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Courant électrique

Courant électrique

ko:전류 ja:電流 Catégorie:Électricité Catégorie:Quantité physique

Généralités

Un courant électrique est un déplacement de porteurs de charge électrique. Historiquement, au début de l'étude de la conduction de l'électricité, les scientifiques ont pensé que les particules qui se déplaçaient dans les métaux étaient chargées positivement et ont défini en conséquence un sens conventionnel du courant comme étant le sens de déplacement des charges positives. Plus tard on a mis en évidence que ce sont très majoritairement les électrons, particules chargées négativement, qui se déplacent dans les métaux et qui permettent la circulation des courants électriques. En effet, dans un conducteur métallique, les particules chargées et mobiles sont des électrons peu liés aux atomes auxquels ils appartiennent (on dit que ces électrons se trouvent dans la bande de conduction). On peut considérer qu'ils se déplacent facilement dans le matériau métallique. Lorsqu'une différence de potentiel est appliquée aux extrémités du conducteur, elle provoque le déplacement de ces électrons, ce que l'on appelle courant électrique. Le réseau des atomes contient des ions positifs : les atomes qui ont perdu un électron. Mais ces derniers, prisonniers du réseau par les liaisons métalliques, sont quasiment immobiles et ne participent que de manière infime à la circulation du courant. En revanche, dans les électrolytes, solutions contenant simultanément des ions chargés positivement et des ions chargés négativement, toutes les particules chargées participent à la circulation du courant. Les charges positives circulent dans le sens conventionnel et les charges négative dans l'autre sens. Les matériaux qui possèdent beaucoup de porteurs de charge libres et qui sont donc facilement traversés par un courant électrique sont dits conducteurs, ceux qui n'en possèdent pas ou très peu sont dits isolants ou diélectriques. L'air est un bon isolant, mais au-delà d'un certain seuil, quand le champ électrique est trop grand, les électrons sont arrachés aux atomes, qui deviennent des particules ionisées ou ions, et l'air devient un plasma. Le plasma étant un conducteur parfait, il laisse passer le courant électrique : de l'éclair à l'étincelle. Certains dispositifs peuvent laisser passer le courant électrique dans un sens, mais pas dans l'autre. C'est le cas des diodes qui sont réalisées à l'aide de jonctions de semiconducteurs dopés différemment : jonction PN ou jonction métal semi-conducteur.

Types de courant

- Courant continu
- Courant alternatif
- Courant sinusoïdal

Sens du courant électrique

Hors des générateurs électriques, donc dans les fils d'alimentation et les consommateurs électriques:
- Sens conventionnel : Le courant électrique va du pôle positif vers le pôle négatif.
- Sens réel : Lorsque les porteurs de charges sont des électrons (cas le plus fréquent), leur mouvement effectif est du - vers le + (Sens de déplacement des électrons chargés négativement donc attirés par le positif). A l'intérieur des générateurs électriques où l'on crée le potentiel qui permet aux charges de se mettre en mouvement, les électrons se déplacent de la borne positive vers la borne négative. Ceci est rendu possible grâce à la conversion d'une autre forme d'énergie (ex: l'énergie électrochimique dans le cas d'une pile).

Intensité du courant

L'intensité du courant électrique en un point du circuit correspond au débit de la charge passant dans le conducteur en ce point. :

I=

Q en coulombs et t en secondes. L'intensité I du courant électrique se mesure en ampères (unité SI) dont le symbole normalisé est A.

Vitesse de propagation

La propagation de l'influx électrique se fait à une vitesse voisine de celle de la lumière (aux effets capacitifs près), mais ce n'est pas pour autant la vitesse des électrons qui le constituent. Ceux-ci voyagent plus modestement à quelques millimètres ou centimètres par seconde, en fonction de l'intensité du courant et de la section du conducteur (pour en savoir plus: voir Vitesse de l'électricité).

Utilisation du courant

La propagation de l'influx électrique peut servir à son utilisation à distance comme source d'énergie. Ce fut sa principale utilisation au début de l'ère industrielle. Elle peut aussi servir aux transmissions d'informations, depuis le simple télégraphe, jusqu'aux systèmes modernes de traitement et d'échange d'informations (ordinateur, informatique). Dans ce cas, une ou plusieurs caractéristiques du courant électrique sont contrôlées et modulées par l'émetteur de l'information pour construire un signal électrique. Dans le cas du télégraphe, les seules présence et absence (suivant un rythme codé) du courant électrique transmettaient l'information. Le XXème siècle a vu se développer l'utilisation de nombreux autres phénomènes possibles pour contrôler le courant électrique qui sont très largement utilisés en électronique. Grâce à eux, il est possible de traiter le courant électrique (mais aussi les ondes électromagnétiques) comme un vecteur d'informations, un signal électrique (ou électromagnétique) à l'échelle microscopique.

Voir aussi

- Électricité
- Électronique
- Générateur idéal de courant, dit « de Norton »
- Générateur idéal de tension, dit « de Thévenin »
- Le réseau de distribution du courant électrique peut servir de porteur pour transmettre des informations, CPL.
- Vecteur densité de courant

Catégorie:Électricité

Electricite Electricite Electricite ja:Category:電気 ko:분류:전기

Catégorie:Quantité physique

Cette catégorie liste des quantités physiques, ou grandeurs physiques, ce qui est mesuré, chiffré, mis en équation par la Physique. A chaque grandeur physique correspond, outre sa définition, des unités, des ordres de grandeur, des méthodes de mesure (l'objet de la métrologie). Une grandeur physique permet de grouper des variables, des mesures, des nombres représentant des phénomènes physiques. Toutes les variables ou les mesures relatives à des distances partagent entre elles la propriété d'appartenir à la grandeur physique "longueur", et les propriétés afférentes (unités possibles, méthodes de mesure, ...). A contrario, en physique, toute variable, tout nombre, toute mesure doit être qualifiée soit comme nombre pur (dit sans dimension), soit par sa grandeur physique. Cela est en général fait par l'indication de l'unité, mais il peut y avoir plusieurs unités pour une même grandeur physique. Des données ou variables en mètres, en feet, en années-lumières ou en aunes de Paris, sont toutes de la grandeur "longueur". En physique, seules des données de même grandeur peuvent être additionnées, soustraites et donc comparées. La multiplication et la division ne sont pas contraintes par la grandeur. La multiplication de deux données dont aucune n'est sans dimension donne un résultat dont la grandeur est différente des deux grandeurs d'origine. Une conséquence est qu'il y une infinité potentielle de grandeurs physiques, mais seules de l'ordre d'une centaine d'entre elles sont d'usage pratique. Les grandeurs physiques sont liées les unes aux autres par multiplication ou division. Nombre d'entre elles peuvent être définies à partir d'un petit nombre de grandeurs considérées comme fondamentales. Par exemple, un volume est le cube d'une longueur, la vitesse est le rapport entre une longueur et un temps. Il est possible de choisir, avec une part d'arbitraire, un jeu fini de grandeurs considérées comme fondamentales. Toutes les autres grandeurs physiques sont alors dérivées des grandeurs fondamentales et de rapports sans dimension. Les relations multiplicatives entre grandeurs est le sujet de l'analyse dimensionnelle. La possibilité de dériver toute grandeur d'un jeu fini de grandeurs physiques est exploitée pour bâtir des systèmes d'unités cohérents. Ainsi, le système international d'unités est basé sur seulement sept unités, les unités de base, correspondant à un jeu de sept grandeurs physiques prises comme fondamentales.

Grandeurs physiques et domaines de la physique

Il y a un rapport étroit entre des groupes de grandeurs physiques et des domaines particuliers de la physique. Une tentative de classement est proposée ici. Dans chaque catégorie, les grandeurs dérivées peuvent dériver de grandeurs de catégories précédentes. Les grandeurs fondamentales sont celles du système international. Pour chaque grandeur est donnée sa dimension au sens de l'analyse dimensionnelle, et l'expression usuelle de son unité dans le système international. La liste n'est pas exhaustive. L'incorporation de la grandeur angle dans les analyses dimensionnelles n'est pas générale. Les deux approches, avec ou sans la mention de la grandeur angle, sont indiquées.

