer en nombre de charges élémentaires.
Si on veut comparer la force électromagnétique et la force gravitationnelle, on va calculer la force de gravitation entre un électron et un proton dans un noyau d'hydrogène.
La force coulombienne est 1040 fois plus intense que la force gravitationnelle. C'est elle qui domine à l'échelle de l'atome mais aussi à l'échelle humaine. La force gravitationnelle domine à l'échelle cosmique et n'est pas sensible en dessous de cette échelle.

Phénomène d'électrisation

Il existe deux sortes de corps électrique : les isolants et les conducteurs. Dans les isolants, les déplacements des électrons sont limités à la taille d'un atome. Dans les conducteurs, certains électrons circulent librement dans tout le matériau, se sont les électrons libres.

Électrisation par frottements

On peut électriser un corps en le frottant de façon à lui arracher des électrons en les transférant sur une autre corps. On obtient alors un corps chargé négatif, celui qui a récupéré les électrons; et un autre chargé positif, celui qui a perdu ses électrons. Elle ne marche qu'avec des corps isolants.

Électrisation par influence

Si on approche un corps chargé d'un conducteur isolé, on déplace les charges électriques dans le conducteur. Il en résulte un déséquilibre entre les charges positives et négatives et on l'appelle polarisation.
Ex : pendule électrostatique.

Conduction dans les métaux

Dans les métaux, se sont les électrons libres qui sont responsables de la conduction électrique. En plus de leur mouvement désordonné, on peut alors leur donner un mouvement cohérent dans un seul sens en plaçant une tension électrique aux extrémités du métal. Le débit des électrons à l'intérieur des conducteurs définit l'intensité électrique.

Quel matériau est utilisé pour les câbles électriques ?
Beaucoup de métaux sont conducteurs. Cependant, certains sont meilleurs conducteurs que d'autres. C'est le cas du cuivre par exemple. C'est pour cela que c'est ce matériau qui entre dans la composition des câbles électriques.

Conduction dans les liquides

Dans les liquides, les porteurs de charge sont les ions. Les électrons ne circulent pas dans les liquides. Ce sont les ions qui déterminent la conduction d'une solution.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.