Qu’est-ce que la matière ?

La matière désigne l’ensemble des composants et objets, naturels ou synthétiques, qui compose notre environnement.

La matière occupe une place et est caractérisée par une masse et un volume.

Les différents états de la matière

Sur Terre et plus généralement dans l’Univers, on rencontre la matière sous différentes formes. On appelle ces formes les états de la matière.

Les voici :

  • solide,
  • liquide,
  • gazeux
  • et plasma.

Ces états dépendent de la température et de la pression et caractérisent un niveau d’organisation de la matière.

Lorsque la matière passe d'un état à l'autre, elle effectue une transition de phase.

Dans les conditions normales de température et de pression terrestres, la matière se présente sous les trois états suivants : solide, liquide et gazeux.

Le quatrième état, le plasma, apparaît dans des conditions de température et de pression extrêmes. Dans ces conditions, même la structure atomique est totalement désorganisée. Ainsi, dans l’état de plasma, les constituants de l'atome se séparent. Les noyaux et les électrons se déplacent indépendamment et forment un mélange globalement neutre.

Cet état de neutralité en font l’état le plus important de l’Univers : le plasma représente près de 90% de la matière visible.

Le plasma dans la vie quotidienne

Quels sont les quatre états de phase de la matière ? La plasma est présent dans notre vie dans les télévisions, les néons...

Sur Terre, on rencontre le plasma dans la Nature sous très peu de formes différentes. Par exemple, la foudre des orages contient du plasma.

C’est également le cas des aurores boréales.

Le plasma est aussi utilisé dans des objets du quotidien car il permet une très grande conductivité. On le trouve notamment dans les écrans de télévision dits “plasma”, mais aussi dans les tubes néons ou dans certaines lampes appelées boules ionisantes.

L'organisation de la matière aux différentes échelles

Pour bien décrire chaque étape dans la modélisation de la matière et de l’univers, il est nécessaire d’avoir en tête les principaux ordres de grandeur :

Organisation de la matièreOrdre de grandeur
(en mètre)
Les nucléons s'associent pour former des noyaux atomiques10-15
Les noyaux forment avec les électrons des atomes10-10
Les atomes peuvent se lier entre aux pour former des molécules10-8
Les molécules interviennent dans la composition des cellules vivantes10-5
Les cellules constituent les êtres humains100
Les être humain vivent sur  une planète: la Terre107
La Terre est une planète du système solaire1013
Le système solaire fait partie d'une galaxie: la voie lactée1021
La voie lactée fait partie de notre univers1026

Les constituants de la matière

L’atome

La constitution de l’atome

Les atomes sont des particules neutres constituées d'un noyau central autour duquel tournent des électrons.

Le noyau porte une charge électrique positive. Son diamètre est d'environ 10-15 m.

Le nuage électronique qui l'entoure est chargé négativement. Son diamètre est d'environ 10-10 m.

Ainsi, le noyau est cent mille fois plus petit que le nuage électronique, mais il est plus de mille fois plus lourd.

Le noyau représente environ 10 à 15% du volume de l'atome mais 99,9% de la masse de l'atome.

Si on parle du rayon de l'atome alors on évoque en fait le rayon de son nuage électronique. Par conséquent, les atomes ont un rayon de quelques nanomètres.

Comment peut-on représenter l'atome ? Protons, neutrons et électrons constituent l'atome

Les nucléons

Le noyau de l'atome est composé de nucléons. Il en existe deux sortes :

  1. les protons
  2. et les neutrons.

Les neutrons sont des particules neutres tandis que les protons portent une charge électrique élémentaire positive (+e = 1,6 x 10-19 C, où C est le Coulomb, unité de charge électrique du système international).

Leur masse est en revanche pratiquement la même. Elle vaut environ 1,67 x 10-27 kg ce qui correspond à un ordre de grandeur de 10-27 kg.

Les électrons

Il tournent autour du noyau et portent chacun une charge électrique élémentaire négative (-e = -1,6 x 10-19 C). Leur masse est nettement plus faible que celle des nucléons et vaut 9,1 x 10-31 kg ce qui correspond à un ordre de grandeur de 10-30 kg.

Les électrons sont fondamentaux en chimie.

Ils sont en effet impliqués dans presque toutes les réactions chimiques et sont un élément primordial dans la constitution des liaisons présentes dans les molécules.

Représentation de l’atome

Pour représenter l’atome, élément constitutif de la matière, on utilise le symbole chimique de l'élément, accompagné du nombre de nucléons (A) et du numéro atomique (Z).

    \[_B^AX\]

  • X est le symbole de l’atome considéré
  • A et Z permettent de connaître les principales caractéristiques d'un atome:
  • A indique le nombre de nucléons de l’atome X. A est un entier et est également appelé nombre de masse.
  • Z indique le nombre de protons dans le noyau. Z est un entier et est appelé numéro atomique.
  • La différence A - Z permet d'obtenir N, le nombre de neutrons

Exemple : la notation symbolique d’un noyau atomique de Carbone est :

    \[_6^{12}C\]

On en déduit que l’atome de carbone contient 12 nucléons, 6 protons et donc 6 neutrons (12-6).

Plus généralement, le noyau comporte Z charges positives, et le nuage électronique comporte Z charges négatives : Z électrons.

Etant donné que la masse molaire d'un nucléon est de 1g, A indique aussi la masse atomique molaire en gramme.

La notion d’isotope

Chaque élément chimique est caractérisé par un nombre de protons. Des noyaux ayant le même nombre de protons peuvent avoir un nombre de neutrons différent : on dit alors que ces atomes sont des isotopes.

