Magnétisme, moment d'une force, atome et théorie des champs en physique quantique

[robertneville]

Alors je suis en première année de médecine (pour ceux qui veulent connaître mon niveau) et je me pose un tas de question (vraiment un tas ).

Alors les voici.

-Magnétisme

•En TS on a parlé de moment magnétique dipolaire et cette année on nous parle de moment magnétique. Alors je me demandais un moment en généal c'est quoi et à quoi ça sert ?

•Sur Youtube j'ai vu que l'eau était diamagnétique et produisait son propre champ magnétique en réponse à l'exposition à un autre champ magnétique (si j'ai bien compris). Pourquoi cela arrive ?

•C'est quoi la différence entre électrique, magnétique et électromagnétique ? En quoi la lumière est elle électromagnétique ?

Mécanique quantique

•J'ai vu sur Youtube aussi (oui oui encore sur Youtube ) que les particules étaient des excitations locales de champs ? Ces champs sont ils omniprésents ? Et pourquoi s'excitent ils ? Peut on alors faire disparaître littéralement une particule en désexcitant ces champs ?

•C'est quoi le boson de Higgs ? Pourquoi on en parle autant ?

•Pourquoi on ne peut pas connaître à la fois la vitesse et la position d'un électron ? Si on sait où il est on peut normalement avoir sa vitesse en suivant son déplacement non ?

•Un hydrogène a-t-il des orbitales 2s et 2p vides ou alors il n'en a pas du tout ?

•Pourquoi la lumière a-t-elle la même vitesse dans tout les référentiels ?

•Y a-t-il vraiment des briques élémentaires de la matière ou elle "infinie" ?

•Pourquoi on ne peut pas atteindre le zéro absolu et pourquoi y a-t-il un zéro absolu ?

•Peut-on littéralement toucher les choses ou alors il existera toujours un espace entre par exemple les atomes de ma main et ceux de mon clavier ? Comment se font alors les réactions chimiques ?

Merci beaucoup à ceux qui auront le courage et la foi de me répondre
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[Aoiryu]

Bonjour !
Je suis aussi en première année de médecine, je ne sais pas dans quelle ville tu es, mais je trouve que pour certaines questions tu vas chercher trop loin ! Néanmoins je vais essayer de répondre à quelques questions, je pourrai pas pour toutes, mais bon ^^

-> Magnétisme :

C'est quoi la différence entre électrique, magnétique et électromagnétique ? En quoi la lumière est elle électromagnétique ?

Un champ électrique, est un champ qui est émis par une charge, AU REPOS, du seul fait de la présence d'une charge.
Un champ magnétique, "fait suite" à un champ électrique. On part du même principe sauf que cette fois la charge est EN MOUVEMENT, et le fait qu'elle soit en mouvement produit un champ magnétique.
La lumière est une onde électromagnétique pour cette raison. Et c'est pour ça qu'elle peut se déplacer dans le vide ! Le champ électrique servant de support au champ magnétique, et le champ magnétique servant de support au champ électrique pour se propager.

-> Mécanique quantique :

•Pourquoi on ne peut pas connaître à la fois la vitesse et la position d'un électron ? Si on sait où il est on peut normalement avoir sa vitesse en suivant son déplacement non ?

Alors, certains t'expliqueront ça beaucoup mieux que moi, mais il y a une formule (que je n'ai plus en tête) qui te permet de calculer l'incertitude sur la position à partir de la vitesse. Notre prof a pris l'exemple d'un plomb de chasse, on a une incertitude de l'ordre du dixième ou centième de millimètre (je sais plus non plus ^^), mais étant donné la taille d'un plomb de chasse, cette incertitude est tout à fait acceptable.
Cette formule appliqué à un électron, nous donne une incertitude d'environ 10 fois le rayon de l'atome je crois. En gros l'électron de ton hydrogène (c'est l'atome le plus simple) si on y appliquait cette formule, pourrait soit être dans ton atome d'hydrogène, mais aussi à des dizaines de rayons que tu juxtaposerais : ce qui est impossible puisqu'à une certaine distance ce ne sera plus l'électron de l'hydrogène.