L'espace-temps, la cinématique

Fondamentales : longueur (L, mètre), temps (T, seconde) Dérivées : superficie (L², mètre carré), volume(L³, mètre cube), angle (sans dimension ou noté α, radian), angle solide (stéradian), fréquence (T^-1, herz), vitesse (LT^-1, mètre par seconde), accélération (LT^-2, mètre par seconde par seconde), vitesse angulaire (αT^-1, radian par seconde)

Mécanique

Fondamentale : masse (M, kilogramme) Dérivées :
- pression (ML^-1T^-2, pascal), masse volumique (ML^-3, kilogramme par mètre cube)
- énergie (ML²T^-2, joule), quantité de mouvement (MLT^-1, newton.seconde), moment angulaire (ML²T^-1α^-1 ou ML²T^-1)
- puissance (ML²T^-3, watt), force (MLT^-2, newton), couple (mécanique) (ML²T^-2α^-1 ou ML²T^-2, newton.mètre par radian ou newton.mètre)
- action (physique) (ML²T^-1)

Thermodynamique, Mécanique statistique

Fondamentales : Température (Θ, kelvin), Quantité de matière (mole) Dérivées : Enthalpie (ML²T^-2, joule), Entropie (ML²T^-2Θ^-1, joule par kelvin)

Electromagnétisme

Fondamentale : Courant électrique (I, ampère) Dérivées :
- Charge électrique (IT, coulomb), densité de courant (IL^-2, ampère par mètre carré)
- potentiel électrique (ML²T^-3I^-1, volt), champ électrique (MLT^-3I^-1, volt par mètre), champ magnétique (MT^-2I^-1α^-1 ou MT^-2I^-1, tesla)
- conductivité électrique (I²T³L^-3M^-1, siemens par mètre), résistance et impédance (ML²T^-3I^-2, ohm), admittance (I²T³L^-2M^-1, siemens), capacité (I²T⁴L^-2M^-1, farad), permittivité (I²T⁴L^-3M^-1, farad par mètre)

Optique

Fondamentale: intensité lumineuse (I_v, candela) Catégorie:Métrologie Catégorie:Physique ja:Category:物理量 ko:분류:물리량

Charge électrique

catégorie:électromagnétisme catégorie:propriété chimique Catégorie:Quantité physique La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation. C'est une notion abstraite, comparable à celle de masse, qui permet d'expliquer certains comportements. Contrairement à la masse, la charge électrique peut prendre deux formes, que l'expérience amène à considérer comme « opposées »; on les qualifie arbitrairement de positive et négative. Deux charges de même nature, deux charges positives par exemple, se repoussent, alors que deux charges de nature opposée s'attirent. On appelle ce phénomène interaction électromagnétique. L'interaction entre les charges et un champ électromagnétique est la source d'une des quatre forces fondamentales. Ces champs électromagnétiques, en mécanique classique, obéissent aux équations de Maxwell. La charge électrique peut être directement mesurée avec un électromètre. Son unité est le coulomb. Les particules observées possèdent des charges qui sont des multiples entier de la charge élémentaire qui est une constante physique fondamentale. Les quarks sont supposés avoir des charges qui sont des multiples du tiers de la charge fondamentale, mais ces particules ne sont pas observables. La nature discrète de la charge électrique a été démontrée par Robert Millikan dans l'expérience de Millikan (expérience sur les gouttes d'huile).

Histoire

La charge électrique a été découverte par les anciens Grecs qui ont constaté que le frottement de la fourrure sur diverses substances, telles que l'ambre, produisait un déséquilibre de charge électrique (phénomène triboélectrique). Les Grecs notèrent que des boutons en ambre chargés pouvaient attirer des objets légers tels que des cheveux. Ils notèrent également que s'ils frottaient l'ambre assez longtemps, ils pouvaient même obtenir une étincelle. Le mot électricité dérive de ηλεκτρον, le mot grec pour ambre. Au , l'étude de l'électricité était devenue populaire. On réalisait dans la bonne société des expériences d'électrostatiques au cours desquelles, à l'aide de dispositifs jouant le rôle de condensateurs telle la bouteille de Leyde, on atteignait des tensions suffisamment élevées pour provoquer des commotions. A cette époque, on imaginait qu'il existait deux sortes d'électricité : l'électricité vitreuse et l'électricité résineuse correspondant aux deux types de comportement de la matière lors d'une électrisation par frottement. Benjamin Franklin imagina l'électricité comme étant un type de fluide invisible présent dans toute la matière. Il a posé en principe que le frottement de surfaces isolantes faisait changer ce fluide d'endroit et qu'un écoulement de ce fluide constitue un courant électrique. Il a également posé en principe que quand la matière contenait trop peu de ce fluide elle était négativement chargée et quand il était excédentaire, la matière était positivement chargée. Arbitrairement, en tout cas pour une raison qui nous est inconnue, il identifia le terme positif avec le type de charge acquis par une tige de verre frottée sur de la soie, et négatif avec celui acquis par une tige en ambre frottée avec de la fourrure.

Convention et réalités

Nous savons maintenant que le modèle de Franklin était trop simple. La matière se compose réellement de deux genres d'électricité: les particules appelées protons qui portent une charge électrique positive et, les particules appelées électrons qui portent eux une charge électrique négative.
Le courant électrique peut avoir différentes causes : un écoulement de particules négatives ou un écoulement de particules positives ou un écoulement de particules négatives et positives dans des directions opposées.
Pour réduire cette complexité, les électriciens emploient toujours la convention de Franklin et, imaginent le courant électrique, connu sous le nom de courant conventionnel, comme constitué d'un écoulement de particules exclusivement positives.
Le courant conventionnel simplifie les concepts et les calculs, mais masque le fait que dans quelques conducteurs (électrolytes, semi-conducteurs, et plasma) les deux types de charges électriques se déplacent dans des directions opposées, ou que dans les métaux les charges négatives sont quasi exclusivement responsables de la circulation du courant. Ces dernier paramètres sont l'affaire des scientifiques de recherche sur le sujets et, des [(ingénieur]]s de conception en électrotechnique et électronique.

Propriétés

Hormis les propriétés décrites en articles concernant l'électromagnétisme, il vaut la peine de noter que la charge est un invariant de la théorie de la relativité. Ceci veut dire que pour n'importe quelle particule de charge q, quelle que soit sa vitesse, gardera toujours sa charge q.

Voir aussi

Tribologie - Contacts localisés ja:電荷 ko:전하

Métal

Catégorie:Composé minéral Catégorie:Métallurgie Un métal est un élément chimique qui peut former des liaisons métalliques et perdre des électrons pour former des cations (ions positifs) (et des liaisons ioniques dans le cas des alcalins). Les métaux sont un des trois groupes d'éléments distingués par leurs propriétés d'ionisation et de liaison chimique ; les deux autres sont les métalloïdes et les non-métaux. Bien que les métaux puissent être définis par leurs propriétés physico-chimiques (voir plus loin), il est également possible de les catégoriser en employant une caractérisation de leur structure de bande : les métaux possédent des bandes de valence et de conduction qui se recouvrent. Cette définition permet d'intégrer à la catégorie des métaux les polymères métalliques et autres composés organo-métalliques. Ce n'est cependant pas un critère toujours suffisant. Par exemple, le carbone n'est pas un métal mais il possède une phase nommée graphite (c'est d'ailleurs sa phase alpha) qui correspond à cette définition.

Les métaux dans le tableau périodique

Dans le tableau périodique des éléments la diagonale partant du bore (B) et allant jusqu'au polonium (Po) sépare les éléments métalliques (en bas à gauche) des éléments non métalliques (en haut à droite). Les éléments placés sur cette ligne sont des métalloïdes. De plus, le caractère métallique des éléments d'une même colonne augmente avec le nombre d'électrons (c'est à dire lorsque l'on descend dans le tableau). Par exemple, le carbone-diamant (Z=6) est un isolant, le silicium (Z=14) est un semi-conducteur et l'étain (Z=50) est un métal.

Propriétés physico-chimiques

Les métaux sont en général des solides cristallins ; le mercure est toutefois une exception notable puisqu'il est le seul métal à l'état liquide dans les conditions normales (20 °C sous pression atmosphérique). Ils sont en général malléables et ductiles (on peut les déformer par exemple en les étirant ou en les martelant), ils conduisent bien la chaleur et l'électricité (mais pas tous), et ils reflètent la lumière (éclat métallique) sauf lorsqu'ils se recouvrent d'oxyde (corrosion). La plupart du temps, les métaux sont extraits sous forme minérale plus ou moins cristallisée (cristal) dans leurs minerais et presque toujours combinés à un ou plusieurs autres atomes. Ils sont souvent présents à l'état naturel sous forme d'oxyde, dans des minerais : bauxite pour l'aluminium, hématite pour le fer, ilménite ou rutile pour le titane... Il est à noter que l'ilménite, principal minerai du titane est un oxyde mixte de titane et de fer (pourcentage des deux métaux entre 30 et 70%). D'autres peuvent se présenter sous forme de sulfures pyrite pour le fer ou de sulfates voire même sous forme plus compliquées et même sous plusieurs formes différentes comme on l'a vu pour le fer. Certains métaux sont présents à l'état non-oxydé, comme les métaux précieux (or, platine) ou bien dans des roches d'origine météoritique (nickel-fer). On les appelle alors natifs.

Propriétés électriques

Les métaux conduisent généralement bien l'électricité. En tête l'or, le cuivre et l'argent. C'est d'ailleurs uniquement du point de vue du coût que le cuivre fut utilisé pour les cables électriques car l'or est meilleur conducteur. La conduction électrique dans les métaux peut être analysée de manière microscopique ou macroscopique . D'un point de vue microscopique, la principale raison vient de la liaison métallique. Les atomes métalliques forment des structures 2D ou 3D qui se répètent, appelées mailles. A l'intérieur, des électrons à peu près libres circulent entourés des atomes dont ils sont issus. C'est ce mouvement électronique qui est responsable de la bonne conduction et plus ces électrons sont libres plus le métal est bon conducteur. Ces électrons plus ou moins libres sont appelés "électrons de conduction". D'un point de vue macroscopique, c'est la théorie des bandes d'énergie qui fournit la réponse. En effet, dans les métaux la bande d'énergie la plus haute occupée et la plus basse vacante se chevauchent, tout du moins se touchent. Il faut ainsi peu d'énergie pour exciter un métal et plus il est facile de l'exciter plus un métal pourra céder un atome meilleur conducteur il sera!

