5_comprendre_cohesio..

Chapitre 5
Comprendre la cohésion et
la transformation de la matière
 Rappels Du noyau de l’atome à l’Univers
1. Constitution de la matière
Toute matière est constituée …………… eux-mêmes constitués de trois types de particules
élémentaires : …………… , …………… et ……………
Les …………… sont concentrés au centre de l'atome avec …………… : ils forment le
…………… de l'atome. Les …………… se situent autour du noyau. L’atome possède autant
de …………….. que ………………
2. Les charges électriques
Les trois particules élémentaires (protons, neutrons et électrons) possèdent une masse mais
aussi une charge électrique (qui s’appelle généralement q) et qui se mesure en coulomb
(symbole C).
Particule
Neutron
Proton
Electron
Masse (kg)
1,675.10-27
1,673.10-27
9,1.10-31
Charge (C)
0
1,6.10-19
-1,6.10-19
La valeur 1,6.10-19 C s’appelle la charge élémentaire, elle se note e (e =1,6.10-19 C)




Exprimer la charge, notée q, portée par un proton en fonction de « e »
Que peut-on dire des masses mp et mn d’un proton et d’un neutron ?
Donner l’ordre de grandeur des masse des différentes particules.
Combien de fois est plus lourd un proton vis à vis de l’électron ?
Echelle des longueurs
1S – Mme GARCIA
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Chapitre 5
Comprendre la cohésion et
la transformation de la matière
 1iere partie: Comprendre les interactions fondamentales de la matière
Pour décrire et comprendre les phénomènes de la nature, les physiciens ont toujours recherché
des lois générales et reposant sur le plus petit nombre de principes possible. Cette démarche
est particulièrement flagrante en physique des particules, où la quête d’une théorie unificatrice
est entamée depuis les années 1930 au moins.
Quatre interactions fondamentales ont été identifiées dans la nature : la gravitation, la force
électromagnétique, l’interaction faible et l’interaction forte
DOC1 D’après une « brève histoire du temps » de
Stephen Hawking
« .. Première catégorie : La force gravitationnelle. Cette force est
universelle, c’est à dire que chaque particule ressent la force de
gravité en fonction de sa masse. La gravité est la plus faible des
forces à distance : elle peut agir à très grande distance et est
toujours attractive.
La seconde catégorie est la force électromagnétique qui interagit avec les particules chargées
électriquement. Elle est plus puissance que la force gravitationnelle. Entre deux électrons, la
force électromagnétique est quelque un million de milliards de milliards de milliards (10 42)de
fois plus grande que la force gravitationnelle. Cependant il existe deux sortes de charges
électriques : la positive et la négative. La force entre deux charges positives (ou négatives)
sera répulsive…. L’attraction électromagnétique entre les électrons chargés négativement et
les protons chargés positivement dans le noyau fait que les électrons tournent autour du noyau
de l’atome , comme l’attraction gravitationnelle fait que la Terre tourne autour du Soleil….
Dernière catégorie : l’interaction nucléaire forte, qui retient les protons et les neutrons
ensemble dans le noyau de l’atome…
DOC2
Quatre particules élémentaires de la matière et quelques caractéristiques :
charge
masse
Constituant de
Quark up
2/3.e
Indéterminée car
jamais isolé
Protons et
neutrons
1S – Mme GARCIA
Quark down
-1/3.e
Indéterminée car
jamais isolé
Protons et
neutrons
Electron
-e
neutrino
0
9,11.10-31 kg
0 ou très faible ?
atome
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Comprendre la cohésion et
la transformation de la matière
Chapitre 5
DOC 3
Interaction
particules
concernées
gravitationnelle
Toute
particule
massique
Electro
magnétique
Toute
particule
chargée
Propriété
Portée
Attractive
Infinie mais
décroissante
avec la
distance
Attractive
ou
répulsive
Infinie mais
décroissante
avec la
distance
Forte
Nucléons
Quarks
Attractive
10-15 m
Augmente
avec la
distance
Faible
Quark
Electron
Neutrino
Attractive
ou
répulsive
10-18 m
Exemple de Loi
Ex : force
électrostatique
de coulomb
Particule
messagère
Intensité
relative à
l’échelle des
particules
élémentaires
Graviton?
Masse
nulle
10-38
Photon
Masse
nulle
10-2
Gluon
Masse
nulle
1
Boson
Masse non
nulle
10-7
QUESTIONS:
1. La physique contemporaine a défini quatre interactions fondamentales à l’origine de
tous les phénomènes physiques connus. Les citer.
