Les ordres de grandeur dans l'Univers - Cours de Physique Chimie Première avec Maxicours

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Les ordres de grandeur dans l'Univers

Objectif(s)
À l'échelle atomique, humaine ou astronomique, la matière est essentiellement composée de trois particules : les électrons, les protons et les neutrons. On retrouve toujours la même organisation suivant l'échelle considérée.

• Quels sont alors les ordres de grandeur reliant les masses et les distances des particules ou des astres du système solaire ?
1. Ordre de grandeur
L'ordre de grandeur d'un nombre est donné par sa puissance de dix correspondante. Un résultat en physique est généralement exprimé par la notation scientifique ci-dessous, suivie de l'unité :


 
[ est un réel compris entre 1 et 9,999... et un nombre entier relatif]

Si , l'ordre de grandeur du résultat .
Si , l'ordre de grandeur du résultat est .

Exemples1NBSP.:
La charge de l'électron est  q = 1,6 × 10-19 C (Coulomb) ; son ordre de grandeur est 10-19 C car 1,6 < 5 .
La masse de la Terre est MT ≈ 5,98 × 1024 kg ; son ordre de grandeur est  1025 kg car 5,981 > 5.

Remarque :
L'ordre de grandeur permet de situer rapidement un résultat sur une échelle et de donner une valeur numérique approximative de ce résultat.
2. L'atome
Un atome est constitué d'un noyau autour duquel gravitent plusieurs électrons. Le noyau en lui-même est composé de deux particules :les protons et les neutrons.

Caractéristiques des particules élémentaires de l'atome :
Nom Masse (kg) Charge (C) Rayon (m)
Électron 9,109 × 10-31 1,60× 10-19 10-15
Proton 1,673 × 10-27 -1,60 × 10-19 1,2 ×10-15
Neutron 1,675 × 10-27 0 1,2 ×10-15
a. Taille
• L'ordre de grandeur du rayon d'un atome est 10-10 m ;  celui du noyau est 10-15 m. Le noyau est donc 10-10 ÷ 10-15 = 105 soit 100 000 fois plus petit qu'un atome.

Exemple :
Le rayon de l'atome d'hydrogène vaut environ 5,3×10-11 m, son ordre de grandeur est donc 10-15  m.
Puisque le noyau de cet atome ne comporte qu'un proton, son rayon vaut 1,2×10-15 m et son ordre de grandeur est donc 10-15 m.

Le noyau de l'atome d'hydrogène est donc 100 000 fois plus petit que l'atome d'hydrogène.

• Les particules élémentaires ont la même taille : l'ordre de grandeur de leur rayon est le même (10-15 m).

• L'ordre de grandeur d'une grosse molécule étant de 10-8 m, l'atome est donc 100 fois plus petit qu'une grosse molécule ().

• L'ordre de grandeur d'un grain de sable étant d'environ 10-4 m, un atome est environ 1 million () de fois plus petit qu'un grain de sable.
b. Masse
• L'électron est une particule chargée négativement. Sa masse a un ordre de grandeur de 10-30 kg.

• Le proton est une particule de même masse que le neutron chargée positivement. L'ordre de grandeur de sa masse est 10-27  kg.

• Le proton et le neutron sont des particules () 1 000 fois plus lourdes que l'électron.

•  En prenant en compte la taille des éléments constituant l'atome et l'espace qui sépare un noyau de ses électrons, on constate que la matière est essentiellement composée de vide. On dit que la matière a un caractère lacunaire.
3. Les étoiles
a. Le système solaire
Planète Distance au Soleil (U.A.) Diamètre relatif
Mercure 0,39 0,37
Vénus 0,72 0,966
Terre 1 1
Mars 1,52 0,54
Jupiter 5,2 11,14
Saturne 9,56 9,4
Uranus 19,22 4
Neptune 30,11 4,3

• Les distances par rapport au Soleil et les diamètres relatifs montrent que l'espace, comme les atomes, est principalement composé de vide.

• La distance moyenne Terre-Soleil (1 U.A. = 150 × 106 km) a un ordre de grandeur de 108 km, l'ordre de grandeur du diamètre de la Terre (12 800 km = 1,28 × 104 km) vaut 104 km.
b. Le Soleil
• Le Soleil est une étoile. En son centre, il est le siège de réaction nucléaires permanentes. Il s'agit de réactions de fusion qui, à partir d'atomes d'hydrogène, produisent des noyaux d'hélium, des isotopes d'hélium (2He) ainsi que des protons et des électrons. Le Soleil est ainsi essentiellement composé de noyaux d'hydrogène, d'hélium et d'électrons.

• La température au centre du Soleil est de l'ordre de 107 K (Kelvin), soit environ 10 millions de degrés Celsius. Elle n'est que de 6 000 K en surface, soit 5 727 °C (θ[°C] = T[K]-273).

Remarque :
Cette étoile projette dans l'espace interstellaire des particules élémentaires (protons et électrons) ainsi que des noyaux d'hélium : ce phénomène est appelé le vent solaire.

• Le Soleil a une masse de 1,99 × 1030 kg (ordre de grandeur 1030 kg) qui représente 105 = 100 000 fois la masse de la Terre (MT ≈ 5,98 × 1024 kg ; ordre de grandeur 1025 kg).
c. Les étoiles à neutrons
• Il existe dans l'espace des objets plus massifs que le Soleil : les trous noirs et les étoiles à neutrons.

• On dit qu'une étoile « meurt » lorsque la réaction de fusion n'est plus possible en son cœur (par exemple quand tout le cœur s'est transformé en nickel [Ni]). L'étoile s'effondre alors sur elle-même : les électrons et les protons se transforment en neutrons. L'étoile est devenue une étoile à neutrons.

Son diamètre avoisine alors les 20 km mais sa masse avoisine celle de notre Soleil, le résultat est une étoile 50 000 milliards de fois plus dense que l'or. Sa densité est équivalente à un matériau d'une masse d'un milliard de tonnes qui occuperait un espace d'un centimètre cube !
L'essentiel
La matière est constituée de trois particules : les électrons, les protons et les neutrons.
La matière est essentiellement composée de vide et son organisation à l'échelle atomique ou astronomique est la même.

Ordres de grandeurs à l'échelle atomique :
• Le noyau de l'atome est 105 fois, soit 100 000 fois plus petit que l'atome lui-même.
• Les particules élémentaires ont la même taille.
• Le proton est une particule chargée positivement, de même masse que le neutron.
• Le proton et le neutron sont des particules 1 000 fois plus lourdes que l'électron.
• La masse de l'atome est donc essentiellement concentrée dans son noyau.

Ordres de grandeurs à l'échelle astronomique :
• La distance moyenne Terre-Soleil est 10 000 fois plus grande que le diamètre de la Terre.
• La température au centre du Soleil est de l'ordre de 10(Kelvin) soit 10 millions de degrés.
Elle n'est que de 6 000 K soit, 5 727 °C en surface.
• Le Soleil a une masse représentant 105 soit 100 000 fois celle de la Terre.

Il existe dans l'espace des «objets» plus denses que le Soleil :  les trous noirs et les étoiles à neutrons.

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