Actuellement, les scientifiques ont découvert environ 325 isotopes naturels.

1200 isotopes ont quant à eux été créés artificiellement.

Les isotopes d’un même élément ont des propriétés chimiques similaires mais des propriétés physiques différentes, notamment en ce qui concerne leur stabilité ou leur radioactivité.

Prenons l’exemple de l’uranium : il possède 17 isotopes et tous sont radioactifs.

En effet, les atomes d’uranium possèdent tous 92 protons mais ils ont entre 125 et 150 neutrons.

Seuls trois d’entre eux sont présents naturellement sur Terre. Le plus fréquemment rencontré (à plus de 99%) est l’uranium 238. Le nombre 238 correspond à la somme des neutrons et des protons, c’est-à-dire l’intégralité de ses nucléons.

La charge électrique des particules

Qu’est ce qu’une charge électrique ?

Dès lors qu’existe une interaction électrique entre des particules, on parle de charge électrique.

Certaines particules ont une charge. On dit alors qu’elles sont « chargées ». D’autres n’en n’ont pas et sont dites neutres.

Quand des particules sont chargées, la nature de l’interaction permet de distinguer les deux catégories de charges électriques. En effet, si les particules chargées s’attirent, alors on parle de charge positive. En revanche, si les particules chargées se repoussent, alors on dit que la charge est négative.

On associe à cette catégorie de charge électrique une valeur pour évaluer son intensité. Ainsi, plus la charge électrique est importante, aussi bien en positif qu’en négatif, et plus la valeur de la charge électrique est importante.

La charge électrique élémentaire

La charge électrique portée par un électron ou un proton est (en valeur absolue) la plus petite qui puisse exister, du moins jusqu’à ce qu’on découvre les quarks.

Cela signifie que toute particule chargée porte une charge qui est un multiple de cette charge élémentaire.

Cette charge est appelée charge électrique élémentaire. Elle est notée e et sa valeur est de 1,6 x 10-19 C. La charge de toute particule chargée peut donc se noter n x e où n est un entier positif ou négatif.

Exemples d’outils de recherche sur l’atome

La recherche pour découvrir les origines des particules atomiques et subatomique est complexe et coûteuse. En effet, nombre de particules élémentaires sont instables : elles se désintègrent rapidement en d'autres particules.

Cela rend leur étude longue et compliquée. Comprendre les phénomènes d'agrégation, de désagrégation, de transformation des particules qui composent la matière nécessite des outils de pointe.

Qu'est-ce qu'un accélérateur de particules ? Des outils de pointe permettent aux physiciens d'étudier les particules

Les accélérateurs de particules

Les accélérateurs ont été inventés dans le but de produire des particules énergétiques. Ces particules énergétiques sont utilisées pour sonder la structure du noyau des atomes. Depuis, on les utilise pour aller encore plus loin et explorer divers aspects de la physique des particules.

Comme leur nom l’indique, les accélérateurs à particules ont la fonction d’accélérer des faisceaux de particules pour en augmenter l’énergie, grâce à des champs électriques, de guider et de focaliser ces faisceaux, grâce à la constitution de champs magnétiques.

Les accélérateurs de particules peuvent être de plusieurs formes :

  • en anneau : on parle alors d’accélérateur circulaire. Les faisceaux de particules circulent en boucle.
  • en ligne droite : on les appelle donc des accélérateurs linéaires. Les faisceaux de particules vont d’une extrémité à l’autre de l’accélérateur.

Plusieurs accélérateurs d’énergie croissante peuvent être reliés, de façon à former une chaîne : c’est le cas du complexe d’accélérateurs du CERN.

Le grand intérêt de ces équipements hors normes est qu’il permettent de provoquer des collisions de particules à des vitesses proches de celle de la lumière, pour en créer de nouvelles et étudier leurs propriétés.

Il est ainsi possible de recréer des conditions d'énergie, de température ou de pression proches de celles qui existaient au début de l'Univers. Ces conditions permettent l’apparition de particules fugaces, comme celles qui existaient dans les premiers instants de l’Univers.

A titre d’exemple, le LHC (Large Hadron Collider) est le plus grand accélérateur de particules au monde.

Il est installé dans un tunnel en forme d’anneau de 27 km de circonférence, creusé à 100 mètres sous terre entre la France et la Suisse et permet d’observer, grâce à des détecteurs géants, les particules fugaces issues de l’accélération.

Les observatoires spatiaux

L’étude de l’Univers est intimement liée à la physique des particules. Elles tendent toutes les deux à comprendre l’origine de l’Univers, son évolution et sa composition.

Parmi les phénomènes observables, notons les rayons cosmiques qui, malgré leur nom ne sont pas des rayons (ondes électromagnétiques), mais des flots de particules arrivant de l’espace, parfois à très grande vitesse.

Certains observatoires spatiaux permettent d’observer et de mieux appréhender certaines particules cosmiques.

Un observatoire de rayons cosmiques est un observatoire astronomique spécialisé dans la détection des particules à haute, voire très haute, énergie appelées rayons cosmiques.

Les particules du rayonnement cosmique sont des protons, ou des particules alpha, et quelques électrons.

Vous avez aimé l’article ?

Aucune information ? Sérieusement ?Ok, nous tacherons de faire mieux pour le prochainLa moyenne, ouf ! Pas mieux ?Merci. Posez vos questions dans les commentaires.Un plaisir de vous aider ! :) (5,00/ 5 pour 2 votes)
Loading...

Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).

Vous avez aimé
cette ressource ?

Bravo !

Téléchargez-là au format pdf en ajoutant simplement votre e-mail !

{{ downloadEmailSaved }}

Votre email est invalide