Les illusions dans la vie courante, la matière

par Jean Marie Champeau 25 Décembre 2021, 15:59 vie courante

Les illusions de la matière

 

Illusions
Illusions

 

 

 

La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible.

 

Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. Elle occupe de l'espace et la quantité de matière se mesure à l'aide de la masse.

 

Déjà les Grecs anciens avaient déjà imaginé que la matière devait être sécables en morceaux de plus en plus petits jusqu’à une certaine limite.

molécules

 

Molécule d'eau
Molécule d'eau

 

Si l'on prend de l'eau et qu'on la divise en parties de plus en plus petites, il arrivera un moment où il ne sera plus possible de la diviser. La plus petite partie d'eau possible est la molécule d'eau. 

 

La molécule d'eau peut être divisée mais par électrolyse et les parties restantes après la division ne sont plus de l'eau. On obtient un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène.
Une molécule est un assemblage de plusieurs atomes de corps élémentaires.

 

A l’inverse, il est possible de faire de l'eau avec de l'oxygène et de l'hydrogène, au cours d'une réaction chimique. 

atome

 

Atomes d’OR au microscope à effet tunnel
Atomes d’OR au microscope à effet tunnel

 

 

 

Si l'on prend un morceau d’Or qui est un corps pur, et qu'on le divise en morceaux de plus en plus petits, il arrivera un moment où il ne sera plus possible de le diviser. Ce plus petit morceau d’Or est l'atome d’or. 

Constitution d'un atome (échelle non respectée)
Constitution d'un atome (échelle non respectée)


Un atome contient un noyau situé en son centre qui formé de nucléons, c'est-à-dire des protons qui ont une charge électrique positive, et les neutrons qui n'ont pas de charge électrique.

Et des électrons qui gravitent autour du noyau et qui ont une charge électrique négative.


Il y a exactement le même nombre d'électrons et de protons dans un atome, un atome est donc électriquement neutre. 


Le nombre d'électrons dans un atome détermine ses propriétés physiques et chimiques, c'est le nombre atomique. 
Par exemple, un atome d'hydrogène a 1 électron et 1 proton, le nombre atomique d'un atome de carbone est 6, celui d'un atome d'oxygène 8, d'un atome de fer 26, d'un atome d'uranium 92.

 

Le nombre de neutrons dans un atome est variable, en général il est proche du nombre de protons. 

 

Deux atomes de même nombre atomique mais ayant un nombre de neutrons différents sont des isotopes. Pour différencier les isotopes entre eux, on donne en général le nombre de nucléons avec le nom de l'atome. Par exemple, l'uranium 235 contient 92 protons et 143 neutrons (235=92+143) et l'uranium 238 contient 92 protons et 146 neutrons (238=92+146).

 

La taille d'un nucléon est d'environ 10-15 m, soit un millionième de millionième de millimètre.
La masse d'un nucléon, protons et neutrons, est environ de 1,7 10-27 kg, soit moins de deux millièmes de milliardième de milliardième de milligramme. Il y a onze milliards de milliards d'atomes de fer dans un milligramme de fer.

 

Bien que leur masse soit très petite, les nucléons constituent 99,97 % de la masse de la matière.


Le nuage électronique d'un atome n'a pas de dimensions bien définies car il consiste en une superposition d'orbitales atomiques des électrons mais elle est de l'ordre de 10-10m, soit un dixième de millionième de millimètre. Autour du noyau des atomes, il y a comme des rails de trains bien définis sur lesquelles les électrons circulent. 

 

Les atomes des différents corps simples, plus ou moins lourds, sont classifiés dans la table périodique.

Tableau périodique des éléments

 

Le tableau périodique des éléments, également appelé table de Mendeleïev, ou simplement tableau périodique, représente tous les éléments chimiques, ordonnés par numéro atomique croissant et organisés en fonction de leur configuration électronique, laquelle sous-tend leurs propriétés
chimiques. 

 

Ainsi, chaque colonne du tableau, appelée période, correspond à une couche électronique. Il existe sept couches électroniques connues à l'état fondamental, donc sept périodes dans le tableau périodique standard, numérotées de 1 à 7. 

