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2019-2020 Médisup Sciences 16 Rue de la Cerisaie 75004 Paris – Tél : 01 48 04 9

2019-2020 Médisup Sciences 16 Rue de la Cerisaie 75004 Paris – Tél : 01 48 04 90 50 1 UE3.1 - Physique Fiche de cours Structure de la matière Atomes Notion tombée 1 fois au concours Notion tombée 2 fois au concours Notion tombée 3 fois ou plus au concours 2019-2020 Médisup Sciences 16 Rue de la Cerisaie 75004 Paris – Tél : 01 48 04 90 50 2 STRUCTURE DE LA MATIERE Constitution de l’Univers 5% de matière “ordinaire” dite baryonique. • Matière à l’état solide, liquide, ou gazeux. 25% de matière sombre. 70% d’énergie noire. Echelles de grandeur Atome Composé d’un noyau autour duquel gravitent des électrons. • Electrons : charges négatives. Noyau Constitué de nucléons. Chargé positivement. Nucléons Protons et neutrons. Constitués de quarks. Nucléide A N Z X Espèce de noyau caractérisée par : • Son nombre de masse A : nombre de nucléons = protons + neutrons. • Son numéro atomique Z : nombre de protons. - Nombre de charges du nucléide. - Z caractérise la nature du nucléide. • Son nombre de neutrons N = A ⎼ Z. • Son état d’énergie : stable ou instable. Pour un même nucléide : N et A peuvent varier. 2019-2020 Médisup Sciences 16 Rue de la Cerisaie 75004 Paris – Tél : 01 48 04 90 50 3 CLASSIFICATION PERIODIQUE DES ELEMENTS - TABLEAU DE MENDELEÏEV Périodicité Existence d’une périodicité de certaines propriétés physiques si on classe les éléments par ordre croissant de numéro atomique Z : • Rayon atomique. • Potentiel d’ionisation. • Electronégativité. • Point de fusion … Eléments naturels ou artificiels 90 éléments naturels différents. • 81 stables. • 9 radioactifs. 25 éléments artificiels. • Produits par des réactions physiques qui n’existent pas dans la nature : - Soit dans des accélérateurs de particules. - Soit par des réactions de fusion des noyaux. Plus de 2000 nucléides artificiels et naturels en comptant les isotopes qui ont un même Z mais N différent. Masse des éléments Éléments naturels : éléments les plus légers. Eléments artificiels : éléments les plus lourds. Exception du technétium Tc : seul élément artificiel léger. Etat des éléments Solide métallique. • Majorité des éléments. Solide non-métallique. Liquide : seulement le mercure Hg et le brome Br. Gazeux. • Gaz rares dans la colonne la plus à droite du tableau périodique. 2019-2020 Médisup Sciences 16 Rue de la Cerisaie 75004 Paris – Tél : 01 48 04 90 50 4 APPLICATIONS MEDICALES EN IMAGERIE ET EN THERAPIE Scintigraphie Mesure de certains métabolismes ou certaines fonctions des organes. Repose sur l’émission de rayons gamma. • Rayonnements ionisants. • Rôle primordial du technétium (Tc) dans les techniques de scintigraphie. Scintigraphie TEP : Tomographie par Emission de Positons. • Utilisation majoritaire de carbone C, azote N et fluor F. Résonance magnétique Repose sur l’utilisation d’ondes radiofréquences. • Rayonnements non ionisants. Nucléides utilisés : • Gadolinium Gd. • Hydrogène H pour l’imagerie IRM. Radiologie Repose sur l’atténuation d’un faisceau de rayons X. • Rayonnements ionisants. Echographie Repose sur l’utilisation des ondes acoustiques. • Rayonnements non ionisants. Radiobiologie Etude des effets des rayonnements ionisants sur des patients ou des tissus vivants. • Lésions moléculaires et cellulaires pouvant entrainer des mutations ou la mort cellulaire. - Effets directs sur l’ADN. - Effets indirects par formation de radicaux libres à partir de l’eau. APPLICATIONS MEDICALES EN IMAGERIE ET EN THERAPIE CAS DES ISOTOPES DE L’IODE Iode naturel 127I Z = 53, N = 74, A = 127. Stable. Produit de contraste radiologique opaque pour l’imagerie par rayons X. 123I Radioactif : émetteur γ . Utilisé en scintigraphie pour l’imagerie du métabolisme thyroïdien . 125I Radioactif : émetteur β-. Utilisé pour les dosages biologiques par radioimmunoanalyse. 131I Radioactif : émetteur γ et β-. Utilisé pour la radiothérapie métabolique des cancers de la thyroïde . 