2. Placer dans l’arborescence suivante les quatre interactions fondamentales.
Interaction
électrofaible
Modèle
standard
Théorie de
tout ?????
1S – Mme GARCIA
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Chapitre 5
Comprendre la cohésion et
la transformation de la matière
3. Pourquoi vouloir chercher une théorie de tout ?
4. Qu’attend-on d’une théorie ? (deux réponses obligatoires).
5. Sachant que le proton et le neutron sont des particules constituées chacune de 3 quarks
et connaissant leurs caractéristiques, déterminer de quelle combinaison de quarks (u et
d) ils sont formés. Schématiser la situation en plaçant les lettres u et d dans les espaces
blancs ci-dessous.
Proton
Neutron
6. Les forces électromagnétique et gravitationnelle ont une portée illimitée contrairement
aux interactions faible et forte. Préciser ce qui, dans les documents, permet de
l’affirmer.
7. Relier chaque interaction à son domaine d’action.
Echelle d’un proton ou d’un
neutron
Echelle du noyau de l’atome
Echelle atomique, moléculaire et
humaine
Echelle planétaire et astronomique
1S – Mme GARCIA
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Chapitre 5
Comprendre la cohésion et
la transformation de la matière
8. Dans chaque phénomène physique, on peut reconnaître l’une des quatre interactions
fondamentales, relier chaque phénomène à l’interaction qui lui correspond.
Chute des corps
Transformations chimiques
Lumière
Interaction
……………………
Mouvement des planètes
Poussée d’Archimède
Codage et traitement des données
informatiques
Interaction
…………………………
Radioactivité α (fission de noyau)
Eclairs d’orage
Interaction
……………………
Radioactivité β (transformation d’un
proton en neutron ou l’inverse)
Ondes radio
Interaction
……………………
Boussole
Marées
Tension d’un fil
1S – Mme GARCIA
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Chapitre 5
Comprendre la cohésion et
la transformation de la matière
 2ieme partie : comprendre la cohésion du noyau
Une petite histoire de la radioactivité
1) Des rayons X à la radioactivité :
Le 8 novembre 1895, le physicien allemand Wilhelm K. Röntgen découvre un rayonnement invisible,
de nature inconnue et qui semble traverser la matière. En plaçant une main entre le tube émetteur de ce
rayonnement et un écran fluorescent (ou une plaque photographique), il voit apparaître l'ombre des os,
obtenant ainsi la première «radiographie» (du latin radius, «rayon») de l'histoire. Ces rayons lui
semblent si mystérieux qu'il les appelle «X-strahlen»: les rayons X.
De nombreux scientifiques se demandent alors s'il n'y a pas un lien entre les rayons
X et la phosphorescence de certaines substances. C'est pour répondre à cette
question que le physicien français Henri Becquerel tente, au début de l'année 1896,
de vérifier si les substances phosphorescentes émettent des rayons X. Il travaille
alors sur les sels d'uranium « qui jouissent de la propriété de présenter des effets de
persistance d'impressions lumineuses, c'est-à-dire de phosphorescence, d'une
grande vivacité».
2) La propriété étrange des sels d’Uranium :
H. Becquerel
«La "découverte" de la radioactivité de l'uranium par Henri Becquerel peut être datée du 1er mars 1896.
Becquerel fait une observation inattendue qui doit un peu "au hasard, à la chance, à l'occident" (selon
les termes de Frederick Soddy),
Le mercredi 26 et le jeudi 27 février, Becquerel prépare ses plaques photographiques et ses lamelles
recouvertes de sels d'uranium. Le soleil nécessaire, pense-t-il, pour exciter les sels d'uranium
phosphorescents étant absent, remet au lendemain ses expériences, rangeant dans des tiroirs voisins les
préparations et les plaques photographiques bien enveloppées et protégées. Le vendredi et le samedi,
le temps restant couvert, l'expérimentation est encore différée.
Le dimanche 1er mars, Becquerel décide, avant de reprendre ses expériences, de développer les plaques
photographiques. Pour quelle raison ? sans doute, par souci de rigueur et de précaution. Il constate
alors avec surprise, que les plaques, pourtant dûment protégées, sont impressionnées. Il s'empresse de
renouveler l'expérience en vérifiant avec soin toutes les étapes du protocole opératoire, afin d'éliminer
toute cause due à une éventuelle erreur de manipulation. Il ne peut que constater l'absence de causalité
entre l'émission d'un rayonnement par les sels d'uranium (qu'il appela rayons "uraniques") et leur
préalable insolation. Il venait de découvrir la radioactivité.»