Tableau périodique des éléments

 

Les forces

 

 

L’intégrité de la matière est maintenue par un certain nombre de forces fondamentales.

 

Tout le monde fait l’expérience de l’interaction gravitationnelle par son propre poids et le fait que, pour nous pauvres terriens, tout toujours finit par retomber. De même nous avons tous eu à faire avec la force électromagnétique en manipulant des aimants ou en se prenant un coup de jus. 

 

Les physiciens ont mis en évidence deux autres forces naturelles, l'interaction forte et l'interaction faible. 

 

Ces quatre forces fondamentales sont à la base de tous les processus physiques connus.
Elles n’ont pas la même intensité et leur rayon d’action est très différent.

l'interaction gravitationnelle
L'énorme masse des étoiles
L'énorme masse des étoiles

L'interaction gravitationnelle est une force toujours attractive qui agit sur toute forme d'énergie. C'est l'interaction la plus faible mais elle est sans limite. Ses effets ne sont perceptibles que lorsque des objets très massifs sont en jeu.
 

L'énorme masse des étoiles, des planètes ou des galaxies les rend donc très sensibles à la gravitation et c'est la seule interaction qui explique les mouvements des objets célestes.


Ainsi, la pesanteur et donc le poids des objets sur Terre sont le résultat de l'attraction gravitationnelle de la Terre. Le poids d'un objet est plus faible sur la Lune que sur Terre, puisque la gravité de la Lune est plus faible que celle de la Terre.

 

C’est l'attraction gravitationnelle de la Lune sur l'eau des océans, qui permet d'expliquer le phénomène des marées.

 

Le premier à avoir compris que la pesanteur terrestre et les mouvements astronomiques étaient le résultat d'une seule et même interaction est Isaac Newton, qui établit les lois de la gravitation. Il fallut ensuite attendre 1915 pour qu'Albert Einstein développe la théorie de la relativité générale, qui permet d'expliquer la gravitation elle même.
 

l'interaction électromagnétique
L'électromagnétisme crée de la lumière ou des rayons X
L'électromagnétisme, lumière ou rayons X

 

 

L'interaction électromagnétique est une force répulsive ou attractive qui agit sur les objets ayant une charge électrique. Deux objets de charges électriques de mêmes signes se repoussent alors que deux objets de charges électriques de signes opposés s'attirent.

 

Elle est sans limite mais peut s’opposer à elle même par le signe de la polarité.


L'interaction électromagnétique permet la cohésion des atomes en liant les électrons de charge électrique négative, et le noyau des atomes de charge électrique positive. 

 

Cette même liaison permet de combiner les atomes en molécules. L'interaction électromagnétique est donc responsable des réactions chimiques et biologiques.

l'interaction forte
deux protons en interaction de manière attractive.
deux protons en interaction

L'interaction forte permet la cohésion des noyaux atomiques en liant les protons et les neutrons entre eux au sein de ce noyau. Son influence ne va pas au-delà de la taille du noyau.


Si cette interaction n'existait pas, les noyaux ne pourraient pas être stables et seraient dissociés sous l'effet de la répulsion électrostatique des protons de charge positive, entre eux.

L'interaction forte est aussi responsable des réactions nucléaires, source d'énergie des étoiles et donc du Soleil.

 

L'histoire des interactions fortes commence en 1911 avec la découverte du noyau atomique par Rutherford.

l'interaction faible
L'interaction faible déclenche la nucléosynthèse dans les étoiles.
L'interaction faible et nucléosynthèse

 

 

L'interaction faible est une force qui agit sur toutes les particules. 
Son influence ne va pas au-delà de la taille du noyau.

 

L'interaction faible est responsable de la radioactivité beta qui permet les réactions nucléaires qui sont la source d'énergie du Soleil. 

 

L'histoire de l'interaction faible commence en 1896 avec la découverte de la radioactivité par Becquerel. Il faut ensuite attendre 1933 pour que Enrico Fermi élabore le premier modèle des interactions faibles. 