Propriétés optiques

Propriétés magnétiques

Astronomie

On appelle métaux les produits de réaction qui ont lieu au cœur des étoiles, ce qui signifie que, astronomiquement parlant, tous les éléments sauf l'hydrogène sont des métaux. (bien que sous certaines conditions de température et de pression l'hydrogène peut avoir un comportement métallique)

Liste des principaux métaux

- aluminium (Al)
- argent (Ag, métal précieux)
- cuivre (Cu)
- étain (Sn, du latin stanium)
- fer (Fe)
- mercure (Hg, du latin hydragyrium la planète Mercure))
- nickel (Ni)
- or (Au, métal précieux, du latin aureum)
- platine (Pt, métal précieux)
- plomb (Pb)
- titane (Ti)
- zinc (Zn) Les mélanges de métaux forment des alliages, comme l'acier (alliage fer-carbone), les alliages de cuivre (bronze, laiton), les amalgames (alliages de mercure)... Beaucoup de métaux sont toxiques directement ou par l'intermédiaire de leurs composés, en particulier les métaux lourds (plomb, mercure...).

Voir aussi

- métallurgie Liens externes
- [http://www.sfc.fr/Donnees/metaux/ssmetaux.htm Base de donnée] de la Société Française de Chimie (SFC) ja:金属 ko:금속 simple:Metal th:โลหะ

Conducteur (physique)

En physique, le contraire d'un conducteur est un isolant.

Électricité

Généralités

En électricité, un conducteur est un matériau qui contient des porteurs de charge électrique mobiles. Lorsque ce conducteur n'est soumis à aucun champ électrique ou, plus généralement, dans la situation décrite par la théorie de l'électrostatique, les porteurs de charge sont animés d'un mouvement aléatoire, ce qui fait qu'on n'observe aucun courant électrique, on dit que le conducteur est en équilibre électrostatique (voir conducteur en équilibre électrostatique). Lorsqu'on lui applique un champ électrique, le mouvement des porteurs de charges devient partiellement ordonné, ce qui fait qu'on observe un courant électrique. Par extension, un conducteur est un composant électrique ou électronique de faible résistance, servant à véhiculer le courant d'un point à un autre. On parle aussi de conducteur pour désigner les objets suivants : fil électrique, câble, piste, barre, strap, cordon.

Matériaux

- Parmi les matériaux conducteurs, on peut citer les métaux, les électrolytes (ou solutions ioniques) et les plasmas. (
- Il faut également noter que certains solides non métalliques sont conducteurs (par exemple le graphite).
- Le conducteur parfait n'existe pas. Il s'agit en général d'un conducteur ohmique.
- Les semi-conducteurs sont des cas particuliers : leur conductivité dépend de conditions physique externes.
- Un autre type de conducteurs est constitué par les supraconducteurs, des conducteurs dont la résistance ohmique devient strictement nulle dans certaines conditions.
- En dessous d'une certaine température dite «température critique» certains matériaux deviennent des supraconducteurs. Il est notable que ces matériaux ne sont pas forcément bons conducteurs à température normale
- Actuellement, la température critique la plus élevée est 138 K, soit -135°C.

Thermique

Un conducteur thermique est un matériau ayant une conductivité thermique élevée.
- Un conducteur thermique est utilisé pour conduire la chaleur. Dans cette fonction on appelle un conducteur un caloporteur, ce rôle est souvent dévolu à fluide (liquide ou gaz).
- Les conducteurs thermiques sont aussi utilisés pour évacuer ou dispersser la chaleur, notamment dans les radiateurs.
- Soit pour évacuer cette dernière, afin d'éviter l'échauffement excessif d'un système produisant des calories;
- Soit pour chauffer l'environnement (confort domestique) ou un produit (processus industriel). Les meilleurs conducteurs thermiques sont les métaux et certains fluides.

Rapport entre conduction thermique et conduction électrique

Un bon conducteur électrique est également un bon conducteur thermique (cas des métaux), un bon isolant électrique est également un bon isolant thermique. Ceci vient du fait que les deux phénomènes font intervenir les phonons, les « paquets d'onde » de vibration du matériau. Pour simplifier, disons que les atomes du matériau vibrent entre eux, et que ces vibrations sont concentrées en paquets, comme des grumeaux qui se déplacent. Le phénomène de résistance électrique est dû au freinage des électron par les phonons. Le phénomène de conduction thermique consiste à créer des phonons et en leur déplacement, puisque la température d'un solide représente son énergie de vibration. Il est donc logique que les deux soient liés. Catégorie:Électronique Catégorie:Électricité ja:導体

Atomes

L'atome est un composant de la matière, défini du point de vue de la chimie comme la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner avec une autre. Le mot provient du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ». L'atome était pour certains philosophes de la Grèce antique le plus petit élément indivisible de la matière. La notion d'atome est largement utilisée dans les diverses théories permettant d'expliquer les propriétés physiques de la matière, notamment dans ses états gazeux (la compressibilité des gaz), liquide et solide (l'ordonnancement des cristaux). En chimie, l'atome est l'élément de base, il constitue la matière et forme les molécules : les atomes restent indivisibles au cours d'une réaction chimique (en acceptant la légère exception que constituent les échanges d'électrons périphériques). Cependant, depuis le début du , des expériences de physique nucléaire ont mis en évidence l'existence des constituants de l'atome que sont les particules élémentaires.

Caractéristiques de l'atome

La majeure partie de la masse de l'atome se trouve concentrée dans un très faible volume (dimension de l'ordre de 10^-15 m) : le noyau, composé de deux sortes de particules semblables, appelées nucléons :
- les neutrons, particules de charge électrique nulle, et de masse égale à : :::m_n = 1,674 95×10^-27 kg ;
- les protons, particules de charge électrique positive égale à : :::e = 1,602 189×10^-19 C, :et de masse égale à : :::m_p = 1,672 65×10^-27 kg. La masse du proton étant très proche de celle du neutron, il est pratique de caractériser un noyau par son nombre de nucléons, appelé nombre de masse. Autour du noyau se trouve « un nuage » de particules identiques : les électrons ; les dimensions de ce nuage électronique (de l'ordre d'un angström, ou 10^-10 m) correspondent à celles de l'atome. Les électrons possèdent une charge électrique négative égale à : :::e = 1,602 189×10^-19 C, identique à celle du proton en valeur absolue ; leur masse est bien plus faible que celles des nucléons : :::m_e = 9,109 53×10^-31 kg. La charge électrique d'un atome est neutre, car le nombre d'électrons (chargés négativement) du nuage électronique est égal au nombre de protons (chargés positivement) constituant le noyau. Ainsi, les charges électriques s'annulent d'un point de vue macroscopique. Les atomes sont susceptibles de se charger électriquement, en gagnant (la charge de l'atome devient négative) ou en perdant (la charge de l'atome devient positive) un ou plusieurs électrons ; on parle alors d'ions. Les propriétés physiques et chimiques des atomes dépendent essentiellement du nombre de protons qui composent leur noyau. Aussi, les atomes sont-ils classés suivant ce nombre, appelé nombre atomique. La matière constituée d'un ensemble quelconque d'atomes de même nombre atomique est un corps simple, ou élément chimique. Les atomes ayant un même nombre atomique, mais des nombres de masse différents (nombre de neutrons différent), sont appelés isotopes. Les différents éléments chimiques naturels ou artificiels ont été ordonnés en fonction de leurs propriétés dans le tableau périodique des éléments.

Histoire de l'atome

Le concept d'atome est particulièrement bien admis par le grand public, pourtant, paradoxalement, on ne peut pas observer par des moyens optique cet objet et seuls quelques rares physiciens manipulent des atomes isolés. L'atome peut donc paraître un modèle essentiellement théorique. Bien que ce modèle ne soit plus aujourd'hui remis en cause il a beaucoup évolué au cours du temps pour répondre aux exigences des nouvelles théories physiques et correspondre avec les différentes expérimentations effectuées.

Antiquité : un concept philosophique et intuitif

Il est probable que plusieurs peuples aient développé la notion de «grain composant la matière», tant ce concept semble évident lorsque l'on morcelle une motte de terre. Dans la culture européenne, ce concept apparaît pour la première fois dans la Grèce antique au , chez les philosophes présocratiques, notamment Leucippe, env. 460-370 av. J.-C., Démocrite et, plus tard, Épicure. Il s'agit d'une conception a priori du monde, qui fait partie de la recherche des principes de la réalité, recherche qui caractérise les premiers philosophes : on suppose que la matière ne peut se diviser indéfiniment, qu'il y a donc une conservation des éléments du monde, qui se transforment ou se combinent selon des processus variés. La décomposition du monde en quatre éléments (eau, air, terre, feu) peut donc compléter cette thèse. L'atomisme est une solution concurrente, qui naît de l'opposition de l'être et du néant : l'atome est une parcelle d'être qui se conserve éternellement, sans quoi les choses finiraient par disparaître. Ce fut sans doute un tournant philosophique majeur, à l'origine du matérialisme et de la critique de la religion. Cependant, même si l'empirisme épicurien tente d'établir cette hypothèse sur des bases scientifiques, l'atome demeure une intuition sans confirmations expérimentales.

