Chapitre 7 : atomes et noyaux

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Chapitre 7 : Atomes et noyaux

• Le chapitre est dispensé par le Pr François Bochud.
• Le module est B1.1, FBM - BMed.
• Le cours porte sur la physique générale.

Citation de George Box

• "Tous les modèles sont faux, mais certains sont utiles"
• George Box (1919-2013)

Objectifs du cours

• Décrire les modèles classiques et quantiques de l'atome et du noyau.
• Comparer les caractéristiques de l'atome et du noyau, en particulier du point de vue des énergies de liaison.
• Connaître l'âge de l'Univers et du système solaire et expliquer d'où vient la matière qui nous entoure.

L'atome

• Pour extraire un noyau de l'atome, une énergie d'au moins 10 eV est nécessaire.
• L'extraction d'un nucléon nécessite près d'un million de fois plus d'énergie.
• La masse d'un atome est principalement concentrée dans le noyau.
• L'atome est composé d'un noyau chargé positivement et d'un nuage d'électrons.
• Dans un atome neutre, le nombre de protons est égal au nombre d'électrons.
• Le numéro atomique correspond au nombre de protons.
• La charge élémentaire d'un électron est de 1.6 x 10^-19 C. Sa masse est de 9.1 x 10^-31 kg.
• La taille d'un atome est de l'ordre de 10^-10 m.
• La taille du noyau est de l'ordre de 10^-15 m. La taille du noyau est 100 000 fois plus petite que celle de l'atome.
• La charge d'un neutron est nulle, celle d'un proton est +e.
• Un humain de 70 kg contient environ 6.7 x 10^27 atomes.
• L'hydrogène, l'oxygène et le carbone représentent près de 99 % des atomes du corps.

De quand datent les plus vieux globules rouges dans le sang de Kilian Jornet ?

• Environ 4 mois.

De quand datent les noyaux des atomes de fer dans l'hémoglobine ?

• Entre 4.5 et 13.7 milliards d'années.

Les noyaux qui composent la matière

•  Ces noyaux ont été synthétisés dans des étoiles avant la formation du système solaire.
• Ce processus se fait par des fusions successives au cœur des étoiles.

Dimensions d'un atome

• 1 µm (10^-6 m)
• 1 Å (10^-10 m)
• 1 fm (10^-15 m)

Distance entre les atomes de carbone dans le graphène

• 1.42 Å.

Dimension d'un noyau

• 1 fm (10^-15 m)
• La moitié de celle de l'atome.
• 100 000 fois plus petit que l'atome.

Partie des électrons dans un atome neutre

• 0.03 %.

Modèle classique de l'atome

• Modèle planétaire.
• Les électrons gravitent autour du noyau sur des orbites circulaires.

Modèle classique du noyau

• Composants : protons (charge +e) et neutrons (charge 0).
• Masse : environ 10^-25 kg.
• Dimension : environ 10^-15 m.
• Energie de liaison : environ 10 MeV.
• Forces : nucléaire et électromagnétique.

Composition et comparaison avec l'atome

• Le noyau est composé de nucléons (protons et neutrons).
• La masse d'un nucléon est environ 1800 fois plus importante que celle d'un électron.
• Pour la plupart des atomes, la majeure partie de la masse est contenue dans le noyau.
• Les nucléons sont liés par la force nucléaire forte.
• L'énergie de liaison des nucléons est beaucoup plus importante que celle des électrons d'un atome.

Nomenclature du noyau

• Le nombre de masse (A) correspond au nombre total de nucléons (protons + neutrons).
• Les isotopes d'un élément ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

Energies de liaison

•  Les électrons périphériques ont une énergie de liaison de l'ordre de 10 eV.
• Les nucléons ont des énergies de liaison beaucoup plus élevées : 1 million de fois plus élevés que celle des électrons périphériques.

Rayonnement de fluorescence et transition stimulée

•  Un électron peut passer d'une orbite à une autre, et émettre ou absorber un photon.
• La transition peut être spontanée ou stimulée.
•  Le rayonnement de fluorescence est l'émission d'un photon lorsqu'un électron dans un état excité revient à son état fondamental.
• La transition stimulée est l'émission d'un photon lorsqu'un électron est poussé à revenir à son état fondamental par un photon incident de même énergie et fréquence.

Âges de l'Univers et du système solaire

• L'âge de l'univers est d'environ 13,7 milliards d'années ;
• L'âge du système solaire est d'environ 4,5 milliards d'années.
• La matière qui compose l'univers a été créée lors du Big Bang.
• La matière qui nous compose a été créée dans des étoiles et des supernovaes et a été fusionné dans notre système solaire.

Modèle quantique de l'atome

• Les électrons ne sont pas considérés comme des particules ponctuelles sur des orbites précises, mais plutôt comme des distributions de probabilité.
• Leurs énergies sont quantifiées.

Modèle quantique du noyau

• Les nucléons (protons et neutrons) sont également décrits comme des particules en mouvement et occupent des niveaux d'énergie quantifiés.

Forces antagonistes dans le noyau

•  Les protons ont une charge positive et se repoussent par une force électromagnétique.
• La force nucléaire forte est une force attractive à courte portée qui surmonte la force électromagnétique.
•  L'énergie de liaison du noyau décroît pour les noyaux les plus lourds.
• La force nucléaire diminue avec la distance.

Comment nomme-t-on un noyau de carbone avec 8 neutrons ?

• C-14.

Différences entre physique quantique et classique

• Caractère discret : en physique classique, les grandeurs telles que l'énergie peuvent prendre n'importe quelle valeur continue. En physique quantique, l'énergie est quantifiée et ne peut prendre que des valeurs discrètes.
• Probabilité : en physique classique, la position et la vitesse d'une particule sont déterminées avec précision. En physique quantique, la position et la vitesse sont décrites par des probabilités.

Comment nomme-t-on un noyau de carbone avec 8 neutrons

• C-14.

Autres

• Des informations supplémentaires sur les atomes, les noyaux, les orbitales électroniques et les nombres magiques sont fournis dans les pages des diapositives.
• Des exemples de questions d'examen sont présentés.