La radioactivité

 

Certains atomes sont radioactifs, c'est-à-dire qu'ils émettent un rayonnement. C'est le noyau de ces atomes qui émet ce rayonnement, dans le cas de noyau instable. Contrairement à ce que beaucoup de gens croient, la radioactivité est un phénomène tout à fait naturel. On distingue trois types de radioactivité d'origines différentes, les radioactivités alpha, bêta et gamma. 

La radioactivité alpha
Exemple de radioactivité alpha
Exemple de radioactivité alpha

 

Un atome radioactif alpha émet une «particule alpha», c'est-à-dire un noyau d'hélium, deux protons et deux neutrons. 

 

Dans la désintégration historique du radium-226, le gros noyau de 226 nucléons, dont 88 protons et 138 neutrons, émet une particule alpha composée de deux protons et deux neutrons. 
Il se transforme alors en noyau de radon-222, lui-même radioactif, contenant deux protons et deux neutrons de moins.

La radioactivité bêta
Exemple de radioactivité beta moins
Exemple de radioactivité beta moins

 

La radioactivité bêta existe sous deux formes.

 

La radioactivité bêta-moins est la transformation d'un neutron en proton. La radioactivité bêta-plus, son contraire, est la transformation d'un proton en neutron. Le noyau change donc de nature par interaction faible.

 

Par exemple une désintégration bêta-moins, un noyau de Cobalt-60, qui contient 33 neutrons et 27 protons, présente un excès de 6 neutrons, représentés en bleu. 
 

Pour se débarrasser de cet excès, un neutron se transforme en proton représenté en rouge. Le noyau est devenu un noyau stable de nickel-60 avec 28 protons, un de plus, et 32 neutrons, un de moins. Lors de la désintégration, des corpuscules sont émis.
 

La radioactivité gamma
Exemple de radioactivité gamma
Exemple de radioactivité gamma

 

L'origine de cette radioactivité est une excitation globale du noyau qui se désexcite en émettant une particule à haute énergie.

 

Cette excitation initiale du noyau est souvent due à une première désintégration par radioactivité alpha ou beta. 
La radioactivité gamma ne change pas la nature de l'atome.

 

La radioactivité gamma se produit quand une désintégration ou la capture d'un neutron a laissé le noyau avec un trop plein d’énergie. Le noyau "excité" perd généralement très rapidement son excès d'énergie. Les rayons gamma sont de même nature que les photons de lumière émis par les atomes, mais leurs énergies sont des centaines de milliers de fois plus grandes.
 

Les illusions de la matière

 

"Voir" la matière n’est pas la connaître tout à fait. Tout comme à l’oeil ou au microscope, lorsque nous "voyons" la matière ce n’est pas la forme de la matière elle-même qui nous apparaît mais ce que l’on interprète « vu de loin ».

 

Représentation d'un atome d'hélium 4
Représentation d'un atome d'hélium 4

 


Un noyau d'atome a une taille inférieure à 10-15m, soit cent mille fois plus petit que l'atome lui-même, mais il concentre plus de 99,9% de sa masse.


Les électrons qui se distribuent autour du noyau ont, eux, une taille inférieure à  10-18m, soit au moins cent millions de fois plus petit que l'atome. Ils forment un nuage 10000 à 100000 fois plus étendu que le noyau lui-même.

La première illusion

 

Expérimenter le vide spatial
Expérimenter le vide spatial

 

Ainsi les électrons forment un nuage 10000 à 100000 fois plus étendu que le noyau lui-même.


Si on grossissait mille milliards de fois un atome d'hydrogène le noyau aurait une une taille de 1mm et une masse de 1,7 million de tonnes, l'unique électron aurait une taille inférieure à 1 micron, un millième de millimètre, une masse de 900 tonnes et tournerait autour du noyau à une «altitude» de 100m.    

 

En d’autres termes, si c’était un château fort, dont le donjon n’ait que 10m de «hauteur», les remparts se situeraient à 1000km, et entre les deux, rien, du vide.
 

La matière est donc constituée d'au moins 99,9999999999999 % de vide !

Ce qu’on voit et qu’on touche n’est que l’«onde de surface» des choses, nos sens se trompent !