La chimie du XVIII siècle - les éléments

Depuis des millénaires, on a remarqué que les produits se transforment : le feu, la métallurgie (transformation du minerai en métal), la corrosion (dégradation du métal), la vie, la cuisson des aliments, la décomposition de la matière organique... Par exemple, pour Empédocle, les transformations de la matière s'expliquaient de la manière suivante : il y avait quatre types d'éléments (eau, air, terre, feu) qui s'associaient et se dissociaient, en fonction de l'amour ou de la haine qu'ils se portaient — les fameux « atomes crochus ». Au Moyen Âge, les alchimistes ont étudié ces transformations et remarqué qu'elles suivent des règles bien précises. Vers 1760, des chimistes anglais commencent à s'intéresser aux gaz produits par les réactions, afin d'en mesurer le volume et de les peser. Ainsi, Joseph Black, Henry Cavendish et Joseph Priestley découvrent différents « airs » (c'est-à-dire gaz) : l'« air fixe » (le gaz carbonique), l'« air inflammable » (le dihydrogène), l'« air phlogistiqué » (le diazote), l'« air déphlogistiqué » (le dioxygène)... (Le terme « phlogistique » provient de la théorie du chimiste allemand Georg Ernst Stahl, au début du , pour expliquer la combustion ; cette théorie fut balayée par Lavoisier.) Antoine Laurent de Lavoisier (chimiste français) énonce en 1773 que : :"Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme" (formulé d'une manière légèrement différente à l'époque) signifiant par là que :
- la masse se conserve pendant les réactions chimiques ;
- les substances se décomposent en « éléments », c'est l'organisation de ces éléments qui change lors d'une réaction. Cette notion marque la véritable naissance de la chimie. Les chimistes ont donc commencé à recenser les éléments dont sont composées toutes les substances et à créer une nomenclature systématique — oxygène : qui génère des acides (οξυs signifie « acide » en grec) — hydrogène : qui génère de l'eau... Par exemple, en 1774, Lavoisier, en suivant les travaux des chimistes anglais, établit que l'air se compose en « air vital » (dioxygène) et en « air vicié et méphitique, mofette » (diazote) ; en 1785, il décompose l'eau (en faisant passer de la vapeur d'eau sur du fer chauffé au rouge) et montre donc que ce n'est pas un élément, mais que l'eau est décomposable en éléments (c'est en fait une pyrolyse). Le terme d'« analyse » provient d'ailleurs de cette notion de décomposition, lusis (λυσιs) signifie « dissolution » en grec : on décompose les produits (par attaque acide, en les brûlant, en les distillant...) jusqu'à obtenir des substances simples reconnaissables facilement (l'hydrogène, l'oxygène, le carbone, le fer...). On a donc la première constatation expérimentale de la décomposition de la matière en substances élémentaires.

La physique du XVIII siècle - les particules

Un autre pas, fait en parallèle, vient de l'étude des propriétés des gaz et de la chaleur (thermodynamique). Les fluides (liquides et gaz) sont étudiés en Europe depuis l'Antiquité, mais c'est au milieu du que l'on commence vraiment à cerner leur propriétés, avec l'invention du thermomètre (thermoscope de Santorre Santario, 1612), du baromètre et du vide pompé (Evangelista Torricelli, 1643), l'étude de l'expansion des gaz (Gilles Personne de Roberval, 1647), la pression atmosphérique (Blaise Pascal et Florin Perrier, 1648), les relations entre pression et volume (Robert Boyle en 1660, Edmé Mariotte en 1685), la notion de zéro absolu (Guillaume Amontons, 1702)... René Descartes (mathématicien, physicien et philosophe français) émet l'idée, en 1644, que les gaz sont composés de particules tourbillonnantes. Mais il ne s'agit là encore que d'une conception imagée, sans appui expérimental ; dans le même ordre d'idées, Descartes pensait que c'était aussi un tourbillon de « matière subtile » qui entraînait la rotation des planètes (ceci fut mis en défaut par Isaac Newton avec l'attraction universelle en 1687). Cependant, cette notion de corpuscules inspira d'autres scientifiques. Les mathématiciens suisses Jakob Hermann (1716) et Leonhard Euler (1729), mais surtout le physicien suisse Daniel Bernoulli (1733), effectuent des calculs en supposant que les gaz sont formés de particules s'entrechoquant, et leurs résultats sont en accord avec l'expérience. C'est la conception « cinétique » des gaz, c'est-à-dire l'explication de la température et de la pression par des particules en mouvement. Une autre science se développe à la fin du : la cristallographie. Ce qui intrigue les scientifiques, c'est l'observation des formes géométrique des cristaux naturels, et leur capacité à se cliver selon des plans lisses respectant ces symétries. Reprenant l'idée de classification des êtres vivants de Carl von Linné, on commence à rechercher et classer les minéraux (Jean-Baptiste Romé de Lisle, minéralogiste français, 1772). L'abbé René-Just Haüy (cristallographe français), en 1781, suppose que la forme des cristaux reflète la symétrie d'une « brique élémentaire », le cristal étant un assemblage de ces briques. On retrouve ici cette notion de composant élémentaire de la matière.

XIX siècle - le triomphe de l'atome

À ce stade, ressortaient trois notions :
- les corps chimiques sont décomposables en substances élémentaires ;
- les gaz sont composés de corpuscules qui volent et s'entrechoquent ;
- les cristaux sont composés de cellules dont la forme détermine la forme extérieure du cristal. Ces notions ont en commun le fait que la matière homogène est composée de corpuscules tous semblables entre eux, mais trop petits pour être visibles. Les découvertes du XIX siècle vont permettre de faire converger ces trois notions, et d'établir les notions de molécule et d'atome. John Dalton (chimiste et physicien anglais), en 1804, mesure les masses des réactifs et des produits de réaction, et en déduit que les substances sont composées d'atomes sphériques, identiques pour un élément, mais différents d'un élément à l'autre, notamment par la masse de ces atomes. Il découvre également la notion de pression partielle (dans un mélange de gaz, la contribution d'un gaz donné à la pression totale). Il fut le premier à émettre les idées de la théorie atomique. En 1807, Louis Joseph Gay-Lussac (physicien et chimiste français), établit la loi reliant la température et la pression d'un gaz. En 1808, il établit que les gaz réagissent en proportions déterminées ; les rapports des volumes des réactifs et des produits de réaction sont des nombres entiers petits. Le fait que ce soit des nombres entiers, a induit fortement à penser que la matière n'est pas « continue » (pensée dominante à cette époque), mais faite d'éléments discontinus. Amedeo Avogadro (physicien italien), en 1811, énonce, sans preuve, que pour une température et une pression fixées, un volume donné de gaz contient toujours le même nombre de molécules, et ce quel que soit le gaz. Il fait également l'hypothèse que les gaz sont polyatomiques, et définit nettement molécules et atomes. André-Marie Ampère (1814), Jean-Baptiste André Dumas (1827) et William Prout (1834) arrivent à la même conclusion. En 1821, John Herapath (mathématicien anglais) publie une théorie cinétique des gaz pour expliquer la propagation des sons, les changements de phase (vaporisation, liquéfaction) et la diffusion des gaz. Robert Brown (botaniste britannique), en 1827, observe le mouvement de grains de pollen dans l'eau ; les grains vont en ligne droite, et ne changent de direction que lors d'un choc avec un autre grain ou bien contre une paroi. C'est de ce comportement, le « mouvement brownien », que s'inspireront les physiciens pour décrire le mouvement des molécules de gaz. Gabriel Delafosse, en 1840, suppose que l'on peut dissocier la composante élémentaire du cristal et son organisation ; ainsi, la brique élémentaire de Haüy pourrait être un réseau aux nœuds duquel se trouveraient des « molécules » ; ce serait la forme du réseau qui donnerait la forme au cristal et non pas nécessairement la forme des molécules. Louis Pasteur (chimiste et biologiste français), en 1847, établit le lien entre la forme des molécules et la forme des cristaux (en fait, la molécule donne sa forme au réseau, et le réseau sa forme au cristal). Auguste Bravais (physicien français), en 1849, détermine les 32 réseaux cristallins possibles. En 1858, Rudolf Julius Emanuel Clausius (physicien allemand) définit le libre parcours moyen d'une molécule dans un gaz (distance moyenne parcourue entre deux chocs). Partant de là, en 1859, James Clerk Maxwell (physicien écossais) introduit la notion de dispersion statistique des vitesses des molécules dans la cinétique des gaz. Ceci permit à Ludwig Boltzmann (physicien autrichien), en 1858, d'estimer la taille des molécules et de définir la répartition statistique des vitesses dans un gaz. Dmitri Ivanovitch Mendeleïev (chimiste russe), en 1869, classe les atomes par masse croissante, et remarque qu'il y a une périodicité dans leurs propriétés chimiques. Il établit donc un tableau classant les éléments ; les trous dans ce tableau permirent de découvrir de nouveaux éléments.

Bilan

La notion d'atome et de molécule a donc permis le succès de la thermodynamique statistique, de la chimie et de la cristallographie. À cette notion, vont correspondre des modèles qui seront affinés au cours du développement de la physique et particulièrement précisés par les découvertes de la physique quantique durant le , et notamment :
- la découverte de l'électron (Joseph Thomson, 1887) ;
- les expériences de déviation des particules alpha par la matière (Ernest Rutherford of Nelson, 1911) ;
- les expériences de diffraction des rayons X sur les cristaux (Max von Laue, 1912).