2019-2020 Médisup Sciences 16 Rue de la Cerisaie 75004 Paris – Tél : 01 48 04 90 50 5 CARACTERISTIQUES DES PARTICULES ATOMIQUES Électrons Charge : e- = – 1,6.10-19 C Masse : me = 9,1.10-31 kg. Protons Charge : p+ = +1,6.10-19 C = - e-. • Charge positive de même valeur que celle de l’électron. Masse mp = 1,673.10-27 kg. • Beaucoup plus lourds que les électrons : mp ≈ 2000 me. Neutrons Pas de charge. Masse mn = 1,675.10-27 kg. • Masse légèrement plus élevée que le proton. FERMIONS : 12 PARTICULES ELEMENTAIRES Matière ordinaire Leptons Electron : e-. Neutrino de l'électron : νe. • Charge nulle. Quarks Up : u. • Charge : 2 e 3 + Down : d. • Charge : 1 e 3 − Matière non ordinaire Origine Particules observables lors des réactions de collisions dans les accélérateurs de particules. Leptons Muon. Neutrino du muon. Tau. Neutrino du tau. Quarks Charm. Top. Strange. Bottom. 2019-2020 Médisup Sciences 16 Rue de la Cerisaie 75004 Paris – Tél : 01 48 04 90 50 6 FERMIONS : 12 PARTICULES ELEMENTAIRES QUARKS Couleur des quarks Trois couleurs possible pour chaque quark : rouge, vert ou bleu. • Chaque couleur correspond à des propriétés physiques différentes. Assemblage des quarks Les quarks ne s'observent jamais seuls. Quarks assemblés pour obtenir des particules « blanches » appelées hadrons : • Baryons constitués de 3 quarks. - Cas du proton = u+u+d et du neutron = u+d+d. • Mésons constitués d’une paire quark-antiquark. 12 ANTIPARTICULES Particule miroir Chaque particule possède son antiparticule. • Même masse que la particule. • Charge électrique opposée. La rencontre entre une particule et son antiparticule provoque leur annihilation : production d'énergie pure. Positon Antiparticule de l'électron : électron positif. 4 FORCES D’INTERACTION ENTRE PARTICULES Force Rôle Quantum de champ Portée Intensité gravitationnelle Assure le couplage des masses. gravitons Illimitée I = 1 électromagnétique Assure le couplage des charges électriques. photons Illimitée I = 1036 nucléaire forte Assure le couplage des quarks. • Assure la cohésion du noyau. gluons 10-14 m I = 1038 nucléaire faible Assure la cohérence des nucléons. Responsable des transformations radioactives β. • Changement d’état des nucléons : permet la transformation d’un proton en neutron et inversement. bosons 10-17 m I = 1032 2019-2020 Médisup Sciences 16 Rue de la Cerisaie 75004 Paris – Tél : 01 48 04 90 50 7 MODELE ATOMIQUE PLANETAIRE DE RUTHERFORD Atome neutre Autant de charges positives que négatives : • Cortège électronique de charge négative. • Noyau central dense chargé positivement. Orbite circulaire Tous les électrons en gravitation sur une même orbite circulaire autour du noyau. Equilibre entre la force centrifuge et la force d’attraction électrostatique. • Force centrifuge due au mouvement de rotation. • Force d’attraction électrostatique due aux charges électriques opposées. 2019-2020 Médisup Sciences 16 Rue de la Cerisaie 75004 Paris – Tél : 01 48 04 90 50 8 MODELE ATOMIQUE PLANETAIRE DE BOHR Description du modèle Orbites des électrons quantifiées et non quelconques. • Electrons situés à des distances quantifiées du noyau. • A chaque orbite correspond un nombre quantique principal n. Modèle suffisant pour l’explication de la plupart des mécanismes physiques et chimiques. • Permet de déterminer la valence des atomes : - Définie par le nombre de places libres et le nombre d’électrons présents sur la dernière couche atomique. Couche électronique Couche électronique occupée par l'électron désignée par le nombre quantique principal n. n peut varier de 1 à +∞. • 1 à 7 en pratique. Niveau d'énergie électronique 2 n 2 Z E bn = − n : nombre quantique principal de la couche. Z : numéro atomique de l'atome. b : constante qui dépend de la nature de l'atome. En en J ou eV. • Par convention : En < 0. • En = 0 correspond à n = ∞. Energie de liaison Wn n n W E = − Energie à fournir à l'atome pour arracher l'électron de la couche n hors de l'atome. Par convention : Wn > 0. Etat fondamental Etat avec le niveau d'énergie le plus bas et l’énergie de liaison la plus grande. 2019-2020 Médisup Sciences 16 Rue de la Cerisaie 75004 Paris – Tél : 01 48 04 90 50 9 MODELE ATOMIQUE PLANETAIRE DE BOHR TRANSITIONS ELECTRONIQUES Conditions de transition Transitions électroniques possibles car les électrons ne sont pas figés sur leur couche. Echanges d’énergie sous l’influence de la force électromagnétique. • Caractérisés par un rayonnement électromagnétique d’énergie E h = ν . - ν : fréquence d’oscillation de l’onde électromagnétique. Apport d’énergie Cas où un électron est arraché à un atome. Apport d’énergie au uploads/Finance/ 2019-2020-p12-s1-ue3-radioactivite-structure.pdf