NOMBRES – Curiosités, Théorie et Usages

 

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Physique

 

Débutants

Atome

ATOMES

 

Glossaire

ATOME

 

 

INDEX

Sciences

 

Atomes

Structure

Noyau

Électron

Corps simples

Taille

Molécules

Matière

Atome en classe de seconde

Sommaire de cette page

>>> Approche

>>> Taille

>>> Masse et nombre de masse

>>> Vitesse

>>> Volume des nucléons dans l’univers

>>> Nucléons sur la Terre

>>> Nucléons dans l’Univers – Calcul

>>> Volume de l'Univers

 

 

 

 

ATOMES

& Nucléons dans l’Univers

 

L'atome est composé d'un noyau formé de nucléons: neutrons et protons; et, d'électrons qui "tournent" très loin de ce noyau.

 

Il y aurait: 10 80 nucléons dans l'Univers visible.

Une quantité, somme toute, pas si grande!

 

 

En 1803, John Dalton (1766-1844) propose sa théorie atomique: la matière est composée d'atomes de masses différentes qui se combinent selon des proportions simples. Dalton admettait que les gaz sont formés de petites particules qui sont toujours en mouvement. Les particules, ou atomes, d'un corps simple sont semblables entre elles.

 

En 1913, le physicien danois Niels Bohr (1885-1962) imagine un modèle planétaire de l’atome afin d’expliquer les raies émises par des atomes d’hydrogène excités. Ce modèle, est vite dépassé car il ne permet pas d’expliquer les spectres des autresatomes. L'électron devient un paquet d'ondes probables et la physique de l'atome devient physique quantique.

 

 

APPROCHE

 

*         Un atome est la plus petite particule d'un élément chimique donné.

*         Les atomes sont de petites particules qui s'assemblent pour former toute la matière. Les atomes s'assemblent pour former des molécules, plus petit fragment indépendant d'une substance chimique.

 

*         L'atome est constitué d'électrons gravitant autour d'un noyau, comme le feraient des satellites autour d'une planète.

*      Selon la représentation conventionnelle.

*      C'est un peu plus compliqué dès que l'on parle physique quantique:   onde-particule >>>.

 

*         Le noyau est très petit par rapport à la taille de l'atome.

*      La matière est essentiellement constituée de vide.

*      La masse est essentiellement concentrée dans le noyau.

 

Un million d'atomes tiendraient dans l'épaisseur d'un cheveu.

Il a 2 milliards d'atomes dans ce point, juste là "."

Si l'atome était un stade, le noyau serait une tête d'épingle au centre et les électrons seraient à la place des  spectateurs, chacun ayant la taille d'un grain de poussière !

 

Modèle actuel de l'atome

 

*         Un noyau autour duquel existe une zone sphérique centrée sur le noyau et dans laquelle il y a une certaine probabilité de trouver les électrons (nuage électronique).

 

Modèle antique

*         Atome du grec a-tomos: in-divisible.

*         Démocrite (400 av. J.-C.) pensait qu'on ne pouvait pas diviser la matière indéfiniment.

Voir Atomes – Index

 

Antiquité: les atomistes

Deux atomistes: Leucippe (mort vers -420) et son élève Démocrite morts vers -370). Aucun écrit connus. Athéistes, la connaissance du monde doit être basée sur l'observation et le raisonnement à l'exception de tout mysticisme.

Un morceau de matière (de bois, par exemple) peut être coupé en morceaux et, ces morceaux coupés à leur tour et ainsi de suite. Juste qu'à ce que cela devienne impossible physiquement. Mais l'opération peut être prolongée par la pensée. Mais là aussi, il faudra bien s'arrêter. Il existe donc bien des morceaux de matières insécables et de même nature que la matière initiale.

Mais physiciens de l'époque pensaient au contraire que toute chose était faite à partir de quatre constituants de base.