Historique des modèles de l'atome

Dans l'histoire des sciences, plusieurs modèles de l'atome ont été développés, au fur et à mesure des découvertes des propriétés de la matière. Aujourd'hui encore, on utilise plusieurs modèles différents ; en effet, le modèle le plus récent est assez complexe, l'utilisation de modèles « anciens » ou partiellement faux, mais plus simples, facilite la compréhension, donc l'apprentissage et la réflexion. Depuis l'antiquité grecque, on supposait que la matière pouvait se fractionner en petits morceaux jusqu'à obtenir des grains insécables, qu'elle était comme « de la poussière dans la lumière ». C'est avec l'expérience de Rutherford que l'on atteint enfin ce grain : les particules alpha, en traversant la matière, voient leur trajectoire perturbée, ce qui va permettre enfin de savoir comment est organisée cette « poussière »...

1675 : Jean Picard observe une luminescence verte en agitant un tube de baromètre ; on découvrira quelques siècles plus tard que cela est dû à l'électricité statique et aux vapeurs de mercure ;
1854 : Geissler et Plücker découvrent les rayons cathodiques, des rayons verts luminescents lorsque l'on établit une forte tension électrique dans une ampoule dont on a pompé l'air (faible pression de gaz) ; ils inventent ainsi la lampe à décharge, qui éclaire maintenant nos supermarchés d'une lumière blanche, nos rues et nos stationnements d'une lumière orange (lampes au sodium) ;
1897 : J. J. Thomson établit que ces rayons cathodiques sont constitués de particules chargées négativement arrachées à la matière, et découvre ainsi l'électron ; c'est la première décomposition de l'atome ;
1900 : Max Planck montre la quantification des échanges d'énergie dans la matière (recherches sur le corps noir) ;
1911 : expérience de Rutherford : il bombarde une feuille d'or par des particules alpha (des noyaux d'hélium, chargés positivement, obtenus par radioactivité) ; il en déduit que :
- la plupart des particules vont en lignes droites, donc la matière est « pleine de trous » ;
- mais certaines sont déviées et même rebroussent chemin, donc elles rencontrent des îlots très concentrés de matière chargée positivement (les + se repoussent entre eux) ;
il en déduit son modèle planétaire : l'atome est constitué d'un noyau positif très petit et d'électrons tournant autour ; ce modèle pose un gros problème : en tournant, les électrons devraient perdre de l'énergie par rayonnement, et donc s'écraser sur le noyau...
1913 : Niels Bohr réunit les concepts de Planck et de Rutherford, et propose son modèle : les orbites des électrons ont des rayons définis, il n'existe que quelques orbites « autorisées » ; ainsi, les échanges d'énergie quantifiés correspondent à des sauts entre les orbites définies, et lorsque l'électron est sur l'orbite la plus basse, il ne peut pas descendre en dessous et s'écraser (mais ce modèle n'explique pas pourquoi) ;
1914 : l'expérience de Franck et Hertz valide le modèle de Bohr : ils bombardent des vapeurs de mercure avec des électrons ; l'énergie cinétique perdue par les électrons traversant les vapeurs est toujours la même ;
1924 : Louis de Broglie postule la dualité onde-corpuscule ;
1926 : Schrödinger modélise l'électron comme une onde, l'électron dans l'atome n'est donc plus une boule mais un « nuage » qui entoure le noyau ; ce modèle, contrairement aux autres, est stable car l'électron ne perd pas d'énergie.

Modèles périmés

Les modèles présentés dans cette section sont trop éloignés de la réalité pour pouvoir être utilisés. Ils ne sont présentés ici qu'à titre historique.

Le modèle de J.J Thomson ou modèle du far aux pruneaux (plum-pudding)

Avec la découverte de l'électron en 1897, on savait que la matière était composée de deux parties : une négative, les électrons, et une positive. Dans le modèle imaginé alors par Joseph John Thomson, les électrons, particules localisées, baignaient dans une « soupe » positive, à l'image des pruneaux dans le far breton (ou dans le plum-pudding pour les anglais ou encore comme des raisins dans un cake). Ce modèle fut invalidé en 1911 par l'expérience d'un de ses anciens étudiants, Ernest Rutherford. Vous pouvez aussi consulter la page en anglais

Le modèle planétaire de Rutherford

L'expérience de Rutherford met en évidence que les charges positives ne sont pas « étalées » entre les électrons, mais sont concentrées en de petits points. Il bombarda une fine feuille d'or par un faisceau de particules alpha (particules de charges électriques positives). Il observa que les particules étaient déviées faiblement, ce qui ne correspondait pas au résultat prévu par le modèle de Thomson, pour lequel elles n'auraient pas dû la traverser. Rutherford imagine donc un modèle planétaire : l'atome est constitué d'un noyau positif autour duquel tourne des électrons négatifs. Entre le noyau, très petit par rapport à l'atome (environ 100 000 fois), et ses électrons, un grand vide existe. Ce modèle fut très vite mis en défaut par les équations de Maxwell d'une part, qui prédisent que toute charge accélérée rayonne de l'énergie, et par les expériences montrant la quantification des niveaux d'énergie d'autre part.

Modèles approchés couramment employés

Le modèle des sphères dures

Le modèle le plus simple pour représenter un atome est une boule indéformable. Ce modèle est très utilisé en cristallographie. Une molécule peut se voir comme plusieurs boules accolées, un cristal comme des boules empilées. On utilise parfois une représentation « éclatée » : les atomes sont représentés comme des petites boules espacées, reliées par des traits, permettant de faire ressortir les directions privilégiées ainsi que les angles. cristallographie Ce modèle correspond bien à certaines propriétés de la matière, comme par exemple la difficulté de comprimer les liquides et les solides, ou bien le fait que les cristaux ont des faces bien lisses. En revanche, il ne permet pas d'expliquer d'autres propriétés, comme la forme des molécules : si les atomes n'ont pas de direction privilégiée, comment expliquer que les liaisons chimiques révèlent des angles bien définis ?

Le modèle de Bohr

Un modèle fut développé par Niels Bohr en 1913 à partir des propriétés mises en évidence par Planck et Rutherford. Dans le modèle des sphères dures, l'atome est un objet entier, indécomposable. Or, on sait depuis le milieu du XIX siècle que l'on peut en « arracher » des particules portant une charge électrique négative, les électrons. Dans le modèle de Bohr, l'atome est composé d'un noyau chargé positivement, et d'électrons tournant autour, les rayons des orbites des électrons ne pouvant prendre que des valeurs bien précises. Le noyau est très compact, d'un diamètre d'environs 10^-15 à 10^-14 m, c'est-à-dire que le noyau est cent mille à un million de fois plus petit que l'atome ; il porte une charge électrique positive. C'est aussi la partie la plus lourde de l'atome, puisque le noyau représente au moins 99,95 % de la masse de l'atome. Les électrons sont ponctuels, c'est-à-dire que leur rayon est admis quasiment nul (tout du moins plus petit que ce que l'on peut estimer). Ils portent une charge négative. Pour des raisons de lisibilité, le schéma ci-dessous n'est donc pas à l'échelle, en ce qui concerne les dimensions du noyau et des électrons, ni aussi pour les rayons des différentes orbites (on notera ici que le nombre d'électrons sur les orbites n'est pas prédit par le modèle). modèle de Bohr
Cette vision permet de décrire les phénomènes spectroscopiques fondamentaux, c'est-à-dire le fait que les atomes absorbent ou émettent seulement certaines longueurs d'onde (ou couleur) de lumière ou de rayons X. En effet, les électrons ne pouvant tourner que sur des orbites définies, le saut d'une orbite à une autre se fait en absorbant ou en émettant une quantité déterminée d'énergie (quantum). Le modèle de Bohr, décomposant l'atome en deux parties, un noyau et un nuage d'électrons, est plus précis que le modèle des sphères dures, pour lequel la surface de la sphère correspond à l'orbite des électrons extérieurs. Cependant, il présente le gros inconvénient des modèles planétaires : des électrons en orbite autour du noyau sont des charges accélérées, ils devraient rayonner de l'énergie, ... et devraient donc venir s'écraser sur le noyau. Le modèle n'explique pas non plus la forme des molécules.

