De l’atome aux galaxies, cohésion
de la matière
Structure de l’atome
Atome
Nuage électronique
Noyau
neutrons protons
électrons
Proton Neutron
Dnoyau = 10-15 m = 1 fm Dnuage = 10-10 m = 0,1 nm
Comme une tête d’épingle (d ~ 1 mm) placée au centre d’un terrain de football (~100 000 mm soit 100 m)
nucléons
Comparons la taille de l’atome à celle du noyau:
Les particules élémentaires De l’atome aux galaxies, cohésion
de la matière
Charge électrique Masse Proton qp = + e = 1,6 × 10-19 C 1,673 × 10-27 kg Neutron qn = 0 1,675 × 10-27 kg Électron qe = - e = -1,6 × 10-19 C 9,1 × 10-30 kg
Protons et neutrons sont des nucléons.
Protons et électrons ont des charges opposées Dans le nuage électronique, les électrons se
répartissent dans des couches ou niveaux d’énergie de nombre quantique n appelées couches K, L,
M…, une couche de nombre quantique n peut accueillir au maximum 2n2 électrons (saturée).
Comparons la masse d’un électron à celle d’un nucléon:
Proton et neutron ont pratiquement la même masse.
L’électron est environ1800 moins massif qu’un nucléon. Toute la masse de l’atome est dans le noyau, extrêmement dense.
Une cuillerée à café de noyaux
pèserait
comme 10 000 pétroliers…
C’est le cas
dans les étoiles à neutrons où les noyaux se touchent.
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de la matière
Représentation d’un atome
Le nombre de protons du noyau est appelé numéro atomique, symbole Z.
Le nombre total de nucléons du noyau
(protons + neutrons) est appelé nombre de masse, symbole A.
Le nombre de neutrons n du noyau s’obtient par différence : n = A – Z.
Un atome est électriquement neutre et possède le même nombre d’électrons que de protons (Z).
Symbole d’un atome:
Atome
protons 1 6 17 26 92
neutrons 0 6 18 30 133
électrons 1 6 17 26 92
Exemples:
A est aussi la
masse molaire de l’atome exprimée en g.mol-1.
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Isotopes
Des atomes sont dits isotopes s’ils ont le même nombre de protons mais pas le même nombre de neutrons.
On peut parler aussi de noyaux isotopes.
Des atomes isotopes ont donc:
- le même nombre d’électrons, - la même formule électronique, - les mêmes propriétés chimiques,
- ils sont dans la même case de la classification périodique des éléments (même Z, même
symbole),
- ils ne sont différents que pour certaines propriétés physiques qui dépendent de la masse.
- ils n’ont pas le même nombre de neutrons, - ils n’ont pas la même masse (A différents),
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de la matière
Exemples d’isotopes d’un même élément chimique:
Certains atomes ou noyaux sont instables.
Ils ont trop (ou pas assez) de neutrons par rapport aux protons.
Ils se désintègrent spontanément mais progressivement.
On dit qu’ils sont radioactifs.
C’est le cas du carbone 14 ou de l’uranium 235.
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Interactions fondamentales
Noyau 10-15 m
Atome 10-10 m
Molécule 10-9 m Cellule 10-6 m
© Inserm
Un humain 100 m
Lune 106 m Système solaire 1013 m
© NASA
Galaxie 1021 m
Interaction
gravitationnelle Interaction
électromagnétique Interaction forte et faible
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de la matière Loi de la Gravitation
Soit 2 corps de masses mA et mB distants de d.
Ils exercent l’un sur l’autre une force attractive, proportionnelle à chacune des 2 masses mA et mB , et inversement proportionnelle au carré de la
distance d entre leurs centres:
mA et mB en (kg) d en (m)
G est la constante universelle de
Gravitation
G = 6,67 × 10-11 N.m2.kg-2
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de la matière Loi de la Gravitation
Exercice
Montrer que le poids (P = m x g), n’est autre que la force de
gravitation exercée par la Terre sur un objet de masse m:
Objet:
Masse m = 60 kg Terre:
Masse: MT = 5,98 x 1024 kg Rayon: RT = 6,378 x103 km G = 6,67 x 10-11 N.m2.kg-2
Faire un dessin et comparer les 2 forces.
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Interactions électrostatiques
Soit 2 charges électriques q et q’.
Si elles ont le même signe, + et + ou - et -
alors le produit q x q’ > 0
Si elles sont de signes contraires ou opposés + et - ou - et +
alors le produit q x q’ < 0 Enoncé de la
loi de Coulomb
Soit 2 charges q et q’ distantes de d, elles exercent l’une sur l’autre une force
attractive ou répulsive:
Attractive si les charge sont de signes opposés, répulsive si les charges sont de même signe.
k est une constante qui vaut:
k = 9 x 109 N.m2.C-2
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de la matière
Exercice
Comparer le force électrostatique et la force gravitationnelle entre le proton et l’électron dans l’atome d’hydrogène:
