Chap 7 Atomes et noyaux PDF

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Ou accéder à la page web suivante : https://student.turningtechnologies.eu/#/ Connectez-vous sur la session entrez sous physgen2024 guest/invité Chapitre 7 Atomes et noyaux Pr François Bochud FBM – BMed – module B1.1 Cours de physique générale  "Tous les modèles sont faux, mais certains sont utiles" George Box (1919-2013) By DavidMCEddy at en.wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=14941622  Objectifs 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 il faut une énergie au moins égale a 10eV, il en faut presque 1million de fois plus pour extraire un nucléon du noyau. L’essentiel de la masse d’un atome est localisé dans le noyau L’atome est composé d’un noyau chargé positivement contenant des nucléons centrés sur un nuage d’électrons (modèle planétaire) dans un atome neutre : le nombre de protons est égal au nombre d’électrons —> numéro atomique (Z) (un électron a une charge élémentaire négative d’amplitude e = 1.6 x 10^-19 C et sa massse 9.1 x 10^-31kg ou 511keV/c^2), la part des électrons dans un atome neutre est de 0.03 (en masse) La taille d’un atome est de l’ordre de 10^-10m(1å), 100’000x plus grande que celle du noyau La charge du neutron est nulle, celle du proton vaut +e Un humain de 70kg contient 6.7x10^27 atomes (70 années lumière) L’hydrogène, l’oxygène et le carbone composent presque 99% des atomes dans le corps  De quand datent les plus vieux globules rouges actuellement présents dans le sang de Kilian Jornet ? https://www.runnersworld.com/runners-stories/a32783247/kilian-jornet-training-during-coronavirus-nn-running-marathon-virtual-relay/ https://www.couchtothesummit.com/training-science-series-8  De quand datent les plus vieux globules rouges actuellement présents dans le sang de Kilian Jornet ? 1. ~ 4 jours 2. ~ 4 semaines 3. ~ 4 mois 4. ~ 4 ans 5. sa naissance 6. la naissance de ses parents Le bateau de Thésée  De quand datent les noyaux des atomes de fer actuellement présents dans votre hémoglobine ? 1. ma naissance 2. la naissance de mes parents 3. la séparation entre homo et les autres grands singes (7 millions d'années) 4. la formation du système solaire (4.5 milliards d'années) 5. entre 4.5 et 13.7 milliards d'années 6. le bigbang (13.7 milliards d'années) http://cours.polymtl.ca/PBedard/glq1100/roches/formation_fer/formation_de_fer.html -13.7 milliards d'années Bigbang (0) Noyaux, H et He (2 min) Atomes (380'000 a) -4.5 Système solaire 0 Maintenant  Les noyaux qui nous composent ont été synthétisés dans des étoiles qui sont mortes avant la formation du système solaire fusions successives dans le cœur des étoiles http://www.philoshit.co.il/wp-content/uploads/2012/10/red-giant-fusion.gif  Quelle est la dimension d'un atome ? 1. 1 µm (10 6) - 2. 1 Å (10-10) 3. 1 fm 5 du noyan 10 - > taille ↳ -  Image au microscope électronique à transmission à balayage montrant la structure atomique hexagonale du graphène (Chaque point blanc est un seul atome de carbone) 1.42 Å entre chaque atome de carbone https://www.pinterest.ch/pin/537335799275939806/  Quelle est la dimension d'un noyau ? (plusieurs réponses possibles) 1. 1 µm 2. 1Å 3. 1 fm 4. la moitié de celle de l'atome 5. 100'000 fois plus petit que l'atome  noyau atomique = grain de sable Kurzgesagt - Let’s Travel to The Most Extreme Place in The Universe - https://youtu.be/FfWtIaDtfYk?si=s_wptLqVzllI7Q_e  En masse, quelle est la part des électrons dans un atome neutre ? 1. 0.03 % m(nucléon) ≈ 1'800 m(e-) 2. 0.3 % 3. 3% m(e-) 4. 30 % 1 5. 50 % = 0.027 % 1800+1800+1 6. 67 % m(p+) m(n) 7. 97 %  Modèle classique (planétaire) de l'atome minutephysics - A Better Way To Picture Atoms - https://youtu.be/W2Xb2GFK2yc  Modèle classique (planétaire) de l'atome électron (charge -e) masse = 9.1 x 10-31 kg = 511 keV/c2 atome neutre Z électrons proton (charge +e) Z protons masse = 1.673 x 10-27 kg N neutrons = 938.3 MeV/c2 (Z : numéro atomique) neutron (charge = 0) masse = 1.675 x 10-27 kg = 939.7 MeV/c2  Dans un atome d'argon, l'énergie de liaison d'un électron peut prendre n'importe quelle valeur située entre environ 15 eV et 2'000 eV L’énergie de liaison des électrons dans un atome n’est pas continue et ne peut pas prendre n’importe quelle valeur dans une plage. L’énergie des électrons est quantifiée, ce qui signifie qu’elle ne peut prendre que des valeurs spécifiques, correspondant à des niveaux d’énergie discrets. 1. vrai Dans un atome d’argon (ou tout autre atome), les électrons occupent des orbitales atomiques organisées en niveaux d’énergie. Ces niveaux sont fixés et correspondent à des énergies spécifiques pour chaque électron, en 2. faux fonction de son couche électronique (par exemple, la couche K, L, M, etc.). Exemple pour l’argon : Les électrons de la couche K (la plus proche du noyau) ont une 3. je ne sais pas énergie de liaison élevée, environ 3’000 eV. Les électrons de la couche L ont une énergie de liaison plus faible, autour de 100 eV. Donc, l’énergie de liaison des électrons dans un atome d’argon peut être spécifique à chaque niveau d’énergie, mais elle ne peut pas varier de manière continue entre 15 eV et 2’000 eV.  énergie externe énergie d'un électron (radiation solaire) état excité O2 lumière état fondamental https://www.authentikcanada.com/fr-fr/blog/aurores-boreales-ou-et-quand-les-observer  Modèle quantique (moderne) de l'atome ce que les électrons ne sont pas… 1. les électrons ne sont pas des points matériels sur une orbite circulaire autour du noyau; ils se trouvent dans des orbitales, définies par des fonctions d'onde minutephysics - A Better Way To Picture Atoms - https://youtu.be/W2Xb2GFK2yc  Orbitales électroniques Modèle quantique : les électrons gravitent autour du noyau mais leur position n’est pas connue précisément, étant définie pas des orbitales ou fonction d’onde qui traduisent la probabilité qu’un electron se trouve dans un espace donné : Chaque orbitales est associée a des énergies de liaison quantifiéeset spécifiques a l’élément considéré L’énergie de liason de chaque electron de l’atome dépend de 4 nombres quantiques Les principe d’exclusion de pauli stipule que 2 électrons n’ont jamais exactement les mêmes nombres quantique à l’intérieur d’un meme atome. Orbitales électroniques du tableau périodique  Orbitales électroniques du tableau périodique 1s 2s 3s 4s minutephysics - A Better Way To Picture Atoms - https://youtu.be/W2Xb2GFK2yc  Modèle quantique (moderne) de l'atome 2. les électrons ont une n=4 énergie de liaison déterminée par leurs orbitales; n=3 cette énergie est quantifiée et propre à l'atome considéré n=2 n=1  Énergie d’ionisation et énergie de liaison Les électrons périphériques sont les moins liés au noyau et jouent un rôle important dans les réactions chimiques et la formation des molécules : les electrons les moins liés a l’atome ont des énergies situées entre 4 et 25eV L’énergie d’ionisation augmente au fur et a mesure que les orbitales se remplissent jusqu’à atteindre un maximum pour les gaz rares. Les numéros atomique correspondant sont : 2,10,18,36,54,86 Plus le numéro atomique est grand, plus faible est l’énergie de liaison de l’électron le moins lié car : 1. l’effet d’ecrantage du noyau par les electrons des couches inférieures( réduisent l’attraction du noyau sur les électrons externes) 2. plus l’atome est gros, plus les électrons périphérique sont éloignés du noyau ( il faut 2x plus d’énergie pour ioniser un atome d’hélium que pour ioniser un atome de radon) ( voir p.65 énergie de liaison en fonction du numéro atomique )  Rayonnement de fluorescence et transition stimulée Un electron peut passer d’une orbitales a une autre si l’orbitale de destination est inocupéee. Il faut un apport d’énergie externe si l’orbitale l’électron se retrouve moins lié. C’est une excitation: l’énergie externe peut provenir de l’absorption d’un photon ou d’une collision avec une particule chargée passant à proximité. Si l’orbitale de destination est davantage liée, la transition peut se faire de manière spontanée. L’énergie potentielle perdue peut être libérée sous la forme d’un photon. Lorsque l’énergie de l’électron dans l’atome est libéré sous la forme d’un photon il s’agit de rayonnement de fluorescence ou rayon X caractéristique car les énergies possibles sont caractéristiques de l’element considéré Les photons émis lors de transitions spontanées ont des directions aléatoires. Ces transitions ne se produisent pas instantanément : etat stable ne durant qu’un certain temps, caractéristique de l’element et des orbitales concernées. Cela rend possible de stimuler le processus de transition avec un photon dont l’énergie correspond exactement à l’energie de la transition. Ce photon réagit avec l’électron qui procède a la transition au meme moment qu’il émet un rayonnement caractéristique. Au final, 2 photons d’énergie identique se déplacent dans la meme direction : émission stimulée ou émission induite ( base du rayonnement laser, a distinguer de l’émission spontanée).  