Le modèle actuel : modèle de Schrödinger

La naissance de la mécanique ondulatoire de Louis de Broglie 1924, généralisée par Erwin Schrödinger en 1926 amène à proposer un nouveau modèle, dont les aspects relativistes furent décrits par Paul Dirac en 1928 ; il permet d'expliquer la stabilité de l'atome et la description des termes spectrocopiques. Dans ce modèle, les électrons ne sont plus des billes localisées en orbite, mais des nuages de probabilité de présence. Ce point de vue, révolutionnaire, peut choquer en première approche. Cependant la représentation que l'on pouvait se faire d'un électron - une petite bille ? - était dictée par les formes observées dans le monde macroscopique, transposées sans preuves dans le monde microscopique. Il faut bien se pénétrer du fait que ce que l'on connaît de l'électron ne repose que sur des manifestations indirectes : courant électrique, tube cathodique (télévision)… Depuis les années 1930, on modélise ainsi l'électron par une « fonction d'onde » dont le carré de la « norme représente la densité de probabilité de présence ». Pour représenter fidèlement les propriétés de l'électron, on ne dispose que des fonctions mathématiques compliquées. Cette abstraction rebute encore bien des physiciens. Nous allons essayer de donner une image de cette notion de fonction d'onde, image nécessairement imparfaite. Un électron, hors d'un atome, est représenté par un paquet d'ondes, qui peut être considéré, dans certaines limites, comme une petite bille. La mécanique quantique démontre qu'un tel paquet d'ondes s'étale au cours du temps ; au contraire, un électron d'un atome conserve la structure de la fonction d'onde associée à l'orbite qu'il occupe (tant qu'il n'est pas éjecté de l'atome). La mécanique quantique postule donc, non la conservation de la forme (non connue) de l'électron, mais l'intégrale de la probabilité de présence. Dans le modèle de Schrödinger, les nuages correspondant aux différents électrons s'interpénètrent ; il n'est pas question de se donner une représentation individuelle des électrons chacun sur son orbite, comme cela était dans le cas du modèle de Bohr. Cela est d'autant plus vrai que les électrons sont des particules identiques indiscernables. Les effets d'échange amènent à considérer que chaque électron de l'atome est à la fois sur chaque orbitale occupée (correspondant à une configuration électronique donnée). L'ionisation de l'atome (l'arrachement d'un électron de l'atome) peut alors être représentée par le schéma simplifié ci-dessous. effets d'échange Pour éviter des complications inutiles, on considérera l'atome le plus simple afin de montrer quelques schémas dévoilant les points fondamentaux du modèle : :
- le nuage électronique associé à l'état fondamental, révélant (comme d'autres états) la possibilité pour l'électron d'être au sein du noyau, ce qui a des conséquences en physique nucléaire : capture électronique. :
- le nuage électronique associé à une combinaison linéaire de deux orbitales associées au premier niveau excité. Cet exemple montre la possibilité d'obtenir des nuages électroniques pointant vers l'extérieur de l'atome… nous sommes ainsi préparés aux liaisons moléculaires. Soit ρ(r,θ,φ) la densité de probabilité de présence au point de coordonnées sphériques (r,θ,φ). Pour l'état fondamental, la densité de probabilité, ρ, est maximale au centre de l'atome, tandis que la densité radiale de probabilité de présence (à la distance r du noyau, toutes les directions confondues) est : :

P(r) = 4\pi r^2 \cdot \rho(r,0,0)

, maximale pour r=r₁ de la première orbite du modèle de Bohr (dans l'expression ci-dessus, on a tenu compte de la symétrie sphérique de ρ, identique pour toutes les directions). on a en fait : :ρ(0,0,0) > ρ(r₁,0,0), mais P(0) < P(r₁). coordonnées sphériques En fonction de l'état quantique de l'électron (fondamental, excités...) ces nuages peuvent prendre différentes formes, qui sont décrites en particulier par les harmoniques sphériques. La forme la plus simple est la symétrie sphérique, montrée en particulier, ci-dessus, dans le cas de l'état fondamental, |1s>. harmoniques sphériques Des combinaisons linéaires de fonctions d'onde, utilisant des harmoniques sphériques distinctes, permettent l'apparition d'une anisotropie qui va devenir essentielle pour le passage de la notion d'atome à celle de molécule. Le schéma ci-contre montre une coupe de la densité de probabilité de présence de l'orbitale hybride |

2sp_

> de l'atome d'hydrogène, coupe contenant Oz axe de symétrie de l'orbitale atomique. Pour cet exemple, l'axe Oz devient une direction privilégiée, mais de plus la densité de probabilité de présence s'étale plus loin pour une orientation donnée. Ce modèle permet d'expliquer :
- la stabilité de l'atome, les charges sont accélérées, mais elles sont contraintes par la mécanique quantique (relations d'incertitude) ;
- la forme des molécules : orientation préférentielle des nuages électroniques ;
- l'organisation des cristaux : le nuage électronique se comporte comme une coquille dure ;
- les effets spectroscopiques (la quantification des échanges d'énergie) : la nuage ne peut prendre que des formes déterminées, notamment en ce qui concerne la distance r₁ du maximum de densité au noyau. On notera pour terminer que des corrections relativistes sont à apporter, dans le cas des atomes de numéro atomique élevé, pour la détermination des niveaux internes (les vitesses des électrons sur les orbites du modèle de Bohr sont alors importantes).

Le noyau atomique

Si la mécanique quantique permit d'expliquer rapidement les caractéristiques spectroscopiques des atomes et des molécules, le cœur de l'atome, son noyau, fut plus difficile à comprendre. Les difficultés sont ici de deux ordres, l'une correspondant à l'importance de l'énergie des particules sondes permettant d'atteindre les dimensions de l'ordre du fermi, l'autre à la nécessaire invention d'au moins une interaction supplémentaire permettant la stabilité d'un noyau constitué de protons (qui se repoussent électriquement) et de neutrons. Cette compréhension de la cohésion du noyau devait aussi expliquer les phénomènes de radioactivité alpha, bêta et gamma, dont les premières observations dataient de la dernière décennie du XIX siècle. La décennie qui précéda la seconde guerre mondiale mena à la découverte des deux interactions maîtresses de la stabilité du cœur : l'interaction forte et l'interaction faible. La petitesse de la portée de ces deux interactions, respectivement

10^

m et

10^

m explique les difficultés expérimentales rencontrées. Les difficultés théoriques ne manquent pas, non plus ; il ne s'agit pas de lois physiques aussi simples que celles de l'électromagnétisme, même compliquées par la mécanique quantique, mais de la compréhension de toutes les particules élémentaires... L'invention des quarks et des gluons donne ainsi la vision actuelle de l'interaction qui maintient ensemble les nucléons. Cette physique nucléaire mène aussi à l'explication de la nucléosynthèse, expliquant les aspects nucléaires tableau de Mendeleïev. On se retrouve là dans le foisonnement de la naissance de l'univers et de la dynamique des étoiles.

Notes

Cette notion avait déjà été énoncée dans l'Antiquité, par Anaxagore de Clazomène, et elle fut acceptée par un grand nombre de philosophes (épicuriens, stoïciens, etc.) ; ce principe se fondait sur les observations possibles pour l'époque et fut élaborée selon une démarche scientifique. Les scientifiques avaient observé que si l'on pesait la matière solide avant et après la combustion, on avait une variation de masse ; ceci provient d'un échange avec l'air (l'oxygène s'incorpore et alourdit, le gaz carbonique et la vapeur d'eau s'en vont et allègent). Il suffit pour s'en rendre compte de faire brûler dans une cloche fermée, et de peser la cloche en entier, produit solide et gaz compris : la masse totale ne change pas.

Voir aussi

- nucléosynthèse
- réaction chimique
- réaction nucléaire
- règle de l'octet

Bibliographie

'Physics of the atom' par M. Russell Wehr et James A. Richards, Jr., chez Addison-Wesley Pubishing Company. catégorie:atome catégorie:histoire de la chimie catégorie:histoire de la physique catégorie:physique nucléaire catégorie:science des matériaux ja:原子 ko:원자 ms:Atom simple:Atom th:อะตอม

Bande de conduction

Dans un solide cristallin, les électrons occupent des états quantiques ayant la symétrie du cristal. Chacun de ces états est caractérisé par une énergie et l'ensemble des énergies accessibles par les électrons est appelé le spectre. Pour tous les solides cristallins ce spectre est constitué de plusieurs bandes d'énergies accessibles et séparées par des bandes interdites. En raison du principe d'exclusion de Pauli, les électrons (fermions) d'un cristal se répartissent sur des états quantiques distincts. A basse température et à température ambiante, tous les états de basse énergie sont occupés; les bandes se remplissent ainsi par niveaux d'énergies croissants. Les états de plus basse énergie correspondent aux niveaux atomiques des électrons, qui restent localisés autour de chaque atome. Des états de plus haute énergie sont affectés par la présence des autres atomes, et les électrons contribuant à la cohésion locale du cristal (entre atomes voisins) ont une énergie dans une bande appelée bande de valence. Les états d'énergie supérieure sont délocalisés et appartiennent à la bande de conduction. Les électrons occupant cette bande sont appelés électrons de conduction, ou électrons libres. Lorsque la bande de conduction n'est pas entièrement remplie, le cristal peut conduire le courant électrique. Il s'agit alors d'un métal. Lorsque la bande de conduction est vide, le cristal est un isolant (ou un semi-conducteur). Catégorie:Physique quantique

Ion

Définition

Un ion (du grec iôn : «qui va») est un atome, un groupe d'atomes ou une molécule qui a gagné ou perdu des charges négatives (des électrons).

Ionisation de la matière condensée

Au contact d'un solvant polaire, comme l'eau, les composés ioniques liquides, tel l'acide sulfurique, ou solides, telle la potasse (hydroxyde de potassium) ou le sel (chlorure de sodium), se dissocient en ions au cours d'un processus appelé solvatation. Par exemple, la molécule de chlorure de sodium (NaCl) se dissocie en ions Na⁺ et Cl^–. L'ion Na⁺ est appelé cation car il est attiré par la cathode (électrode négative) lors d'une électrolyse et l'ion Cl^– est un anion qui est, lui, attiré par l'anode (électrode positive). Le symbole Na⁺ signifie que l'atome de sodium (Na, abréviation de natrium) a perdu un électron et possède donc une charge positive tandis que le symbole Cl^– signifie que l'atome de chlore a gagné un électron et possède donc une charge électrique négative. La mesure de la conductivité électrique d'une solution (conductimétrie) permet d'estimer sa teneur globale en ions. L'eau des océans, qui constituent la plus importante réserve hydrique de la Terre, est riche en ions :

