La matière et le rayonnement

La matière et le rayonnement
Tout ce qui compose notre Univers, de la matière inerte comme les planètes, les
étoiles et les galaxies, jusqu'à la matière vivante comme les plantes et les animaux,
possède une structure dont le degré d'organisation est plus ou moins élevé. Ainsi, à
titre d'exemple, la structure cristalline du sel de table est relativement simple. A
l'opposé, un être vivant est un assemblage élaboré de tissus dont l'organisation est
très complexe. Un des grands succès de la science a été de montrer que cette
diversité macroscopique se ramène à la combinaison d'éléments de base peu
nombreux et très simples au niveau microscopique, les atomes (encore ici on
retrouve une application du Rasoir d'Occam).
Du niveau miscroscopique (les atomes) jusqu'au niveau macroscopique, incluant
l'Univers lui-même, la matière s'organise en structures plus ou moins complexes par
le biais des interactions ou forces . Encore une fois, malgré la grande diversité de
ce qui compose l'Univers, le nombre d'interactions nécessaires pour créer cette
diversité est petit. Seules quatre forces différentes sont requises pour organiser et
maintenir la structure de la matière à toutes les échelles.
Finalement, comme nous l'avons vu précédemment, l'astronomie est principalement
une science observationnelle. La cueillette des données de même que la possibilité
de tester les théories dépendent presqu'exclusivement de notre capacité à capter,
manipuler et analyser la lumière émise ou réfléchie par les objets célestes.
Continuer
Introduction 4
Page
1
sur
1

Objectifs du chapitre 4
Décrire la structure de la matière
Décrire le rôle des interactions
Décrire la nature et le comportement de la lumière
Décrire l'interaction entre la lumière et la matière
Cliquez pour imprimer
gfedc
gfedc
gfedc
gfedc
Yannick Dupont
V2.0, été 2001
Objectifs du Chapitre 4
Page
1
sur
1

La structure de l'atome
Les atomes sont les blocs de construction élémentaires de toute la matière dans
l'Univers. Ils sont eux-mêmes formés de trois particules plus simples, les électrons,
les protons et les neutrons, dont les caractéristiques sont présentées au Tableau
4.1. Par souci de complétude, il faut noter que les protons et les neutrons ne sont
plus véritablement considérés comme des particules élémentaires. Chacune de ces
deux particules est formée, à son tour, de trois quarks plus élémentaires.
La Figure 4.1 présente le modèle de Niels Bohr (1885-1962) de la structure d'un
atome. Cette représentation, très simplifiée, nous permet de bien comprendre la
structure de base d'un atome. Le noyau renferme les protons et les neutrons et sa
taille est de l'ordre de 10-15 m. Les électrons se retrouvent sur des orbitales de
formes variées (pas nécessairement circulaires ou sphériques) autour du noyau.
Figure 4.1: Le modèle atomique de Bohr
Les différentes sortes d'atomes, appelées éléments, sont constituées d'un nombre
plus ou moins grand de protons, de neutrons et d'électrons. Le plus simple des
éléments est l'hydrogène dont le noyau est constitué d'un seul proton autour duquel
circule un seul électron. Le deuxième élément, l'hélium, est composé de 2 protons,
2 neutrons et 2 électrons. Chaque nouvel élément possède un proton de plus que le
précédent. Dans des conditions physiques normales, un atome possède autant
d'électrons que de protons, de telle sorte qu'il est électriquement neutre. Dans le
noyau, le rôle des neutrons est d'assurer la stabilité mécanique du noyau atomique.
Leur nombre dans le noyau varie d'un élément à l'autre et n'est pas nécessairement
égal au nombre de protons. Il peut même être différent pour deux noyaux d'un
même élément comme c'est le cas pour l'uranium avec 92 protons et 141, 142, 143
ou 146 neutrons. Ces différents noyaux sont appelés les isotopes d'un élément,
l'uranium dans ce cas-ci.
Les propriétés physiques et chimiques des éléments varient d'un élément à l'autre.
Néanmoins, il existe des similitudes entre certains éléments ce qui permet de les
regrouper en familles dans ce qu'on appelle le Tableau Périodique des Eléments,
Table 4.1: Propriétés des particules élémentaires
Particule Masse (Kg) Charge électrique
électron 9.109 x 10-31 négative
proton 1.673 x 10-27 positive
neutron 1.675 x 10-27 aucune
Cha
p
itre 4
Pa
g
e 1 sur 16

