Ch. 7 De l`atome à l`Univers Thème : Comprendre Sous

Ch. 7 De l'atome à l'Univers
Thème : Comprendre
Sous-thème : Lois et modèles
But :
Comprendre que notre Univers présente des structures à
différentes échelles et que ces structures sont organisées par des
interactions.
I_ Organisation de la matière à différentes échelles
1°) Une dimension à l'échelle humaine : le mètre
Le mètre, unité de longueur du Système international, est adapté
pour des mesures à l'échelle humaine. Pour exprimer des
longueurs à des échelles microscopique ou macroscopique, on
utilise les puissances de 10.
2°) Ordre de grandeur d'une longueur
C'est la puissance de 10 la plus proche de la longueur.
Exemples:
3,84.108 ordre de grandeur: 108
8,51.105 ordre de grandeur: 106
4,2.10-4 ordre de grandeur: 10-4
7,3.10-4 ordre de grandeur: 10-3
3°) Organisation de la matière dans notre Univers
Sur une échelle d'ordre de grandeur en mètre
Voir doc 7 p. 140
Taille d'un
homme
100 103 106 109 1012 1015
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15 m
Cellule
Atome
Noyau
atomique Diamètre
de la Terre
Distance
Terre-Soleil
Diamètre de
notre Galaxie
1021

Aux échelles microscopique et macroscopique, la matière présente
une structure « lacunaire »: un espace « vide » sépare les
constituants.
Dans un atome, le noyau et les électrons ne représentent qu'un très
faible volume de l'atome.
Noyau: bille de 1 cm de diamètre, les électrons sont à 2 km!
Dans le Système solaire, le Soleil et les planètes sont séparés par
des distances grandes devant leur diamètre.
Soleil: un pamplemousse, la Terre est une tête d'épingle à 12 m!
Les étoiles de notre Galaxie sont séparées par de grandes
distances par rapport à leur diamètre.
Soleil: un pamplemousse, 1 ère étoile à 3000 km!
Les galaxies sont également séparées par de grandes distances
par rapport à leurs dimensions.
Voir sur le site ci-dessous pour les échelles dans l'Univers en
version interactive :
scaleofuniverse_huang
II_ Les constituants de la matière
1°) L'atome
Tout atome est formé d'un noyau, contenant des protons et des
neutrons, et d'électrons qui circulent autour du noyau.
particule Masse (kg) Charge électrique (C)
électron 9,1.10-31 - 1,6.10-19
proton 1,672.10-27 + 1,6.10-19
neutron 1,674.10-27 0
Un atome est symbolisé par:
X
Z
A
X est l'élément chimique
considéré
A est le nombre de nucléons (protons + neutrons) ou nombre de
masse.
Z est le nombre de protons ou le numéro atomique.
Nombre de protons = nombre d'électrons (atome électriquement
neutre).

Nombre de neutrons = A – Z
Exemples:
H
1
1
hydrogène : 1 proton
He
2
4
hélium: 2 protons, 2 neutrons
Fe
26
56
fer: 26 protons, 30 neutrons
Deux atomes de même Z mais de A différents sont dits isotopes.
Diamètre d'un atome:  10-10 m = 0,1 nm.
Diamètre du noyau:  10-15 m = 1 fm.
Le noyau est donc 100 000 fois plus petit que l'atome (structure
lacunaire).
La masse de l'atome se retrouve essentiellement dans celle du
noyau (masse des électrons négligeable devant celle des
nucléons).
Masse volumique du proton:  proton = 3.1018 kg. m-3 (3.1015 celle de
l'eau).
2°) Les ions
Ce sont des atomes ayant gagné pour perdu un ou des électrons.
Un atome ayant perdu un électron est chargé positivement : c'est
un cation. Exemple : Na → Na+ + e- . La charge portée par l'ion est
+ 1,6.10-19 C.
Un atome ayant gagné un électron est chargé négativement : c'est
un anion. Exemple : Cl + e- → Cl- . La charge portée par l'ion est
-1,6.10-19 C.
III_ Les interactions fondamentales
1°) L'interaction gravitationnelle
Modélisée par Isaac Newton à la fin du 17ème siècle.
A
B
d
FAB
FAB
mA
mB

Enoncé: deux masses ponctuelles mA et mB placées en deux points
A et B distants de d s'attirent mutuellement avec une force
proportionnelle au produit mA.mB et inversement proportionnelle au
carré de d.
FA/B=FB/A=GmAmB
d2
F en N; mA et mB en kg, d en m; G = 6,67.10-11 S.I. (constante de la
gravitation universelle).
Les deux vecteurs représentant ces forces ont même direction (la
droite (AB)) mais des sens opposés :
⃗
FA/B
= -
⃗
FB/A
Newton a montré que la loi de la gravitation peut s'appliquer aux
corps sphériques homogènes ou constitués de couches
homogènes concentriques. On peut donc l'appliquer aux objets du
Système solaire.
Dans ce cas, les forces gravitationnelles sont représentées au
centre des astres.
Exemples:
FTerre  Lune = FTerre  Lune = 6,67.10-11 x 5,97.1024 x 7,35.1022 /(3,84.108)2
= 1,98.1020 N
F Terre  masse de 1 kg au sol = 6,67.10-11 x 5,97.1024 x 1 /(6,37.106)2 = 9,81 N
Cette force est égale au poids P de cette masse. Le poids a une
origine gravitationnelle.
Force de gravitation entre deux sphères de 1 kg distantes de 1 m :
F = 6,67.10-11 N.
Cette force est très faible devant leur poids P (= m.g = 9,8 N).
2°) L'interaction électrostatique
Deux particules chargées immobiles dans un référentiel sont en
interaction électrostatique.
La forme de cette interaction a été établie par Charles Coulomb en
1785.
Enoncé:
Deux charges ponctuelles qA et qB placées aux points A et B et
distantes de d s'attirent ou se repoussent avec une force
proportionnelle au produit des charges (en valeur absolue) et
inversement proportionnelle au carré de d.

FA/B=FB/A=k∣qAqB∣
d2
qA et qB en coulomb (C) ; d en m ; k est une constante: k = 9,0.109
S.I.
Rmq: la loi de Coulomb a la même forme que la loi de la gravitation
de Newton.
Exemple de calculs de force électrostatique :
Force d'attraction entre le proton et l'électron d'un atome
d'hydrogène:
Fe = 9.109 x (1,6.10-19)2 / (5,3.10-11)2 = 8,2.10-8 N
Comparaison avec la force de gravitation entre les deux particules:
Fg = 3,6.10-47 N.
La force électrique entre proton et électron dans un atome et 1039
fois plus grande que la force de gravitation.
A l'échelle des particules de l'atome, la force de gravitation est
négligeable devant la force électrique.
Pour les objets célestes, la force électrique est négligeable devant
la force de gravitation.
3°) Les interactions forte et faible
Découvertes dans les années 1930.
L'interaction forte est responsable de la cohésion du noyau des
atomes.
Force de répulsion électrique entre deux protons d'un noyau:
F = 9.109 x (1,6.1019)2 / (1.10-15)2 = 2.102 N
A
B
d
FAB
A
B
d
qA
qB
FB  A
FB  A
FAB
qA
qB
qA et qB de signes 
qA et qB de même signe