 

 

 

TAILLE

 

Diamètre d'un atome moyen

 

1 angström = 0,1 nanomètre = 10-10 m

 

Du plus petit au plus grand

                                    de   0,43           Hydrogène H   (1)

                                    à     2, 6            Césium       Cs (55)

 Voir Tableau complet

 

*         Cette grandeur est difficile à définir précisément, car il n'existe pas pas de frontière précise. L'équation de Schrödinger permet de calculer la probabilité de présence d'un électron en fonction de la distance au noyau.

 

Diamètre d'un nucléon: proton ou neutron

 

1 fermi = 1 femtomètre = 10-15 m 

 

*         Soit 100 000 fois plus petit que le diamètre moyen de l'atome.

 

 

Comparaison: distance en mètres

Voir Univers / Quarks

 

 

 ATOME ET SOLEIL

 

 ATOME

 

Taille en m

Rapport

*         Noyau de l'atome

10-15

 

*         Orbite électron

10-10

105

 

SYSTÈME SOLAIRE

 

Taille en m

Rapport

*         Soleil

0,7 109

 

*         Orbite Terre

1,5 1011

200

*         Orbite Pluton

7 1012

104

*         Confins

1014

105

 

Comparaison

*         Si le noyau prenait la taille du Soleil, les électrons se baladeraient aux confins du système solaire, dix fois plus loin que Neptune (soit à quelques jours-lumière).

 

*         La matière est beaucoup plus vide que le système solaire!

 

 

 

 

MASSE

 

*         La masse d'un atome varie grandement selon l'élément. Elle est concentrée dans son nucléon.

*           L'hydrogène est le moins lourd.

*           Le plutonium est l'un des plus lourds.

*           Le ratio est de 200 en masse pour seulement 4 en diamètre.

 

Nombre de masse

*         Quantité de nucléons: neutrons  + protons

 

Voir Nombre de masse, masse atomique / Isotopes / Ions

 

 

 

VITESSE

 

*         Vitesse des atomes à température ambiante: 400 m /s.

 

*         Ils se heurtent les uns aux autres dans un désordre indescriptible.

 

*         Pour étudier les atomes individuellement, les physiciens doivent les ralentir. Plusieurs pistes:

*       les refroidir ou les solidifier. Cela augmente la densité et la quantité d'interactions: pas la bonne solution!

*       les bombarder dans le sens de leur marche: oui avec un faisceau laser. Un atome qui absorbe un photon subit un recul. Les pichenettes des photons sur les atomes sont très faibles, mais très nombreuses. Dit plus proprement: La quantité de mouvement de chaque photon est minuscule, mais l'action d'un très grand nombre de photons peut conduire à une décélération notable. Chaque photon absorbé et réémis dans une direction aléatoire, mais loi des grands nombres en action, l'effet global est nul.

*       les soumettre à un champ électrique: celui de la lumière, en interaction avec celui de l'atome. Dans des conditions propices (fréquences), les atomes sont attirés vers les régions de forte intensité lumineuse.

Sur la base de telles idées, les physiciens arrivent à ralentir les atomes à des vitesses de l'ordre de quelques centimètres par seconde (Claude Cohen-Tannoudji, français – Prix Nobel 1997). Dans ce monde, ralentir, c'est refroidir: les atomes descendent à quelques millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu.

 

Source: Pour la Science – Fév. 2009 – Enrouler la lumière pour piéger les atomes.

 

 

Voir Nombre  400

 

 

 

QUANTITÉ de nucléons dans l'Univers

 

*         Le nombre de nucléons dans l'univers est estimé à:

 

10 78 < N < 10 80

 

Voir Noyaux dans l'univers et Eddington

 

*         Si on les tassait, ils occuperaient un cube dont la longueur du côté mesurerait trois fois la distance Terre-Soleil.

