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Sommaire sciences

Auteur : Thibaut BERNARD

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Mise à jour : lundi 8 mai 2006.

 

Sommaire :

Définition de l'atome
Nucléaire
Température
L'électricité
La génétique


Ce chapitre ne prétend pas être un cours complet de mécanique quantique, mais cherche seulement à donner quelques définitions de ce qu'est l'atome de manière à comprendre comment est sommairement constitué la matière et ce qu'est par exemple l'électricité, le nucléaire ou bien et les ogm.

 

Définition de l'atome

Un atome est l'élément de base de la matière. Il est composé d'un noyau (composé de protons et de neutrons) autour duquel tourne des électrons. Pour prendre une métaphore, un atome se comporte un peu comme le système solaire, il y a le noyau représenté par le soleil et les électrons (les planètes) tournant autour.

Par convention, un proton a une charge électrique positive, l'électron a une charge électrique négative et le neutron n'a pas de charge, il est neutre.

Une question vient tout de suite à l'esprit. Si comme les aimants deux charges de signes contraires s'attirent et deux charges de mêmes signe se repoussent, comment se fait il que les protons restent collés entre eux dans le noyau ? Voir la réponse au paragraphe concernant les forces fondamentales.

Les composants de l'atome (électron, proton et neutron) sont appelés particules.

Pour en revenir à nos atomes, dans la nature il existe naturellement 104 types d'atomes qui se différencient par le nombre de protons et d'électrons. Cela va de l'hydrogène qui a juste un proton avec un électron qui tourne autour, à Kourtchatovium qui possède 104 électrons et 104 protons.


Isotope

Chaque type d'atome peut contenir plus ou moins de neutrons. C'est ce qu'on appelle un isotope. Exemple, l'uranium (U) comporte 92 protons, 92 électrons et plus ou moins de neutrons ; quand on parle de l'uranium 238 (U238), cela signifie donc qu'il y a 146 neutrons pour 92 protons dans le noyau (92 + 146 = 238).

Exemples d'isotopes :

U235 = 92 protons + 143 neutrons.
U238 = 92 protons + 146 neutrons.
U239 = 92 protons + 147 neutrons.

Les isotopes d'un atome ont quasiment les mêmes propriétés chimiques et physiques.


Ion

Un ion est un atome qui a perdu ou gagné des électrons. L'atome se retrouve donc avec plus (ou moins) d'électrons qu'il n'a de protons.

Un atome qui a perdu un ou plusieurs électrons et un ion positif puisqu'il se retrouve avec plus de protons que d'électron.

Un atome qui a gagné un ou plusieurs électrons et un ion négatif puisqu'il se retrouve avec moins de protons que d'électron.


Valence

Les électrons tournant autour du noyau sont répartis sur plusieurs couches. Ils ne tournent pas sur la même orbite. L'orbite la plus éloignée est moins fortement liés au noyau que celle qui en est la plus proche. À l'image de la gravitation, plus un objet est près d'un corps, plus il sera fortement attiré.


Les molécules

Une molécule est un assemblage d'atomes.

Les molécules les plus célèbres sont :

L'eau, H2O, composée de deux atomes d'hydrogène (H) et d'un atome d'oxygène (O).
Le sel, NaCl, un atome de sodium (Na) et d'un atome de chlorure (Cl).
Et bien sûr l'ADN composée de milliers d'atomes. Bon ! Ne m'en demandez pas la formule chimique, là je sèche. De toute façon il existe des milliards de combinaisons possibles pour l'ADN, ce qui fait la spécificité de chaque être humain (et de tous les organismes vivants).


Quark

On a longtemps crut que les particules étaient les éléments fondamentaux de base de la matière. En réalité ces particules sont composées d'un ou plusieurs des six quarks (up, down, strange, charmed, top et beauté).

Ces six quarks sont notés u, d, s, c, t et b.

Le proton est composé de deux quarks up et d'un quark down.

Le neutron est composé de deux quarks down et d'un quark up.

Pour l'anecdocte, le nom du site Alphaquark vient de là.
Alpha étant la première de l'alphabet grec. Chaque lettre étant les composants de base permettant de former les mots (atomes) et les phrases (molécules).
Quark pour les composants de base formant les particules.


Antimatière

L'antimatière est la même chose que la matière à la différence que c'est la charge électrique qui change. Un proton a une charge électrique positive, l'antiproton a donc une charge électrique négative. L'électron a une charge électrique négative, l'antiélectron a une charge positive.


Les quatre forces fondamentales

Les quatre forces fondamentales sont :

L'électromagnétisme agit entre les particules chargées (les électrons notamment).
L'interaction faible est intervient dans certaines désintégration nucléaire.
L'interaction forte permet aux protons du noyau atomique de rester ensemble, c'est cette force qui permet aussi aux quarks de rester ensemble pour former les particules.
La gravitation est l'attraction réciproque entre les corps matériels. Pour Albert Einstein, la gravitation n'est pas une force mais une déformation de l'espace.

