Initiation à l`atomistique

ATOMISTIQUE, CHIMIE, PHYSIQUE DES PARTICULES : initiation
Pascal CHASSANG pour le club OCTAN – 13.12.2002 - 10.01.2003 - 07.02.2003 - 04.04.2003
C’est peut-être l’exposé le plus pointu que nous ayons fait.
Je vais essayer de parler lentement.
Je vous conseille fortement de prendre des notes.
Il y a pas mal de vocabulaire : je vais pointer à chaque fois les mots les plus importants.
Surtout, interrompez-moi tout de suite si vous ne comprenez pas quelque chose !
Introduction : la matière
Quels sont les 3 états ? solide, liquide, gazeux
Qu’est-ce qui fait la différence entre ces 3 états ? Leur densité = les briques qui constituent la matière sont plus ou moins espacés
Ces briques, ce sont quoi ? Les atomes (science physique : atomistique, physique nucléaire) et les molécules (science chimie : minérale,
organique, cinétique, analytique, biochimie, thérapeutique)
Atome = la plus petite partie d’un corps simple (exemple l’oxygène)
Molécule = la plus petite partie d’un corps composé (exemple l’eau)
I. Atomes
a) Commençons par les atomes : ce sont les briques élémentaires de toute la matière, ou les éléments
On connaît une centaine d’éléments : chacun 1 exemple
Ils ont tous une masse différente
Ils ont tous des propriétés différentes
Les physiciens les ont classés et numérotés en fonction de leur masse : c’est la célèbre classification périodique des éléments ou table de
Mendeléev
Le numéro est le numéro atomique : exemple du carbone (6), de l’oxygène (8), du fer (26)
Chacun a un symbole : exemples
Et dans cette table, on remarque que les éléments d’une même colonne ont des propriétés analogues, on dit qu’ils sont de la même famille.
b) Rentrons dans le détail de la constitution d’un atome :
Un atome est constitué de quoi ? Un noyau et des électrons qui tournent autour (dessin)
Le noyau est constitué en général de protons et de neutrons
L’électron a une charge électrique négative
Le proton a une charge électrique positive
Le neutron n’a pas de charge électrique, il est neutre
Electrons, protons et neutrons sont des particules
Et toute la variété de tous les corps et de tout le vivant ne vient que de l’arrangement de ces 3 particules élémentaires seulement !
Incroyable autant de variété avec seulement 3 briques différentes !
c) Lien avec la table de Mendeléev :
C’est le nombre de protons qui fait au départ la différence entre chaque atome
L’atome d’hydrogène a 1 proton

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L’atome d’hélium a 2 protons
L’atome de carbone (6)
L’atome d’oxygène (8)
L’atome de fer (26)
Il y a autant d’électrons que de protons, ainsi chaque atome est neutre
Et il y a en général autant de neutrons que de protons, mais pour chaque élément, il peut y avoir des variantes, c'est-à-dire que le nombre
de protons est identique mais que le nombre de neutrons est différent. On appelle ça des isotopes : chaque élément a autant d’isotopes que
de possibilités d’avoir des nombres de neutrons différents.
Exemple de l’atome d’hydrogène : 1 P + 1 e- qui a un isotope, le deutérium (1 P + 1 e- + 1 N)
Exemple du carbone 14 (6 P + 6 e- + 8 N) contre (6 P + 6 e- + 6 N) pour le carbone 12, normal
Ensuite vous voyez sous le symbole de l’élément, un nombre, c’est la masse atomique de chaque élément = la somme du nombre de protons et
de neutrons.
Vous voyez ainsi que l’on peut connaître le nombre de neutrons de chaque élément en faisant une soustraction. Exemple de l’hélium (2 N), du
fluor (10 N)
Cette masse atomique correspond donc pratiquement à la masse réelle de chaque atome (un électron pèse beaucoup moins lourd qu’un proton
ou un neutron et est négligeable en comparaison), en considérant la masse de l’hydrogène pour 1.
Combien pèse un atome de carbone par rapport à un atome d’hydrogène ? (6 x)
Combien pèse un atome d’oxygène par rapport à un atome d’hélium ? (4 x)
II. Molécules
Ce sont les électrons qui permettent aux atomes de s’accrocher entre eux, plus ou moins facilement en fonction de leurs propriétés. Ainsi ils
se combinent de différentes manières et forment des corps composés (ou molécules) aux propriétés toutes différentes.
[sortir la classification périodique des éléments]
1. Liens entre les atomes
a) Orbitales
On a vu que les électrons se trouvaient autour des noyaux atomiques, mais qu’on ne peut pas savoir où à un instant donné. On définit un
volume, à l’intérieur duquel la probabilité de présence de l’électron est de 95 %. Ce domaine de probabilité de présence est appelé orbitale.
Chaque orbitale a une forme et une orientation. Les atomes vont « s’accrocher » par leurs orbitales pour constituer les molécules, en mettant
en commun leurs électrons.
Exemple des orbitales atomiques de l’hydrogène et du carbone [p8]
Exemple de l’orbitale moléculaire du méthane [p8]
b) Valence
Ce qui fait que chaque atome, du fait de ses propriétés électroniques, a une propriété fondamentale, la valence = le nombre d’autres
atomes auxquels il est capable de se lier pour former une molécule.
- hydrogène : 1
- oxygène : 2
- azote : 3
- carbone : 4
c) Illustration avec les formules brutes et développées : exemple du méthane et de l’éthanol
2. Les molécules organiques