Quantité de nucléons - Exemples

Nombres d'atomes

            Dans

10 80

*    Univers

10 57

*    Système solaire

10 50

*    Planète Terre

2 10 30

*    Statue de la Liberté

6,5 10 27

*    Bébé de 7,5 kg

5 10 25

*    1 m3 d'air (pression atmosphérique normale)

4 10 24

*    Souris

> 10 24

*    Livre normal

0,67 10 24

*    1g d'eau (de matière)  Voir  Calcul

6 10 23

*    2 g d'hydrogène (Avogadro)

3 10 27

*    1 m3 d'air sur Terre

7 10 27

*    Homme de 70 kg

10 19

*    1 m3 d'air à   100 km d'altitude

10 10

*    1 m3 d'air à 1000 km d'altitude

< 10

*    1 m3 de vide intergalactique (source Nasa)

 

 

 

Nucléons sur la Terre

Caractéristiques

Valeur

Unités

*       Masse de la Terre.

6 10 27 

g

*       Masse d'un atome d'hydrogène
(estimation par excès, car les autres atomes sont plus lourds).

1,66 10 -24

g

*       Quantité d'atomes (calcul ci-dessus).

< 3,6 10 51

atomes sur Terre

*       Quantité d'atomes (valeur admise).

10 50

 

 

 

 

 

Nucléons dans l’Univers Visible – Calcul

Caractéristiques

Min

Max

Unités

*       Densité de l’univers (cette valeur varie de 3 à 6 selon les auteurs).

3

6 

atomes / m3

*       Taille de l’univers.

12

15

milliards d’années-lumière

*       Une année-lumière.

0, 946

 

10 16 m

*       Taille de l’univers.

1,135

1,42

10 26 m

*       Volumes de l’Univers: R3 /3

1,837

3,590

10 79 m3

*       Atomes dans l’Univers.

5,5

32,4

10 79

*       Nombres de galaxies dans l’univers.

1

1 

10 11

*       Nombres d’étoiles dans une galaxie.

1

1 

10 11

*       Atomes dans une étoile, comme le Soleil.

5,5

32,4

10 57

Calcul à partir de l'atome

*       Masse du Soleil

2

1033 g

*       Atomes dans un gramme

0,5

1024

*       Atomes dans le Soleil

1057

 

Notes:

En fait les scientifiques calculent à l’envers. À partir du nombre estimé d’atomes dans le Soleil.

Le nombre moyen d'atomes dans l'univers met en jeu la densité critique de l'Univers, Constante de Hubble, Théorie d'Einstein … Voir Sites spécialisés sur ce sujet

Mots clés: Density of the Universe, critical density of matter, critical mass density.

 

 

Volume de l'Univers – Selon unités

10 79

m3

10 88

mm3

10 97

 m3

10 106

nm3

nano = 10-9

La lumière parcourt 30 cm en 1 ns

10 109

unité atome (10-10 m) *

10 124

unité neutrons (10-15 m) *

10 133

unité quarks (10-18 m) *

 

Volume de l’univers

* en supposant que ces objets soient empilés. Ce qui n’est bien sûr pas le cas. 

L’exposant reste dans le bas de la centaine.

Ce ne sont pas de grands nombres.

 

Voir Puissances de dix / Taille de l'Univers

 

 

 

 

Suite

*    Atome – Nombre de masse

*    Atome en classe de seconde

*    Autres pages sur l'atome

*    Incertitude (qu'est-ce l'atome?) – Roman

*    Molécule

Voir

*    Atomes lourds

*    Comparaison atome et petit pois

*    Dimensions de Planck

*    Étoiles

*    Masse des particules

*    Matière - Glossaire

*    Noyaux dans l'univers et Eddington

*    Particules – Index

*    Particules – Introduction

*    Soleil

*    Terre

*    Univers

DicoNombre

*    Nombre 10-12

*    Nombre 10-15

Sites

*    Atome (radioactivité.com) – Clair, fiable et illustré.

*    L'atome et l'élément – Philippe Campion – Jacques Parra

*    Atome – Okapi

*    Une brève histoire de l'atome – Structure de la matière – Université de Bordeaux

*    L'atome classique

*    Matériaux et électricité

*    Atoms - Trinity College

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