illustré à la Figure 4.2 Dans ce tableau, les 92 premiers éléments (de l'hydrogène
jusqu'à l'uranium) sont appelés les éléments naturels. On dit que ce sont des
éléments naturels car leur noyau est suffisamment stable pour que leur durée de vie
soit très longue (généralement supérieure à 109 années). Les autres, au-delà de
l'uranium, possèdent des noyaux très massifs et instables qui ont tendance à se
briser (fissionner) facilement. Ces éléments, dont la durée de vie est généralement
courte (souvent à peine quelques secondes), sont créés artificiellement,
généralement en laboratoire, et n'existent pas dans la nature. Les structures que
l'on observe dans l'Univers sont donc le fruit de combinaisons des 92 éléments
naturels que l'on connaît.
Cliquez ici pour une TABLEAU RÉCENT
Figure 4.2: Le tableau périodique des éléments selon Mendeleïev
http://www.snv.jussieu.fr/enseignement/ARPE/elements/
Cha
p
itre 4
Pa
g
e 2 sur 16

Les interactions
L'organisation de la matière en structures plus ou moins complexes est rendue
possible grâce à l'existence de quatre forces, aussi appelées interactions,
fondamentales. L'intensité relative et le comportement de ces quatres interactions
sont différents pour chacune d'entre elle. De plus, elles agissent à différentes
échelles dans l'Univers, du niveau microscopique au niveau macroscopique.
L'interaction gravitationnelle
La plus familière de toutes est l'interaction gravitationnelle. Comme nous l'avons
vu précédemment, dans la deuxième moitié du 17ième siècle, Isaac Newton
énonça ce qui allait devenir la Loi de la gravitation universelle. Pour y arriver il a
inventé à lui seul une branche des mathématiques qui porte aujourd'hui le nom de
calcul différentiel et intégral. Son génie fut d'unifier les lois du mouvement
planétaire décrites par Kepler, avec la loi de la chute des corps sur Terre énoncée
par Galilée. Cette loi s'énonce comme suit:
Loi de la gravitation universelle - Chaque particule de matière dans
l'Univers attire toute autre particule avec une force proportionnelle au produit
de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les
sépare.
Cette loi prend la forme analytique suivante:
où Fgrav est la grandeur de la force, m1 et m2 sont les masses des deux particules
(objets), d est la distance qui les sépare, et G est une constante. Le signe négatif
indique qu'il s'agit d'une force attractive.
La force gravitationnelle est donc une force attractive dont l'intensité décroît avec le
carré de la distance. Cette interaction, dont l'intensité relative est faible, est
responsable des grandes structures comme les planètes, les étoiles, et les galaxies.
C'est aussi la force gravitationnelle qui décidera, comme nous le verrons plus tard,
du destin ultime de l'Univers.
Il importe ici de faire une brève mise au point concernant le concept de masse et de
poids. La masse d'un corps est une mesure de la quantité de matière qu'il contient
(un astronaute par exemple), il s'agit d'une propriété intrinsèque et invariable de ce
corps. Le poids, par contre, est une mesure de la force gravitationnelle s'exerçant
entre un corps et une planète (la Terre par exemple), c'est une quantité variable.
Pour mieux comprendre, imaginez un astronaute faisant un voyage de la Terre à la
Lune. Sa masse ne change pas d'un endroit à l'autre, mais son poids sur la Lune est
environ 6 fois moindre que sur la Terre!
L'interaction électromagnétique
A une échelle plus réduite on retrouve la signature de l'interaction
électromagnétique. La théorie décrivant les interactions électromagnétiques est
un autre exemple de simplification dans le domaine de la physique. Elle regroupe
dans une description uniforme les phénomènes faisant intervenir les charges
Cha
p
itre 4
Pa
g
e 3 sur 16