 

Nucléaire

Le nucléaire est l'étude de la transformation des atomes. Il ne faut pas confondre le nucléaire avec la chimie qui elle, est l'étude de l'assemblage d'atomes pour former des molécules. Chaque atome reste distinct dans chacune de ces molécules. La chimie étudie la propriété des molécules.
Le nucléaire s'intéresse plus à l'étude du comportement des particules composant les atomes.

Les deux mots clefs sont fusion et fission.

La fusion est la réunion de deux noyaux d'atomes pour en former un autre.
La fission est la séparation d'un noyau pour en former deux autres distincts.

Un atome est dit radioactif quand il se brise (fission) en deux (ou plusieurs) en émettant un rayonnement.

Albert Einstein a découvert que masse et énergie sont équivalentes. Les particules (électron, proton, neutron...) peuvent se transformer en énergie et vice-versa. C'est son fameux E = MC2, M représente la masse, C la vitesse de la lumière (300000 km/s) et E l'énergie.
Nous en avons vu un exemple à travers la bombe atomique. C'est ce qui se passe aussi au coeur des étoiles, les atomes se percutant entre eux avec une telle énergie que les noyaux et les particules se transforment en énergie exactement comme dans les bombes atomiques.


La transformation du plomb en or

Autrefois rêve de chimiste, cela aurait été bien impossible à leur époque pour la simple et bonne raison que le plomb et l'or sont des atomes à part entière ; Alors que la chimie est l'étude des molécules. La transformation est du domaine du nucléaire.
L'or est un atome de base comportant 79 protons en son noyau (et donc 79 électrons gravitant autour) et l'atome de plomb a 82 protons.
Donc pour transformer de l'or en plomb, en théorie c'est possible puisqu'il suffirait de bombarder de particules les atomes d'or pour leur arracher juste la quantité nécessaire de protons. Dans la pratique, vu la dimension des atomes (moins d'un millionième de millimètre) et que chaque centimètre cube de matière comporte des milliards d'atomes, je vous laisse imaginer avec quelle précision il faudrait lancer les particules sur les atomes. Un peu comme si un joueur de pétanque devait se placer à plus de 100 mètres de son jeu pour ne viser que la boule du milieu ou n'en faire déplacer que 3 parmi les 82 boules réunies.

 

Température

Définition

Tout le monde connaît bien sûr les états de froid, tiède et chaud.
Les atomes bougent, ils se déplacent dans l'espace les uns par rapport aux autres. La température correspond aux mouvements plus ou moins rapides des atomes et des molécules.

 

Pression

Si on oblige les atomes à rester dans un volume donné (dans un ballon par exemple), la pression s'élévera avec la température. Mais si on perce le ballon pour laisser un petit trou, si la température est plus élevée à l'intérieur qu'à l'extérieur, les atomes vont donc s'échapper du ballon. Puisqu'il y a mouvement de matière, par réaction le ballon va se déplacer dans le sens opposé de la fuite des atomes vers l'extérieur.
Par contre si la température à l'intérieur du ballon est la même qu'à l'extérieur, mais qu'il y a plus de matière, à volume égal la pression intérieure sera plus élevée, les atomes seront donc éjectés de la même manière.
C'est le principe même de base des fusées. À l'intérieur des réservoirs on fait chauffer le gaz de manière jusqu'à ce que la pression soit plus élevée à l'intérieur qu'à l'extérieur, puis dès que l'on ouvre la soupape, le gaz s'échappe. Par réaction la fusée décolle. Il suffit simplement de contrôler les quantités de matière et de température de manière à donner juste la force nécessaire pour pousser la fusée mais sans faire exploser les réservoirs.

 

Dilatation

Pour prendre une métaphore, dans un jeu de billard, plus la vitesse et l'énergie de la boule initiale seront élevées, plus les autres boules s'écarteront. Pour en revenir à notre température, plus elle est élevée, plus les atomes et molécules auront donc tendance à s'écarter les uns des autres.
Avec l'augmentation de la température, un bloc de matière augmente de volume. Une tige de métal va s'allonger. C'est pour cette raison que l'on voit un petit écart (de l'ordre du millimètre) entre les rails de train ; Si les rails étaient soudés et formaient un bloc d'un seul tenant sur des kilomètres, en été avec la chaleur les rails se disloqueraient de leur support.


Unité de mesure

Une température de 0° Celsius correspond au passage de l'eau de l'état de glaçon à l'état liquide, et la température de 100° Celsius le passage de l'eau de l'état liquide à l'état gazeux. Ces passages des différents états se font à pression atmosphérique de un bar (1 kg par cm2).