•Un hydrogène a-t-il des orbitales 2s et 2p vides ou alors il n'en a pas du tout ?
Un hydrogène a 1 proton donc 1 électron. Du coup il est 1s1, et il n'a pas besoin de ses orbitales 2s et 2p. Donc on ne les représente pas, après en théorie je pense qu'elles peuvent exister, mais là je sais pas du tout et c'est complètement inutile ^^


Voilà, ça te fera déjà quelques réponses ... Les autres je préfère les laisser à des gens plus compétents ! D'ailleurs si vous voulez réinsister sur la partie vitesse et position d'un électron que je trouve avoir mal expliquée XD
A bientôt !

[Amanuensis]

(...)

Beaucoup trop de questions pour une seule discussion de forum! Faudrait les prendre une par une.

Et la plupart demandent un préalable d'une petite (quand ce n'est pas grande...) formation rien que pour reformuler la question!

Je n'en prend qu'une, dont la réponse peut s'exprimer sans (trop de) simplisme:

•Un hydrogène a-t-il des orbitales 2s et 2p vides ou alors il n'en a pas du tout ?

Une orbitale est disons un état d'électron autour d'un noyau (ou dans une molécule). Toutes les orbitales "existent" qu'elles soient occupées ou non, au sens où toutes les places de parking d'un parking existent qu'il y ait une voiture dessus ou non.

Dans le cas de l'hydrogène atomique, l'électron se met en situation "normale" (minimum d'énergie) dans l'état 1s. Mais l'atome peut être "excité", l'électron se trouvant alors en 2s, ou 2p, ou n'importe quelle autre orbitale en fait. Dans le cas d'un atome 1s excité en 2s (par absorption d'un photon par exemple), l'orbitale 2s existait aussi bien avant qu'après, simplement elle est passé de l'état non occupé à l'état occupé.

La désexcitation (par exemple retour en 1s) s'accompagne d'une perte d'énergie, par exemple une émission de lumière. 2s -> 1s donne l'émission dite "Lyman alpha", qui est utilisée pour observer spécifiquement l'hydrogène dans le Soleil par exemple.

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Allons, une autre! avec une réponse frustrante...

•Pourquoi la lumière a-t-elle la même vitesse dans tout les référentiels ?

Constat d'observation. La "nature" est comme ça, et les théories (par exemple sur la lumière) qu'on élabore se doivent de respecter les constats d'observation.

[robertneville]

WAHOU !! Merci beaucoup à vous deux pour vos réponses ça m'éclaire déjà, et oui je sais que je pose des questions qui vont chercher assez loin mais il faut bien chercher pour trouver .



Magnétisme

•C'est quoi la différence entre électrique, magnétique et électromagnétique ? En quoi la lumière est elle électromagnétique ?

Aoiryu je suis à Pierre et Marie Curie à Paris actuellement. J'ai bien compris ta réponse mais ça m'a fait me poser deux autres questions (ahahahahaha on ne s'énerve pas, pas de panique elle ne sont pas trop compliquées, enfin je pense, en tous cas pas la première).

Un champ électrique est créé par une charge au repos du simple fait de sa présence, d'accord. Alors où est la charge dans un champ électrostatique, du genre de celui qui règne entre les deux plaques d'un générateur plan ? Ou alors ce n'est pas le même type de champ. Auquel cas quelle est la différence ?

Comment certaines longueurs d'ondes de lumières sont absorbées par les molécules ? Par exemple on nous a dit que dans les acides aminés aromatique la délocalisation des électrons pi sur tout un cycle provoquait une absorption dans les UV. Est-ce par ce que ces électrons sont des charges, donc quand ils bougent ils créent un champ magnétique qui interagit avec celui des UV en "l'annulant" ? Ou alors c'est fondé sur la dualité onde-particule et les interférences destructives ? Et quand il n'y a pas de délocalisation et qu'on est même pas dans le cas d'une liasion, par exemple pour l'ion Cu2+. En solution il apparaît bleu. Comment cela se fait ?


Mécanique quantique

•Pourquoi on ne peut pas connaître à la fois la vitesse et la position d'un électron ? Si on sait où il est on peut normalement avoir sa vitesse en suivant son déplacement non ?

Merci pour cette réponse aussi elle déjà très bien et beaucoup mieux qu'une affirmation sans même un "bah c'est comme ça".


•Un hydrogène a-t-il des orbitales 2s et 2p vides ou alors il n'en a pas du tout ?