Energie de liaison minimale des électrons (électrons les plus périphériques) Les électrons dans une orbitale complète occupent toutes les positions disponibles et sont répartis de manière de l'électron le moins lié (eV) uniforme dans l'orbitale Energie de liaison Cette configuration minimise la répulsion électrostatique entre les électrons, car ils sont répartis de manière équilibrée, ce qui rend l'orbitale plus stable Numéro atomique (Z) https://fr.freepik.com/vecteurs-premium/modele-bohr-atome-lithium_37765351.htm  Energie de liaison minimale des électrons (électrons les plus périphériques) Ar de l'électron le moins lié (eV) Energie de liaison Electrons périphériques de Ar moins liés que Ne, car plus éloignés Effet d'écrantage du noyau par les électrons des orbitales inférieures Numéro atomique (Z) https://fr.freepik.com/vecteurs-premium/modele-bohr-atome-lithium_37765351.htm  Energie de liaison minimale des électrons (électrons les plus périphériques) de l'électron le moins lié (eV) ordre de grandeur Energie de liaison 10 eV  Que se passe-t-il lorsqu'un atome contient une orbitale inoccupée qui est davantage liée qu'une autre orbitale occupée ? 1. un électron moins lié va occuper l'orbitale libre et libérer de l'énergie 2. un électron moins lié va occuper l'orbitale libre pour autant qu'il reçoive de l'énergie 3. rien ne va se passer  Modèle classique du noyau Z protons N neutrons  Noyau Composition et comparaison avec l’atome Selon le modèle classique : noyau (nucléide) est composé de nucléons( Z protons charge : +e et N neutrons charge : nulle ) La masse d’un nucléon est env. 1800x supérieur a celle d’un électron Pour un élément typique contenant le même nombre de protons que de neutrons : plus de 99.97% de la masse de l’atome est localisée dans le noyau, dont la dimension est env. 100’000x plus petite que celle de l’atome Dans le modèle quantique : les nucléons ont des énergies de liaison quantifiées dans des orbitales analogues a celles des électrons de l’atome, l’énergie de liaison est toutefois env. 1 millions plus importante que celle d’un électron périphérique de l’atome Les nucléons peuvent être excités dans une orbitale supérieure s’ils reçoivent une quantité d’énergie correspondant a la différence entre ces 2 niveaux (comme les électrons). Dans le cas inverse un nucléon se liant davantage au noyau libère de l’énergie sous la forme d’un photon : rayonnement gamma. L’énergie de ce photon est spécifique au noyau considéré les électrons sont liés dans l’atome au noyau par la force électromagnétique. A l’intérieur du noyau les protons interagissent entre eux par le biais de la force électromagnétique mais la force nucléaire est suffisamment importante pour maintenir les nucléons confinés dans le noyau Si un noyau garde la même composition moyenne au cours du temps il est stable. Si ces transformations conduisent a l’émission d’énergie hors du noyau il est instable ou radioactif Nomenclature du noyau Le nombre total de nucléons (Z+N) est le nombre de masse A Pour un numéro atomique Z donné il existe des noyau dont le nombre de neutrons N peut varier : ces noyaux forment les isotopes d'un élément Un noyau de carbone contentent 6 neutrons est l'isotope 12 du carbone (carbone-12 ) Sil contient 8 neutrons il s'agit du carbone -14 L'ensemble des atomes recettes de tous les isotopes d'un même éléments ont le même nombre d'électrons et les même propriétés chimiques. Le noyau d'un élément E est parfois décrit en indiquant e,z,n,a cosse contante de l'élément of nombre de masse ) Le noyau du carbone-14 est représenté : Carbone 14 , 1-14 , Co - ) " , , Carte des carte des nucléides Chaque nucléide est représenté dans une case définie en horizontal par le nombre de neutrons et en vertical par le nombre de protons. Les nucléides de faibles masses ont env. le même nombre de protons que de neutrons (Z=N). LE CARBONE-12 contient 6 protons et 6 neutrons. Les nucléides plus lourds tendent a avoir passablement plus de neutrons que de protons (N