Ionisation des gaz

Seules les molécules polaires, tels l'ammoniac ou le dioxyde de carbone, sont facilement ionisées dans l'eau. Les faibles concentrations constatées dans les eaux naturelles ne résultent que de la faible teneur de ces gaz dans l'atmosphère (loi de Henry). L'ionisation des gaz peut toutefois être réalisée grâce à :
- une température très élevée : :La chaleur — typiquement plus de 10000 K — apporte l'énergie nécessaire à cette ionisation et produit un plasma, gaz partiellement ou complètement ionisé. Constitué d'un mélange d'ions, chargés positivement, et d'électrons, négatifs, le plasma est dans son ensemble électriquement neutre. Le Soleil est un plasma.
- un rayonnement électromagnétique : :L'ionisation radiative se produit sous l'action d'un rayonnement de courte longueur d'onde, dit ionisant, tels les rayons UV ou les rayons X : les gaz de la haute atmosphère, l'ionosphère, ionisés par le rayonnement solaire, participent à la formation de couches réfléchissant les ondes radio sur ondes courtes.
- un champ électrique intense : :La torche à plasma, encore appelée ICP (spectrométrie d'émission à couplage inductif), est une technique qui utilise un plasma, généré grâce à un intense champ électrique, pour vaporiser et ioniser les composés à analyser. Les éclairs sont un autre exemple d'ionisation électrique.
- un faisceau de particules : :Les collisions entre les molécules gazeuses de l'ionosphère avec les particules solaires de haute énergie peuvent générer des aurores polaires.
- ja:イオン ko:이온 ms:Ion simple:Ion

Électrolyte

Un électrolyte est un milieu conducteur ionique. Il est obtenu par dissolution ou fusion d'un sel, d'un acide ou d'une base. Il est constitué d'un solvant polaire (eau ou solvant organique) et d'un soluté (sel, acide, base) Le solvant pôlaire, par phénomène de solvatation des ions par une ou plusieurs molécules de ce solvant assure à la fois la dissolution du soluté et sa dissociation ionique en anions chargés négativement et en cations chargés positivement. La solution électrolytique étant électriquement neutre, les charges positives et les charges négatives s'équilibrent. La dissociation en ions d'un sel, d'une base, ou d'un acide en solution est assurée par l'énergie de solvatation des ions par le solvant polaire. Prenons l'exemple de la potasse en solution aqueuse: ---- ---- Citons quelques électrolytes les plus connus: -les solutions d'acide sulfurique des batteries au plomb; -les solutions de potasse 5 à 8M des batteries alcalines de types Ni-Cd ou Ni-MH; -les solutions de LiPF6 dans des mélanges de solvants organiques de types « carbonates » des batteries Lithium-ION; -les solutions de sulfate de Cuivre, ou de Zinc ou de Nickel en milieu acide sulfurique utilisés pour les revêtements électrolytiques à anodes solubles; -les sels fondus à base d'alumine et de cryolithe pour l'électrosynthèse de l'Aluminium.(Voir l'article détaillé Réduction électrolytique de l'aluminium) ---- Les tranferts de charges électriques au sein de l'électrolyte sont assurés par les cations et les anions qui se déplacent dans des directions opposées. Les anions en sens inverse du sens conventionnel du courant, les cations dans le sens de ce courant. La part relative des charges transportées par les uns ou par les autres est quantifiée par les nombres de transport de telle sorte que la somme des nombres de transport soit égale à un. Plus un nombre de transport est voisin de un et plus la part de transfert de charge de l'ion concerné sera importante. ja:電解液

Isolant

Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue les isolants électriques et les isolants thermiques. Le contraire d'un isolant est un conducteur.

Isolant électrique

En électricité et en électronique, l'isolant, ou diélectrique, est une partie d'un composant ou un composant, ayant pour fonction d'interdire le passage de tout courant électrique entre deux parties conductrices. Un isolant possède peu de charges et elles sont piégées. Contrairement à un matériau conducteur où les charges sont nombreuses et libres de se déplacer sous l'action d'un champ. La faculté d'un matériau à être isolant peut aussi être expliqué par la notion de bandes d'énergie.

Isolant thermique

En thermique, un isolant est un matériau ayant une faible conductivité thermique. Il permet d'éviter les fuites de chaleur (refroidissement) ou l'entrée de la chaleur (« garde au frais »). Les isolants les plus utilisés dans les applications courantes sont :
- les matériaux naturels dans la construction : bois, laine (de mouton, de bois, de chanvre...), paille, ouate de cellulose...
- les matériaux industriels dans la construction : laine de verre, laine de roche...
- les polymères : plastique, caoutchouc...
- l'air emprisonné : dans les fils d'un vêtement, les poils d'un animal, un double vitrage...
- le vide entre deux parois : dewar. Les mousses de polymère, comme le polystyrène expansé, présentent les avantages des polymères et de l'air. Pour les applications à hautes températures, on utilise en général des céramiques.

Rapport entre les isolants électriques et thermiques

La conduction de la chaleur, dans les métaux, est assurée par les électrons de valence. Bon conducteur électrique signifie donc bon conducteur thermique. Mais la réciproque n'est pas nécessairement exacte : il existe des matériaux, comme l'oxyde de beryllium (BeO, matériau très toxique), bons conducteurs de la chaleur et isolants. On les emploie précisément dans les composants électroniques pour dissiper la chaleur produite par effet joule sans provoquer de court-circuit. Les huiles minérales sont également de bons conducteurs thermiques isolants au sens électrique (on se souviendra du pyralène, par exemple). On pourra aussi citer la graisse aux silicones. Enfin, il existe des isolants thermiques et électriques, comme le quartz, par exemple. Voir l'article Conducteur. Dans le batiment, on parle également d'isolant phonique.

Liens externes

- [http://www.ifrance.com/assocampus/pages/cdiso.htm Diéléctriques (AssoCampus)] Catégorie:Électricité Catégorie:Électronique Catégorie:Transfert de chaleur ja:絶縁体

Air

L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère terrestre. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres aéronefs. En pratique, la pression imposée dans les cabines est supérieure à la pression extérieure, bien que moindre que la pression au niveau du sol. L'air comprimé est souvent utilisé dans la plongée sous-marine. Dans un domaine non scientifique ,l'air est l'un des quatre éléments classiques (feu, air, eau, terre) et est souvent associé à différents autres concepts tels que la famille des épées dans les jeux de tarots.

Composition de l'air

L'air sec est composé d'environ 78 % d' azote, de 21 % d' oxygène et d'1 % d'argon. À la température de 40°C, l'air peut contenir de 0 à 7 % de vapeur d'eau. La proportion de vapeur d'eau dépend du taux d'hygrométrie de l'air et de sa température. Elle est limitée par la pression de vapeur saturante de l'eau. Les météorologues s'intéressent de près aux variations de ce composant dans l'atmosphère. Le taux de dioxyde de carbone varie avec le temps. D'une part, il subit une variation annuelle d'environ 6,5 ppm d'amplitude. D'autre part, le taux moyen annuel augmente de 1,2 à 1,4 ppm par an. De l'ordre de 378 ppm (0,0378 %) fin 2004, il était de 278 ppm à l'époque préindustrielle, 315 ppm en 1958, 330 ppm en 1974 et 353 ppm en 1990. Ce gaz à effet de serre joue un rôle important dans le réchauffement climatique de la planète. Le méthane est un autre gaz à effet de serre majeur dont le taux augmente avec le temps : 800 mm³/m³ (0,8 ppm) à l'époque préindustrielle, 1585 mm³/m³ en 1985, 1663 mm³/m³ en 1992 et 1676 mm³/m³ en 1996. La composition de l'air varie avec l'altitude. Elle change également lors de la respiration : l'air exhalé est plus riche en eau et en dioxyde de carbone que l'air inhalé. 1 ppm (partie par million) = 0,0001 %

L'indice de réfraction d'air

L'expression pour l'indice de réfraction d'air « aux conditions standard » est : ns = 1 + 643.28e-7 + 294981.e-7 / (146. - sigma^2) + 2554.e-7 / (41. - sigma^2) sigma = 1000 / longueur d'onde en nanomètres. là où « sigma » est la réciproque de la longueur d'onde en micromètres. C'est pour l'air sec avec 0.03% d'anhydride carbonique, à une pression de 101325 Pa (760 millimètres de mercure) et d'une température de 288.15 K (15°C). Pour modifier l'indice « ns » pour une température différente ou pression, en utilisant l'une ou l'autre des expressions suivantes : n = 1 + (ns - 1)
- (P / Ps)
- (Ts / T) avec : T = température en degrés Kelvin P = pression en Pascals Ts = 288.15 K Ps = 101325 Pa ns = indice de réfraction d'air donné ci-dessus ou : n = 1 + (ns-1)
- P
- [ 1 + P
- beta(T) ]
- (1+ 15
- alpha )/ avec : T = température en degrées C Ts = 15 degrees C P = pression en mm du mercure Ps = 760 mm alpha = 0.00366 beta(T) = (1.049 - 0.015
- T)
- 1.e-6 beta15 = 8.13e-7 ns = indice de réfraction d'air donné ci-dessus image de la courbe de l'indice (n) : http://olivier.fournet.free.fr/science_et_physique/refrac_air_png.php]

Voir aussi

- Masse d'air
- Psychrométrie
- Air humide ko:대기 ms:Udara ja:空気 simple:Air Catégorie:Météorologie catégorie:gaz inorganique

Ion

Définition

Un ion (du grec iôn : «qui va») est un atome, un groupe d'atomes ou une molécule qui a gagné ou perdu des charges négatives (des électrons).