Merci aussi à toi Amanuensis la réponse sur les orbitales était très claire et l'analogie avec les places de parking très bien trouvée.
Après je me suis demandé concernant l'hybridation des orbitales atomiques lors d'une liaison covalente (nous cette année on a vu le cas simple de l'hybridation de type sp dans des liaisons Carbone carbone ou carbone hydrogène): s'il y a hybridation des orbitales pour que les électrons impliqués dans la liaison puissent appartenir aux deux atomes à la fois, cela voudrait-il dire que l'électron qui était dans une orbitale s gagne de l'énergie et celui qui était dans une orbitale p va en perdre pour arriver à une sorte d'équilibre se manifestant sous la forme d'une orbitale hybride ?
Et quand il y a formation d'un lien pi. La réactivité des électrons de ce lien est elle due à l'énergie plus haute des électrons dans les orbitales p par rapport aux orbitales hybrides sp ou au recouvrement latéral, ou aux deux ?

•Pourquoi la lumière a-t-elle la même vitesse dans tout les référentiels ?

Ha ok si c'est une réalité expérimentale alors c'est une réalité expérimentale.

[A voir en vidéo sur Futura]

[iori]

•Pourquoi on ne peut pas atteindre le zéro absolu et pourquoi y a-t-il un zéro absolu ?

Aller une pas trop dur, la température (pour un gaz) est définie à partir de l'energie cinetique des molecules qui composent le gaz.
Maintenant l'energie cinetique d'une molecule ne dépend que de sa vitesse au carré (elle ne va pas changer de masse spontanément) et on voit bien que l'energie cinetique est minimale quand la vitesse des molecules est nulle. On a donc une limite théorique a la température, quand toutes les molecules ont une vitesse strictement nulle.

Pourquoi on n'arrive pas à l'atteindre ? Et bien tout simplement que c'est très dur de forcer des molécules à être parfaitement immobile. Mais certaines équipes (1 prix nobel français) arrivent à descendre en température assez proche du zero absolu

[Amanuensis]

Après je me suis demandé concernant l'hybridation des orbitales atomiques lors d'une liaison covalente (nous cette année on a vu le cas simple de l'hybridation de type sp dans des liaisons Carbone carbone ou carbone hydrogène): s'il y a hybridation des orbitales pour que les électrons impliqués dans la liaison puissent appartenir aux deux atomes à la fois, cela voudrait-il dire que l'électron qui était dans une orbitale s gagne de l'énergie et celui qui était dans une orbitale p va en perdre pour arriver à une sorte d'équilibre se manifestant sous la forme d'une orbitale hybride ?

On peut le voir comme ça. En notant que c'est l'environnement (présence d'un autre atome proche) qui amène un équilibre différent du cas de l'atome isolé. C'est "l'environnement" qui fait que la somme des deux changements d'énergie est négative (de l'énergie est libérée), et donc une situation plus stable. Si on prenais le cas isolé, ce ne serait pas le cas.

[LPFR]

Bonjour.

...Un champ électrique est créé par une charge au repos du simple fait de sa présence, d'accord. Alors où est la charge dans un champ électrostatique, du genre de celui qui règne entre les deux plaques d'un générateur plan ? Ou alors ce n'est pas le même type de champ. Auquel cas quelle est la différence ?...

Il n’y a pas de différence, ce sont les mêmes charges et le même champ.

Le champ est crée entre les deux plaque par des charges électriques situées à la surface des plaques. C’est un très léger excès d’électrons sur la plaque négative et un léger manque sur la plaque positive.
Ce qui maintient ces « déséquilibres » locaux est précisément le champ électrique qui attire des électrons à la surface de la plaque négative et les repousse à la surface de la plaque positive.
Les charges et le champ sont comme la poule et l’œuf : ils vont ensemble.

Quand je dis « léger déséquilibre de charges », c’est bien très léger. Pour avoir un très fort champ électrique (1 MV/m) à la surface d’un métal il suffit d’un manque ou d’un excès d’un électron par 100 000 atomes à la surface.
Au revoir.

[LPFR]

Re.

...
Comment certaines longueurs d'ondes de lumières sont absorbées par les molécules ? Par exemple on nous a dit que dans les acides aminés aromatique la délocalisation des électrons pi sur tout un cycle provoquait une absorption dans les UV. Est-ce par ce que ces électrons sont des charges, donc quand ils bougent ils créent un champ magnétique qui interagit avec celui des UV en "l'annulant" ? Ou alors c'est fondé sur la dualité onde-particule et les interférences destructives ? Et quand il n'y a pas de délocalisation et qu'on est même pas dans le cas d'une liasion, par exemple pour l'ion Cu2+. En solution il apparaît bleu. Comment cela se fait ?
...

