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27 janvier 2010 3 27 /01 /janvier /2010 21:37

J'ai constaté qu'un certain nombre de rappels (ou pas) de notions de base de physique s'imposaient.


La matière :


La matière qui compose nos corps, notre nourriture, l'eau, les arbres, toute cette matière qui nous « touche » est constituée d'atomes. Les atomes sont comme des briques rondes ; il en existe différentes espèces.


Les atomes s'assemblent pour former des molécules, ou alors des ions. Un ion, c'est un atome ou une molécule qui n'est pas électriquement neutre. Par exemple, le sel dissous se présente sous la forme d'ions Na+ (sodium+) et Cl- (chlore-). L'ion sulfate SO4 2- (un atome de soufre, quatre d'oxygène avec deux électron en plus) est un exemple de molécule ionique. Quant à la charge électrique, c'est une notion fondamentale de la physique.


Mais les atomes ne sont pas aussi indivisibles qu'on pourrait le croire. Il sont constitués d'un noyau autour duquel gravitent des électrons.


atom planet

Modèle planétaire de l'atome. Bien que très jolie, cette image ne représente la réalité que de façon simpliste, voire carrément erronée.


Les électrons ont une charge (électrique) négative, et le noyau une charge positive. Un atome proprement dit est un édifice neutre : sa charge est nulle. Quasiment toute la masse de l'atome est concentrée dans le noyau. Le noyau est lui même constitué de nucléons, qui sont soit des protons, soit des neutrons. Les protons et les neutrons ont quasiment la même masse, mais les neutrons sont neutres, alors que les protons ont une charge positive, opposée à celle des électrons.

On peut désigner un atome par le nombre de protons qu'il possède. L'hydrogène possède un seul proton, alors que le néon en possède 8. On utilise aussi le nombre de masse : l'uranium 235 et l'uranium 238 diffèrent de leur nombre de neutrons : l'uranium 238 a 3 neutrons en plus. Ce nombre de masse est égal au nombre de neutrons plus celui des protons. On dit que l'uranium 235 et l'uranium 238 sont deux isotopes de l'uranium.

On a découvert il n'y a pas si longtemps que les protons et les nucléons étaient chacun constitués de quarks, mais nous n'aurons pas besoin d'en parler ici.

Imaginez vous bien que chaque particule est ponctuelle, et que si on les représente sous forme de boules, c'est parce qu'elles exercent des forces attractives et répulsive qui les stabilisent à une certaine distance l'une de l'autre. A vrai dire, la notion de contact, abstraction faite de la physiologie, est plutôt floue.

 

La lumière :


Au sens large, la lumière recouvre aussi bien les ondes radio que les couleurs rouge, bleu, et les rayons X. Un petit schéma s'impose :

 

em spectrum 

Le spectre électromagnétique. Pourquoi on appelle ça un spectre ? Peut-être à cause des délires alchimistes de Newton, qui sait...


Gardez bien cette image à l'esprit dès qu'on vous dit « onde électromagnétique ».


Les grains de lumière, qu'on appelle « photons », sont des particules de masse nulle. Elle sont particulières parce qu'elles transportent la force électromagnétique, qui agit sur les corps électriquement chargés, et aussi parce qu'elles se déplacent dans le vide à la vitesse c, la fameuse « vitesse de la lumière » que les autres particules de matière ne peuvent jamais atteindre ni dépasser si l'on en croit la théorie de la relativité.

 



OEM.jpg

Imaginer un point qui défile sur la ligne, et qui transporte les flèches représentant les force électrique et magnétique...


Il est communément admis aujourd'hui que la matière comme la lumière possèdent à la fois des caractéristiques ondulatoires comme corpusculaires, ce qui pose problème parce qu'une onde est fondamentalement continue, alors que les corpuscules (ou particules, c'est pareil) sont des êtres discontinus, séparables un à un.

 

 

Les réactions chimiques :


Au sens large, les réactions chimiques regroupent toutes les transformations de la matière où entrent en jeu plusieurs réactifs.


On représente ainsi la combustion du méthane (CH4) :


CH4+2 O2->2 H2O+CO2


Vous pouvez compter, il y a autant d'atomes de carbone (C) au début qu'à la fin, idem pour l'hydrogène (H) et l'oxygène (O). C'est l'expression de la célèbre formule de Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. ».


Derrière cette phrase se trouve un mode de pensée très puissant pour la physique. On sait aujourd'hui que la matière ne se conserve pas, car de la masse peut disparaître ou apparaître lors de certaines transformations de la matière. En revanche, l'énergie est toujours conservée.


Les réactions chimiques se passent lorsque plusieurs particules se rentrent dedans. Lors des collisions, il se passe des choses, et au final on n'a pas toujours les mêmes particules que celles qu'on avait au début.

 

effet compton

Illustration d'une collision de particules.


C'est lors de ces collisions que de la masse peut apparaître ou disparaître. Cette masse équivaut à une énergie de valeur mc² où c est la vitesse de la lumière dans le vide. C'est l'idée de la formule E=mc², qui n'a pas été découverte par Einstein d'ailleurs. Chose étrange, les édifices de particules n'ont pas la même masse selon que les constituants soient assemblés ou séparés. C'est ainsi que les réaction chimiques, au niveau atomique comme nucléaire, peuvent produire de l'énergie. Le lien profond entre les forces de cohésion et la variation de masse est encore mal connu.


La radioactivité :


Certains noyaux sont instables. Avec le temps, il vont finir par se désintégrer en fournissant un rayonnement : c'est la radioactivité.


Il existe trois type de radioactivité :


-la radioactivité alpha, où c'est un noyau d'hélium 4 qui est émis (2 protons et 2 neutrons). C'est un rayonnement peu pénétrant, une feuille de papier l'absorbe.

-la radioactivité beta +, où c'est un positron qui est émis (antiparticule de l'électron, de même masse mais de charge opposée). Quelques centimètres de plomb l'arrêtent.

-la radioactivité beta -, où cette fois ci c'est un électron qui est émis.

-la radioactivité gamma, où c'est un rayon gamma qui est émis.


Bien que les rayons gamma soient les plus énergétiques, il semblerait que ce ne soient pas les plus dangereux car le corps humain leur est assez transparent. Les particules alpha, au contraire, cognent tout de suite sur les cellules et leur ADN ; c'est d'ailleurs celle qui est utilisée pour les empoisonnements au polonium 210.

La radioactivité existait déjà avant la technologie humaine : nos corps et notre environnement sont radioactifs, mais faiblement. C'est lorsque les matériaux radioactifs sont regroupés que non seulement la zone possède plus d'éléments radioactifs, mais que les rayons sont émis en moyenne encore plus vite !


On sait comment évolue en moyenne la quantité d'atomes encore radioactifs dans un échantillon (décroissance exponentielle si ça vous parle), mais on est incapable de prévoir quand tel atome va se désintégrer. Beaucoup disent que c'est dû au hasard. Moi je pense que c'est dû à des mouvements complexes et chaotiques au sein du noyau.


Une fois que le rayonnement a été émis, si le reste du noyau n'est plus radioactif, il ne risque plus de causer des dégâts. C'est pourquoi l'on dit que les déchets nucléaires ont une durée de vie : quand les atomes se sont stabilisés, il n'y a plus rien à craindre d'eux.


Aussi, on pourrait penser que sans la radioactivité, l'évolution des espèces aurait été beaucoup plus lente, voire impossible, car les mutations sont plus fréquentes lorsqu'il y a beaucoup de radioactivité.

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Published by Bête spatio-temporelle - dans Sciences
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