Anotomie et modèle optique de l`æil

DEVOIR MAISON 3 : PARTICULES ET INTERACTIONS FONDAMENTALES
ACTIVITÉ DOCUMENTAIRE : LA STABILITÉ DU NOYAU ATOMIQUE
PS
Dans cete actvité, nous allons chercher à comprendre quelles lois physiques
régissent la structure d’un noyau d’atome, et comment la nature en fait une
structure stable dans le temps.
Situaton problème :
On considère le noyau de l’atome
d’hélium 3.
Sur le document 1 ci-contre, le
noyau content des sphères de
couleurs diférentes, la couleur
claire représentant les protons et la
couleur foncée représentant les
neutrons.
Document 1 : L’atome d’hélium 3
Document 2 : La stabilité du noyau atomique
La force électrique varie comme l’inverse du carré de la distance, mais, ce qui
est remarquable, c’est la colossale diférence entre l’intensité des forces
électriques et des forces gravitatonnelles. Deux électrons se repoussent l’un
l’autre selon l’inverse du carré de leur distance, à cause de l’électricité, et
s’atrent selon l’inverse du carré de leur distance, à cause de la gravitaton.
Richard Feynman, La Nature des lois physiques,
Marabout Université, 1970
Document 3 : Les partcules consttutves d’un atome
Localisaton dans
Partcule
Charge
l’atome
Proton
Dans le noyau
qp = + e
Masse
mp = 1,673×10–27 kg
Neutron
Dans le noyau
qn = 0 C
mn = 1,675×10–27 kg ≈ mp
Électron
Autour du noyau
qe = – e
me = 9,1×10–31 kg
Toutes les charges électriques sont des multples enters positfs ou négatfs de
la charge élémentaire e qui vaut e = 1,6×10–19 C.
Document 4 : La noton d’élément chimique
Un élément chimique correspond à la structure qui se conserve lors d’une
réacton chimique. Or une réacton chimique ne provoque de modifcatons
qu’au niveau de la couche externe des nuages électroniques des atomes. Elle
ne modife pas les noyaux atomiques.
Ainsi, le cuivre reste du cuivre, l’hydrogène reste de l’hydrogène. Leur noyau
n’a pas changé.
Par ailleurs, la réactvité chimique d’un atome dépend du nombre d’électrons
présents dans sa couche externe. Elle-même est reliée au nombre de protons
présents dans le noyau, puisque l’atome est électriquement neutre, mais pas
au nombre de neutrons.
Ainsi, on caractérise un élément chimique par le nombre de protons dans son
noyau.
Document 5 : La loi de la gravitaton universelle
La gravitaton universelle s’applique entre tous les corps de l’Univers ayant une
masse non nulle, quelle que soit la distance entre ces corps. On dit qu’elle a
une portée infnie.
Deux objets, A et B, de masses respectves m A et mB et séparés d’une distance
d, exercent l’un sur l’autre une force d’atracton gravitatonnelle dont
l’intensité est donnée par la relaton :
m ×m
Fgravitaton =G A 2 B
d
où G est la constante universelle de gravitaton.
Document 6 : Valeurs des constantes universelles et données
Constante universelle de gravitaton : G = 6,67×10–11 S.I. (m3×kg–1×s–2)
Constante électrique : k = 9,0×109 N×m2×C–2
Charge élémentaire : e = 1,6×10-19 C
1 fm = 10-15 m
1 Å = 10-10 m
Questons :
Parte 1 : La représentaton symbolique d’un noyau
1. Combien le noyau d’hélium 3 content-il de protons et de neutrons ?
2. Que représente le halo gris du document 1 ?
3. Sachant que la représentaton symbolique de l’hélium 3 est 32 He , rappeler à
quoi correspond chaque nombre présent dans cete représentaton. Associer les
expressions nombre de masse et numéro atomique au nombre correspondant.
4. L’atome étant une structure électroniquement neutre, que peut-on en déduire
quant au nombre d’électrons présents dans le nuage électronique de l’hélium 3 ?
5. En déduire la compositon de l’atome d’hélium 4 (protons, neutrons et
électrons).
6. Parmi les termes suivants, lequel s’applique au couple {hélium 3, hélium 4} :
isothermes, isotopes, isomères ?
Parte 2 : Les forces mises en jeu dans un noyau d’atome
1. a. En utlisant le document 1, montrer que la distance séparant les centres des
deux protons dans le noyau d’hélium 3 est d’environ 0,65 fm.
b. L’intensité de la force d’atracton gravitatonnelle F gravitaton entre deux
protons vaut-elle 4,4×10-34 N, 2,6×10-7 N ou 2,8×10-49 J ?
2. Dans le document 2, le physicien Richard Feynman évoque l’existence d’une
force électrique.
a. Cete force modélise-t-elle une acton mécanique de contact ou à distance ?
Entre deux électrons, s’agit-il d’une acton mécanique atractve ou répulsive ?
b. Quelle(s) informaton(s) permet(tent) de penser que l’expression de
l’intensité de cete force électrique a une structure similaire à celle de la force
gravitatonnelle ?
c. On note qA la charge électrique portée par une partcule A, q B celle portée
par une partcule B, k une constante et d la distance qui sépare les deux
partcules. Parmi les expressions proposées ci-dessous, laquelle pourrait traduire
l’intensité de la force électrique F électrique ?
∣q ∣×∣q ∣
d
□ Félectrique =k
□ Félectrique =k A 2 B
∣qA∣×∣qB∣
d
∣qA∣×∣qB∣
d2
□ Félectrique =k
□ Félectrique =k
∣qA∣×∣qB∣
d
d. En déduire la valeur de l’intensité de la force électrique F électrique qui existe
entre deux protons : 2,3×1032 N, 3,7×1013 N ou 5,4×102 N
Parte 3 : Stabilité d’un noyau atomique
1. Dans le cas des deux protons du noyau d’hélium, l’ordre de grandeur du
rapport Félectrique / Fgravitaton est-il de 1017, 1036, ou 10-68 ?
2. Si les deux protons n’étaient soumis qu’à ces deux interactons, que devrait-il
se passer ?
3. Pourquoi faut-il imaginer l’existence d’une autre forme d’interacton, appelée
interacton forte, entre les protons ?
4. À votre avis, à quelle(s) interacton(s) les neutrons sont-ils soumis ?