L’absorption et l’émission de photons par des molécules ressemble beaucoup à celle des atomes. La seule vraie différence est que les énergie des transition sont multiples et que, dans certains cas, au lieu d’avoir de lignes d’émission ou absorption on a des bandes.

Le modèle ondulatoire n’est pas du tout adapté pour l’étude de ces phénomènes. Il faut utiliser le modèle des particules : les photons. Il s’agit toujours de la même chose : la lumière, mais le modèle utilisé n’est pas le même.
Mais le processus intime de l’absorption ou de l’émission d’un photon n’est pas connu ni même étudié (ou étudiable). Un électron change de niveau d’énergie, et un photon est émis ou absorbé. Il n’y a pas d’états intermédiaires.
A+

[robertneville]

•Pourquoi on ne peut pas atteindre le zéro absolu et pourquoi y a-t-il un zéro absolu ?

Merci lori je n'y avais jamais pensé de cet angle là. Donc voudrait-ce dire que (toujours pour un gaz) il y a aussi une température qu'on ne pourra pas dépasser vu que la limite de vitesse maximale est celle de la lumière ?

•Amanuensis :
De l'énergie est-elle toujours libérée ? Par exemple pour les réactions endothermiques est ce qu'il y a libération d'énergie mais sous une autre forme ?

•LPFR :

J'ai saisis pour les champs électriques merci .

Mais pour le processus d'absorption ou émission des photons, pourquoi il n'est pas étudiable ? D'ailleurs on dit en mécanique quantique que l'observation de l'observateur modifie l'expérience. Comment c'est possible ?

[LPFR]

...
Mais pour le processus d'absorption ou émission des photons, pourquoi il n'est pas étudiable ? D'ailleurs on dit en mécanique quantique que l'observation de l'observateur modifie l'expérience. Comment c'est possible ?

Re.
L’observation modifie l’expérience dans le sens que pour savoir si un photon ou un électron passe par là, il faut leur faire agir sur quelque chose, ce qui modifie leurs propriétés (énergie, moment, direction, etc.)
Ce n’est pas comme détecter le passage d’une voiture avec une cellule photoélectrique.

Le processus d’absorption ou d’émission est un « tout ou rien », il n’y a pas de phases intermédiaires.
A+

[Deedee81]

Bonjour,

Merci lori je n'y avais jamais pensé de cet angle là. Donc voudrait-ce dire que (toujours pour un gaz) il y a aussi une température qu'on ne pourra pas dépasser vu que la limite de vitesse maximale est celle de la lumière ?

Non. Quand les vitesses deviennent énormes, il y a forcément des corrections relativistes. En particulier, l'énergie cinétique d'une particule tend vers l'infini lorsque sa vitesse tend vers 'c' (vitesse de la lumière dans le vide).

Or E = kT (aux degrés de liberté près) donc T -> l'infini aussi.

Il existe peut-être d'autres limites :
- Plus l'énergie augmente, plus des particules vont être créées, "répartissant l'énergie" par particule
Mais j'ai lu que si le nombre d'espèces de particules est fini (ce qui semble être le cas, il n'y a que trois familles de particules élémentaires), alors T peut grimper sans limite (je ne connais pas le détail de ce genre de calcul)
- Des limites liées à la gravité quantique (trop d'énergie, hop, un trou noir et tout disparait ). Mais comme on n'a pas encore de théorie de gravité quantique validée, ça reste de la spéculation.

[Amanuensis]

Il existe peut-être d'autres limites :

- Des limites liées à la gravité (...)

N'est-ce pas la "température de Planck"? quand kT égale l'énergie de Planck. (En relation avec la densité volumique d'énergie du rayonnement du corps noir, ou la longueur d'onde correspondante atteignant la longueur de Planck, ...)

[robertneville]

Deedee81 : Je ne connais pas la relation E=kT . Je suis fraichement sorti de ma Terminale S et on ne voit pas (plus) cette relation . Mais je suppose que E est une énergie qui dépend de l'énergie cinétique et que k est une constante et que donc si l'énergie cinétique tend vers + l'infini alors E aussi donc T aussi. C'est ça ?

Merci pour vos réponses.