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La chimie organique : c’est la chimie du carbone unie à l’hydrogène, c'est-à-dire que les atomes de base de ces molécules sont le carbone et
l’hydrogène. C’est la chimie du vivant, qui utilise principalement les atomes de carbone et d’hydrogène donc, mais aussi d’oxygène et
d’azote.
a) Le plus simple : les alcanes (hydrocarbures saturés aliphatiques)
- méthane / éthane / propane / butane / pentane / hexane / heptane / octane / décane
[importance de la nomenclature, toujours logique]
- squelette carboné : chaînes droites / chaînes ramifiées (isomérie de position [p68], différent de l’isomérie de constitution et de l’isomérie
optique ou chiralité) / cycles (cyclohexane, méthylcyclohexane [p75])
b) Les alcènes (double liaison : hydrocarbures éthyléniques)
- « éthène » (éthylène) / « propène » (propylène) / pentène
- vinyle [p79]
c) Les alcynes (triple liaison : hydrocarbures acétyléniques)
- « éthyne » acétylène / propyne / pentyne
e) Les aromatiques (benzène, toluène, xylène : ortho / méta / para [p96], styrène [p110])
d) Combinaisons [p3] et pétrole [p75]
f) Notion de groupement fonctionnel
Le greffage sur un squelette carboné d’atomes ou de groupements d’atomes (OH, NH2, CO [p3]) entraîne des propriétés physicochimiques
caractéristiques qu’on appelle fonctions. Ces atomes ou groupements d’atomes sont appelés des groupements fonctionnels.
[faire à part un tableau des fonctions éthylénique, acétylénique, alcool, carbonyle, acide, amine, amide qu’on retrouvera plus loin [p4].]
g) Dérivés halogénés : un ou plusieurs atomes d’halogène (fluor, chlore, brome, iode) remplacent un ou plusieurs atomes d’hydrogène
- chloro-2 butane [p111]
- chlorure de vinyle [p115]
h) Organométalliques : un atome de carbone est directement lié à un atome de métal (organomagnésiens, lithiens, cadmiens, zinciques)
- bromure de méthylmagnésium [p121]
i) Alcools : renferment le groupement COH
- méthanol / éthanol / propanol / butanol / phénol (thymol, tyramine, stéroïdes oestrogènes)
j) Ethers-oxydes : C-O-C
- éther éthylique / butoxypentane / anisole [p151-2]
k) Thiols (C-SH) et sulfures organiques (C-S-C)
l) Dérivés nitrés : un ou plusieurs groupements NO2 remplacent un ou plusieurs atomes d’hydrogène
- TNT [p102]
m) Amines : C-N
- ammoniac / butylamine / aniline [p168]
n) Groupement carbonyle : aldéhydes et cétones [p194]
- formaldéhyde = formol
o) Acides carboxyliques : carboxyle