Ionisation de la matière condensée

Ionisation des gaz

Physique des plasmas

ko:플라즈마 ja:プラズマ catégorie:Physique

Introduction

La physique des plasmas est une branche particulère de la physique qui étudie les propriétés, la dynamique des plasmas et leurs applications. Ce n'est pas à proprement parler un domaine de la physique à part entière. La physique des plasmas s'inspire et approfondit les concepts fondamentaux des autres disciplines (physique atomique, physique quantique, physique statistique...) pour l'adapter au problème compliqué par nature de l'étude d'une assemblée disparate de particules chargées ou non : un plasma.

Qu'est ce qu'un plasma ?

Le plasma est un gaz (ou un solide) qui a été soumis à la quantité d'énergie suffisante pour dissocier les électrons de leurs atomes (phénomène d'ionisation). Comme ces particules sont chargées, le plasma se comporte de manière différente d'un gaz (ou d'un solide) neutre en présence de champs électriques et/ou magnétiques. Les plasmas peuvent être de nature très différente, leurs propriétés également, ainsi que les théories et les modèles décrivant chaque nature de plasmas. Le plasma est aussi nommé « quatrième état de la matière » (avec les états solide, liquide et gazeux). Historiquement le terme « plasma » a été utilisé en physique pour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir en 1928 en analogie au plasma sanguin auquel le phénomène ressemblait visuellement. À l'origine un plasma désignait un gaz entièrement ionisé globalement neutre. Puis, on a étendu la définition aux plasmas partiellement ionisés, dans lesquels les proportions de particules chargées sont suffisantes pour que leur comportement diffère d'un gaz neutre. Puis, la physique des plasmas s'est intéressée à la dynamique des faisceaux d'électrons, de protons, d'ions lourds : des plasmas non neutres. Aujourd'hui, on parle de plasma lorsque la matière que l'on observe contient beaucoup de particules disparates qui peuvent intéragir entre elles et avec l'environnement de milliers de façons : c'est une soupe d'électrons, cations, anions, atomes neutres, clusters, agrégats. Les théoriciens s'intéressent même aux plasmas de quarks.

Exemples

quark] Les plasmas sont extrêmement répandus dans l'Univers puisqu'ils constituent plus de 99% de la matière connue. Par contre dans notre environnement proche : « la Terre » ils passent presque inaperçus puisque leurs conditions d'apparition sont très éloignées des conditions nécessaires aux besoins de la vie terrestre. Ainsi on distingue les plasmas naturels :
- les étoiles, nébuleuses gazeuses, quasar, pulsar ;
- les aurores boréales ;
- les éclairs ;
- l'ioniosphère ;
- le vent solaire et les plasmas industriels :
- les décharges, ou tube à décharges (lampes, écrans, torche de découpe, production de rayon X) ;
- les plasmas de traitement pour dépôt, gravure, modification de surface ou dopage par implantation ionique ;
- la propulsion par plasmas ;
- la fusion nucléaire (voir aussi Tokamak) ;
- et de nombreuses autres applications qui ne sont encore que des expériences de laboratoire ou des prototypes (radar, amélioration de combustion, traitement des déchets, stérilisation etc.).

La physique

Comme un plasma est une assemblée de particules différentes en interaction, il est de manière générale difficile de le caractériser. Supposons que le plasma contienne X espèces, incluant les différents états de charge d'un même atome (ou molécule ou agrégat ...), il faut pour complètement le décrire, étudier l'évolution de la densité, de la température, de la fonction de distribution dans l'espace et en vitesse de chaque espèce, au cours de toutes les réactions chimiques, nucléaires, ou collisions qui peuvent avoir lieu. C'est une tâche quasiment impossible, car même si on peut écrire des équations reliant toutes ces données, il est souvent impossible de les résoudre, même numériquement avec les moyens informatiques actuels.
Pour simplifier, dès le départ, le(s) problème(s), on répartit les plasmas en plusieurs catégories. Dans chaque catégorie les plasmas vont avoir un certain type de comportement propre. Pour construire ces catégories, il faut définir différents paramètres comme suit.

Température des espèces

Un plasma, du fait qu'il contient des espèces ionisées, contient aussi des électrons (par neutralité globale du plasma, exception faite des faisceaux de particules). Les électrons ont une masse 2000 fois plus faible que les ions (le rapport masse du proton ou du neutron sur masse de l'électron vaut plus exactement 1836), ils ont donc moins d'inertie et sont plus « réactifs ». Il est donc plus facile de donner de l'énergie aux électrons qu'aux espèces plus lourdes : les ions. On va différencier alors les plasmas dans lesquels :
- seulement les électrons ont acquis assez d'énergie pour effectuer des réactions (essentiellement chimiques). Ce sont les « plasmas froids ».
- les ions sont également énergétiques pour influencer le comportement du plasma. Ce sont les « plasmas chauds ».
Pourquoi cette dénomination ? En physique des plasmas, on mesure l'énergie cinétique des électrons ou des ions par leur température (comme en physique statistique :

E \sim k_B T

, où

k_B

est la constante de Boltzmann). Cette dénomination fait référence à l'énergie des ions.
- Dans le cas des « plasmas froids », la température (l'énergie) des électrons est très supérieure à celle des ions

T_i \ll T_e

. Les ions sont considérés comme « froids », non réactifs.
- Dans les plasmas chauds, les ions sont « chauds », réactifs.
Cette différenciation scientifique est également culturelle :
- les plasmas froids peuvent être étudiés en laboratoire. Les scientifiques ont alors construit un savoir-faire expérimental, actuellement largement appliqué dans les industries (gravure, dépôt...).
- les plasmas chauds demandent plus d'énergie pour leur création, et donc les installations qui les produisent sont moins nombreuses (car plus coûteuses...) et donc moins accessibles. Le savoir-faire qui s'est développé est essentiellement théorique, donc plus fondamental.

Autres caractérisations

Pour caractériser les plasmas et les phénomènes liés on utilise différentes notions :
- Le degré d'ionisation

\alpha

: ::

\alpha = \frac

avec

n_e

densité électronique et

n_n

densité de neutre.
Si

\alpha << 1

alors le plasma sera dit «faiblement» ionisé et si

\alpha\approx 1

alors il est dit «fortement» ionisé.
Si on rapproche le degré d'ionisation des interactions particulaires on pourra aussi classifier selon les mêmes catégories : :::Un gaz faiblement ionisé a des fréquences de collision électron-neutre supérieures aux fréquences de collision électron-ion ou électron-électron. :::On utilisera la notation usuelle :

\nu_>>\nu_, \nu_

:::Pour un gaz fortement ionisé on aura alors :

\nu_<\nu_, \nu_

- Le paramètre plasma

\Gamma

: ::

\Gamma\approx\frac\approx\frac

représente l'énergie potentielle moyenne liée aux interactions coulombiennes ::

représente l'énergie cinétique moyenne liée a l'agitation thermique :: si

\Gamma<1

le plasma est faiblement corrélé : il est dit «cinétique» :: si

\Gamma>1

le plasma est fortement corrélé.

Concepts fondamentaux

- La notion de quasi-neutralité ::Un plasma sous l'effet des forces de Coulomb (F=qE) et de Laplace (

F=qv\times B

), comme tout système dynamique, tend vers une position d'équilibre en minimisant ses forces. On voit rapidement qu'une égalité

Zn_i + n_e = 0

permet d'atteindre cette stabilité. Seulement cette équation prise tel quelle ne permet pas de résoudre les équations de Maxwell correctement. ::On considérera alors par exemple le rapport

\frac << 1

::En fait les études sur les plasmas portent souvent sur des perturbations d'une grandeurs moyenne. Par exemple si on considère la densité moyenne d'électron

\bar n_e

. Une perturbation de cette densité sera

n_e

alors le plasma sera caractérisé par une densité électronique

\bar n_e + n_e

. On posera souvent comme hypothèse

\bar n_e >> n_e

- L'écrantage électrique, notion de gaine et frontière d'un plasma ::Pour se représenter une gaine on va étudier un plasma un peu particulier : ::
- il sera monodimensionnel (selon x); ::
- à l'instant t=0, pour les x<0 on a un plasma à l'équilibre

n_e = n_i

::
- pour les x>0 on aura le vide. ::La frontière « vide-plasma » est donc un plan perpendiculaire à l'axe (Ox). ::Pour t>0 la situation va évoluer via l'agitation thermique des électrons (dans de nombreux cas on considère les mouvements des ions négligeables devant ceux des électrons, on supposera alors les ions comme fixes). ::L'agitation thermique tend a étaler la distribution d'électrons mais elle est contre-balancée par les forces électrostatiques qui tendent à la neutralité. On va donc obtenir une distribution électronique approchant la courbe bleu sur le second schéma. Cette distribution est appelée gaine électronique et on peut démontrer qu'elle a une taille de l'ordre de la longueur de Debye

\lambda_D

Situation initiale Situation à l'équilibre

- La longueur de Debye ::L'écrantage électrique défini précédemment nous permet d'identifier la longueur de Debye : c'est l'échelle de longueur au dessous de laquelle il peut y avoir une séparation de charge et au dessus de laquelle le plasma retrouve sa neutralité. ::

\lambda_D = \sqrt

- Perturbation d'un plasma

- La fréquence de Langmuir ou fréquence plasma ::Quand on perturbe un plasma à l'équilibre, les électrons vont se mettre à osciller avec une certaine fréquence :

\omega_p = \sqrt

Les ordres de grandeurs

Traitement mathématiques

Un traitement liquide commun des plasmas vient d'une combinaison de équations de Navier-Stokes de la