[Deedee81]

Salut,

Deedee81 : Je ne connais pas la relation E=kT . Je suis fraichement sorti de ma Terminale S et on ne voit pas (plus) cette relation . Mais je suppose que E est une énergie qui dépend de l'énergie cinétique et que k est une constante et que donc si l'énergie cinétique tend vers + l'infini alors E aussi donc T aussi. C'est ça ?

C'est ça. L'énergie cinétique moyenne des particules (E) est égale à la constante de Boltzmann (k) fois la température absolue (T) (et fois le nombre de degrés de liberté).

C'est un truc tiré de la physique statistique (je ne sais pas si on voit ça en terminale S, je ne connais pas bien le système français).

[mach3]

Pour répondre à celle-ci :

•Peut-on littéralement toucher les choses ou alors il existera toujours un espace entre par exemple les atomes de ma main et ceux de mon clavier ? Comment se font alors les réactions chimiques ?

je peux reprendre une réponse que j'ai déjà faite il y a environ un an sur une question similaire :

"se toucher a-t-il un quelconque sens à l'échelle de l'atome?". Et bien, effectivement, ça n'a aucun sens, les notion de "se toucher" ou "d'être en contact" sont macroscopiques. Si on rapproche deux atomes, il arrive un moment où leurs nuages électroniques (chargé négativement) vont se repousser (via la force électrostatique) de manière significative et il est impossible de faire s’interpénétrer profondément les deux nuages électroniques sans faire appel à des forces colossales (voir, par exemple, le cas de la formation d'une naine blanche ou d'une étoile à neutron), un autre effet s'ajoutant à la force électrostatique : le principe d'exclusion de Pauli. Du coup, à l'échelle des forces disons quotidiennes, on peut considérer que deux atomes "se touchent" quand ils sont à une distance faible l'un de l'autre (de l'ordre de la taille des atomes, après la distance précise dépend des atomes et de leur environnement), mais il est toujours possible de les rapprocher un peu plus (ou un peu moins) en exerçant la contrainte nécessaire.

j'avais déjà du faire une meilleure réponse il y a plus longtemps, mais je ne l'ai pas encore retrouvée...

m@ch3

[Deedee81]

On pourrait adopter, à l'échelle microscopique, une notion de contact telle que : lorsque les orbitales électroniques (atomiques ou moléculaires) se recouvrent dans des régions où leur grandeur est non négligeable.

Je ne sais pas trop si ça tient la route (c'est le "non négligeable" qui me chiffonne un peu).

Bon fatigué. Journée finie. Retour. Toutou. Miam. Dodo.

Bon week end à tous,

[robertneville]

Deedee81 :

En Terminale S en physique on voit tout ça :

Thème 1: Observer - Ondes et matière
Ondes et particules

Ondes et particules, supports d'informations
Caractéristiques et propriétés des ondes
Ondes sonores
Diffraction des ondes
Interférences
Analyse spectrale
Spectres UV-visible - Spectres IR
Spectres RMN du proton (juste de la lecture de spectre)

Thème 2: Comprendre - Lois et modèles
Temps, mouvement et évolution

Quantité de mouvement - Principe d'inertie
Lois de Newton
Mouvements des satellites et de planètes
Oscillateurs et mesure du temps
Temps et relativité restreinte
Temps et évolution chimique: cinétique et catalyse

Structure et transformation de la matière

Représentation spatiale des molécules (stéréoisomérie)
Transformations en chimie organique
Réaction chimique par échange de proton

Énergie, matière et rayonnement

Transferts d'énergie entre systèmes macroscopiques
Transferts quantiques d'énergie
Dualité onde-particule

Thème 3: Agir - Défis du XXIème siècle
Transmettre et stocker de l'information

Signal analogique et numérique
Images numériques et stockage optique
Transmission d'informations

Économiser les ressources, resp environnement

Contrôle de la qualité par dosage

Synthétiser des molécules, nouveaux matériaux

Synthèses organiques

Plus de détails ici http://www.web-sciences.com/document...asse=terminale (c'est là où j'ai trouvé cela).

Sinon on a vu en thermodynamique cette année ce qu'était une transformation quasistatique et une transformation réversible mais je n'ai pas très bien compris ces deux concepts. Si quelqu'un pouvait me les expliquer je lui en serai gré .

mach3 :
C'est déjà une très bonne réponse je trouve, merci.