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- acides formique (méthanoïque), acétique (éthanoïque, vinaigre), propionique (propanoïque), butyrique (butanoïque), laurique
(dodécanoïque) [p217]
- 2 R-OH + O2  2 R-C-HO + 2 H2O
- 2 R-C-HO + O2  2 R-COOH
p) Halogénures d’acides, anhydrides d’acide, esters, amides, nitriles [p227-41], acides sulfoniques
q) Stéroïdes, terpènes, naphatalène, anthracène, cyclines, polyols, glycols, époxydes, glycérol, polyphénols, quinones, acides plurifonctionnels
r) Glucides (oses), lipides (esters d’acide gras et de glycérol, triglycérides, savons), protéines (acides aminés, peptides)
s) Hétérocycles, urée, bases, nucléosides, nucléotides, ADN, ARN,…
3. Les « molécules minérales », ions (atomes, mais aussi molécules), sels et cristaux
III. Physique des particules
1. Fermions et Bosons
Le principe d’exclusion de Pauli (loi fondamentale de la physique quantique, 1925) clive le monde des particules en deux camps bien séparés :
- D'un côté, les particules qui s'excluent mutuellement (elles ne peuvent pas être au même endroit en ayant exactement les mêmes
propriétés). Ce sont les FERMIONS (du nom du physicien italien Enrico Fermi). L'électron, les nucléons (proton et neutron) sont des fermions.
Ce sont des "vraies" particules de matière. A noter que tous les fermions ont des spins de valeur demi-entière.
- De l'autre côté, les particules qui sont capables de se rassembler à plusieurs dans le même état physique. Ce sont les BOSONS (du nom du
physicien indien Satyendranath Bose). Le photon est un boson. (Un ensemble de photon dans le même état constitue ce qu'on appelle un
rayon laser.) Ce sont des particules médiateurs des 4 forces fondamentales de la nature. A noter que tous les bosons ont des spins de valeur
entière.
Chaque particule possède un certain nombre de propriétés propres qui forment "l'état de la particule" : la masse au repos, la charge électrique (+1 pour le proton, -1
pour l'électron, 0 pour le neutron), la position, la vitesse, le spin (correspond à la rotation de la particule sur elle-même).
2. Les quarks
Jusqu'en 1964, on croyait qu'il n'existait que trois particules élémentaires constitutives de l'atome : l'électron, le proton et le neutron.
Cependant, de nombreuses particules instables (de durée de vie de l'ordre de 10-23 secondes) avaient été détectées soit dans le rayonnement
cosmique, soit dans les chocs de haute énergie créés dans les accélérateurs de particules construits après la guerre de 39-45.
Les accélérateurs de particules, encore nommés collisionneurs, sont d'énormes machines très onéreuses qui peuvent atteindre plusieurs dizaines de kilomètres de
longueur. Le but est d'y accélérer des particules chargées (électrons, protons, ions) à des vitesses frôlant celle de la lumière ! L'énergie atteinte par ces particules est
énorme (vu leur vitesse) et des particules sondes sont ainsi projetés sur des particules cibles : cela permet d'étudier les conséquences des chocs ainsi provoqués.
L'énorme énergie de ces chocs peut être convertie en de nouvelles particules. Plus l'énergie de collision est élevée, plus les nouvelles particules créées seront massives et
renseigneront les physiciens sur les constituants ultimes de la matière.
Ce n'est qu'en 1975 que les quarks furent détectés expérimentalement. Ce sont les composants des nucléons. Il en existe deux types dans la
matière ordinaire up et down.
quark up (symbole = u)
charge électrique Q = +2/3
quark down (symbole = d)
charge électrique Q = -1/3

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Pourquoi des charges Q ainsi fractionnaires ? C’est parce que les nucléons sont toujours formés de 3 quarks.
NUCLEON :
QUARKS :
CHARGE Q :
proton
u + u + d
+2/3+2/3 -1/3 = +1
neutron
u + d + d
+2/3 -1/3 -1/3 = 0
On se souvient du vide qui constitue la matière : si la taille d’un atome d’hydrogène était rapportée à 100 m de diamètre, le noyau au centre
ferait 1 mm et l’électron à 50 m ferait 1 µm…
Et bien c’est encore pire dans le nucléon : ce n’est que du vide ! Si la taille du nucléon était rapportée à celle du soleil, les 3 quarks qui le
constituent seraient 3 virus dans un vide immense !
Les quarks sont liés entre eux par une force appelée force d’interaction forte, ou nucléaire. Cette force est aussi responsable de l’attraction
à courte distance entre protons et neutron, véhiculée par l’échange de particules vectrices, les mésons pi ou pions.
Ils ont une propriété unique : ils sont incapables d'exister seuls, non accompagnés ! Il est absolument impossible d'observer un quark isolé ;
les quarks ne peuvent s'agréger que de deux manières différentes et ne donner ainsi que deux familles de particules composites :
Les BARYONS, qui sont toujours formés d'un triplet de quarks.
Les baryons les plus courants sont les NUCLEONS.
La famille des HYPERIONS regroupe d'autres triplets formés de quarks plus exotiques et plus lourds que ceux des
nucléons (d'où l'origine du mot baryon, du grec "barus" = lourd), désignés par des lettres grecques (particules
lambda, sigma, delta, etc...).
Les MESONS, qui sont des paires de quark et d'anti-quark. Ces particules très instables sont également désignées
par des lettres grecques (pions, kaons, êta...). Ce sont des particules vectrices.
3. Le neutrino et le positon ou positron
Cette particule fondamentale fut "inventée" en 1930 par Wolfgang Pauli pour expliquer le mécanisme de la radioactivité Bêta :
Un neutron se transforme  en un proton en émettant un électron (rayon bêta -) et une autre particule mystérieuse que le physicien
italien Enrico Fermi baptisa en 1933 "antineutrino" (ce qui signifie en italien "petit neutron").
Un proton se transforme  en un neutron en émettant un positon ou anti-électron (rayon bêta +) et un neutrino.
La force qui maintient liées entre elles ces trois particules est la force d’interaction faible. C’est la force qui régit les réactions
thermonucléaires.
Le neutrino a une charge nulle et il est 50.000 fois plus petit qu'un électron. Sa masse extrêmement faible n'a été détectée que le 5 Juin
1998 au Japon ! Cette particule discrète n'interagit que très peu avec la matière : Il ne faudrait pas moins qu'une épaisseur d'une année-
lumière de plomb pour arrêter la moitié des neutrinos qui tenteraient de la traverser ! Les neutrinos sont abondamment produit par les
étoiles dont notre Soleil : à chaque seconde, des centaines de milliards de neutrinos solaires peuvent traverser la Terre et notre corps sans
subir le moindre choc ! D'où la difficulté extrême à les détecter. [p60]