D'après Loïc Barbo, Pierre Curie, coll. «Un savant, une époque», Belin, 1999
1S – Mme GARCIA
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Chapitre 5
Comprendre la cohésion et
la transformation de la matière
3) De nouvelles contributions :
Au début de 1898, Marie Curie commence un travail de thèse de doctorat sur les
rayons de Becquerel. Elle examine systématiquement un grand nombre de
composés chimiques et de minéraux et découvre que les minerais d'uranium, telle
la pechblende, émettent plus de rayonnements que l'uranium lui-même.
De ce fait remarquable, elle déduit que les substances contiennent, en très petite
quantité, un élément beaucoup plus actif que l'uranium. Pierre Curie joint alors ses
efforts à ceux de sa femme pour parvenir à isoler l'élément inconnu qu'ils qualifient
de radioactif.
En juillet 1898, ils découvrent le polonium et, en décembre de la même année, le
radium. À cette occasion, Marie Curie invente le mot « radioactivité ».
P et M Curie
L'analyse des rayonnements a très rapidement montré qu'ils étaient constitués de
particules chargées positivement appelées rayons , de particules chargées négativement, les rayons -,
et de rayons non chargés, de même nature que la lumière ou les rayons X, très énergétiques.
4) La radioactivité artificielle :
En 1934, Frédéric et Irène Joliot-Curie synthétisèrent les premiers
éléments radioactifs artificiels en bombardant le bore et l’aluminium
avec des particules, pour former des isotopes radioactifs de l’azote et du
phosphore . Ils s’aperçurent que l’on pouvait transformer un élément
stable en un autre instable, plus lourd, en le bombardant de particules : il
s’agit de la radioactivité artificielle
Quatre ans après la découverte de la radioactivité artificielle, en
décembre 1938, Otto Hahn et Fritz Strassman comprennent que le noyau
d’uranium, bombardé de neutrons, se casse en deux en libérant deux
neutrons et une énergie considérable : l’énergie nucléaire
I et F Joliot Curie
Questions :
1) Pour quelle raison le physicien Wilhelm K. Röntgen appelle-t-il les rayons qu’il découvre
rayons X ?
2) Que déduit M Curie du fait que le minerai d'uranium est plus actif que l'uranium lui-même ?
3) A partir de quel élément chimique a été inventé le mot « radioactivité » ?
4) En consultant une classification périodique, donner le numéro atomique de l’Uranium.
5) Donner les caractéristiques des noyaux (nombre de protons et nombre de neutrons) des
isotopes uranium 238 et uranium 235
6) Quelle est la différence entre la radioactivité naturelle et la radioactivité artificielle ?
7) Donner un exemple d’utilisation de ces deux types de radioactivité.
1S – Mme GARCIA
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Chapitre 5
Comprendre la cohésion et
la transformation de la matière
Conclusion
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 3ieme partie : cohésion des solides
1. cohésion des solides ioniques
Le chlorure de sodium est un composé chimique de formule NaCl.
Comme nous pouvons le constater avec le schéma il est composé d'
atomes de chlore aux sommets, au centre de la maille, ainsi qu'au
milieu de chaque face et chaque atome de chlore est entouré d'un
atome de sodium.
L'ion sodium étant positif et l'ion chlorure étant négatif, les forces se
compensent et c'est pour cela qu'on peut avoir un cristal de chlorure
de sodium
fluorine CaF2
Quelle est la force qui permet la cohésion d’un solide ionique ?
1S – Mme GARCIA
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Chapitre 5
Comprendre la cohésion et
la transformation de la matière
Conclusion :
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2. cohésion des solides moléculaires :
 La cohésion entre molécules provient d’interactions électrostatiques entre les nuages
électroniques : interactions de Van der Waals
 Une liaison hydrogène :
Compétences attendues :
 Connaître les ordres de grandeur des dimensions des différentes structures des
édifices organisés.
 Connaître l’ordre de grandeur des valeurs des masses d’un nucléon et de l’électron.
 Savoir que toute charge électrique peut s’exprimer en fonction de la charge élémentaire e.
 Associer, à chaque édifice organisé, la ou les interactions fondamentales prédominantes.
 Utiliser la représentation symbolique AZX ; définir l’isotopie et reconnaître des isotopes.
 Recueillir et exploiter des informations sur la découverte de la radioactivité naturelle et de
la radioactivité artificielle.
 Connaître la définition et des ordres de grandeur de l’activité exprimée en becquerel.
 Interpréter la cohésion des solides ioniques et moléculaires
1S – Mme GARCIA
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