Lorsqu’on rapproche sa main d’un livre, les électrons de la main sont repoussés par ceux du livre, ainsi ils se déplacent ce qui crée un courant électrique, et enfin, ce courant se propage jusqu’au cerveau qui l’interprétera pour nous donner la sensation du toucher.

 

De ce fait, il n’y a pas de contact direct lorsqu’on touche quelque chose, on détecte l’onde électromagnétique de l’objet qu’on prend en main.

 

La répulsion électromagnétique permet d’expliquer en quoi la matière est impénétrable, en quoi le toucher n’est pas un contact réel, et par conséquent pourquoi on ne peut pas sentir le vide d’un objet qu’on prend en main.
 

La seconde illusion
remparts de la Tour de Londres
remparts

Si l’on reprend notre image du château fort, le rempart, n’est constitué que d’une seule brique mesurant moins de 10mm, qui se déplace tellement vite qu’elle constitue un mur infranchissable pour nos mains. 

 

Seuls les accélérateurs de particules, au prix de pas mal d’énergie, arrivent à faire passer entre les mailles du filet quelques particules qui vont bombarder le noyau.

La troisième illusion
Bombe atomique
Bombe atomique

 

Les travaux d'Albert Einstein, par la relativité restreinte, ont abouti à la fameuse formule E = mc², où "E" est l'énergie, "m" la masse et "c" la vitesse de la lumière dans le vide. 

 

La masse est équivalente à de l'énergie et inversement. 



"La matière" n'existe pas, elle n’est qu’énergie. C'est la grande découverte de 1924. 

 

Tout ce qui est matière, donc nous aussi, n’a pas de consistance réelle, ce n’est que de l’énergie.

 

Photos

Les illusions de la matière

https://www.texte-invitation.com/wp-content/uploads/2012/07/chapeau-magicien-300x300.gif

 

Molécule d'eau

DR

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Atomes d’OR au microscope à effet tunnel

https://www.matierevolution.fr/local/cache-vignettes/L462xH368/or-a451c-ef4a7.gif

 

Constitution d'un atome (échelle non respectée)

DR

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Tableau périodique des éléments

Par Michka Bversion simplifiéeversion détaillée Wikipedia anglais — Travail personnel, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=69057625

 

L'énorme masse des étoiles, des planètes ou des galaxies les rend très sensibles à la gravitation.

DR 

https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/mediumoriginal/2/5/6/256d5f6cb8_50074408_651-phy8.jpg

 

L'interaction électromagnétique peut créer de la lumière ou des rayons X

DR 

https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/mediumoriginal/6/6/f/66f984f265_50074409_651-phy9.jpg

 

deux protons en interaction de manière attractive.

https://media4.obspm.fr/public/ressources_lu/pages_forces/force-forte-nucleaire.jpg

 

L'interaction faible déclenche la nucléosynthèse dans les étoiles.

Par NASA — NASA website; description: [1] high resolution image: [2], Domaine public, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5003286

 

Exemple de la désintégration historique du radium-226
IN2P3

https://www.laradioactivite.com/site/images/DesintAlpha.jpg

 

Exemple d’une désintégration bêta-moins
IN2P3

https://www.laradioactivite.com/site/images/DesintBeta.jpg

 

Exemple de radioactivité gamma
IN2P3

https://www.laradioactivite.com/site/images/Desint_Gamma.jpg

 

Représentation d'un atome d'hélium 4 avec, apparaissant rosé au centre, le noyau atomique et, en dégradé de gris tout autour, le nuage électronique. Le noyau 42 He d'hélium 4, agrandi à droite, est formé de deux protons et de deux neutrons.

Par User:Yzmo — Travail personnel, CC BY-SA 3.0,

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2246091

 

Expérimenter le vide spatial

https://www.fetedelascience.fr/sites/default/files/styles/article_big/public/2021-06/XVM548fa5fc-e960-11e7-a21e-73bbc11cd52d.jpg?itok=XDx0tS71

 

remparts de la Tour de Londres

https://fr.freepik.com/photos/ville Ville photo créé par wirestock - fr.freepik.com

 

bombe atomique H

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