L'unité Kelvin mesure la température à partir du zéro absolu. C'est-à-dire quand les atomes sont immobiles, à l'arrêt complet. Le zéro absolu (en degré Kelvin) se situe à -273,16 degrés Celsius.

En conséquence, 0° Celsius est donc égal à 273,16° Kelvin. Par déduction, l'eau bout à 373,16° Kelvin. La température du corps humain (37° Celsius) est à 310,16° Kelvin.

Le physicien Daniel-Gabriel Fahrenheit (1686 - 1736) invente en 1715 le thermomètre à mercure dont le zéro correspond à un mélange réfrigérant et 96 (*) la température d'un homme en bonne santé. Il découvre aussi que la température d'ébullition de l'eau varie avec la pression.

(*) Ne correspond pas à l'équation si l'on se réfère au 37° C de l'homme.

Pour convertir des degrés Celsius en degré Fahrenheit, l'équation est F = 32 + 9C/5.

Par voie de conséquence, la conversion des degrés Fahrenheit en degrés Celsius, l'équation est C = (5F/9 - 17,7777777....)

 

L'électricité

 

Définition

C'est le mouvement des électrons à travers la matière.

 

Tension

Prenons une métaphore, concernant l'air une différence de pression entre deux points provoque un déplacement de l'air. Concernant les électrons, la tension équivaut à la différence de pression de l'air, ce qui provoque le mouvement des électrons.

La tension se mesure en volt.
 

Intensité

C'est la quantité d'électrons en mouvement en temps T dans un certain point. L'intensité se mesure en ampère.
 

L'électricité statique

C'est une accumulation d'électrons en un certain point mais qui restent confiné cet espace sans mouvement par rapport au reste de l'espace.
 

Le courant continu et alternatif

On appelle le courant continu quand les électrons se déplacent dans un seul sens d'un point A à un point B.

Le courant alternatif est quand les électrons sont en mouvement mais en faisant des aller et retour entre un point A et un point B. En ce cas, on appelle la fréquence le nombre d'aller et retour par seconde entre A et B, elle se mesure en Hertz (abrégé Hz) ; Une fréquence de 50 hertz signifie que les électrons partent du point A pour aller en B et reviennent en A, le tout 50 fois par seconde.

 

La génétique

 

C'est la science qui étudie les lois de l'hérédité, c'est-à-dire des caractères se transmettant biologiquement des parents aux enfants lors de la reproduction.
 

Adn

Le sigle ADN est l'abréviation du terme acide désoxyribonucléique, nom biologique désignant la molécule codant les caractères d'un individu. Les caractères les plus évidents et les plus visibles sont bien sûr le sexe, et la couleur des yeux et des cheveux.
 

Chromosome

L'ADN est réparti en plusieurs morceaux dans le noyau de la cellule. Ces morceaux que l'on appelle chromosome de la forme d'un bâtonnet. L'homme possède vingt-trois paires de chromosomes.

Chacun des bâtonnets apparaissant dans le noyau de la cellule au moment de la division et résultant de la segmentation et de la condensation du réseau de chromatine.

Chaque chromosome est formé de deux bras appelés chromatides.

Chromatide : Filament fin et long d'ADN qui prend une forme de spirale au moment de la division cellulaire, formant des enroulements serrés qui correspondent aux chromosomes.


Les ogm (organisme génétiquement modifié)

Quand on parle d'ogm, cela signifie que l'homme intervient dans la sélection des cellules en allant jusqu'à manipuler l'adn. L'homme va donc sélectionner manuellement les caractères biologiques des organismes. D'où le terme ogm, chaque organisme va voir sa génétique modifiée par l'homme. Pour prendre une métaphore, l'adn est comme une phrase dont on va changer un mot pour modifier le sens de la phrase.

L'adn comportant différentes séquences d'atomes codifiant les différents caractères des organismes vivants. La manipulation génétique consiste donc à remplacer une séquence d'atomes par une autre pour changer le caractère correspondant.

Prenons l'exemple de l'adn de l'homme. Dans la molécule il y a une séquence d'atomes qui va dire à l'organisme que la personne aura les yeux bleus :

...

xxx

bleu

yyy

...

La manipulation génétique va donc consister à supprimer cette séquence bleu pour la remplacer par une verte par exemple pour que la personne ait les yeux verts :

...

xxx

vert

yyy

...

Imaginons une bande de papier représentant la molécule d'ADN dans son entier. Le biologiste va prendre sa paire de ciseaux pour couper le morceau bleu pour le remplacer par un morceau vert.

Nous nous retrouvons avec un organisme génétiquement modifié.