Décrire l’organisation de la matière dans l’Univers

Structure de l’Univers et du Système solaire

Le Système solaire se compose d’une étoile, le Soleil, et de corps célestes qui gravitent autour, dont font partie les huit planètes : Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Leurs satellites, ainsi que des corps plus petits tels que les astéroïdes et les comètes, en font également partie.

Le Système solaire est un système planétaire parmi des milliards d’autres qui composent notre galaxie : la Voie lactée.

L’Univers se compose lui-même de milliards de galaxies.

Ordres de grandeur des distances astronomiques

Les distances astronomiques n’ont rien de comparables avec les distances qui nous sont familières :

• Entre la Terre et la Lune : 380 000 km
• Entre la Terre et le Soleil : 150 millions de km
• Entre le Soleil et sa plus proche étoile (Proxima Centauri) : 40 000 milliards de km

Plutôt que le kilomètre, pour plus de facilité, on utilise souvent en astronomie une autre unité de distance, l’année-lumière (a.l.). L’année-lumière correspond à la distance parcourue par la lumière dans le vide en un an : $\rm 1 ~a.l. =$ $\rm 9,46.10^{12}~ km$ ($9 460$ milliards de km).

Les galaxies les plus lointaines sont situées à 14 milliards d’années-lumière !

Calcul de la valeur d’une année lumière

Pour calculer la valeur d’une année-lumière, ou convertir des km en années-lumière et inversement, il faut revenir à la définition de base : 1 a.l. est la distance parcourue par la lumière (à la vitesse de la lumière donc), pendant 1 an.

Données :

• $\rm v = 300~000~km/s$
• $\rm t = 1~ an = 365 \times 24 \times 3600 = 31~ 536~ 000~ s$

Calcul :

$\rm v = \dfrac {d}{t}$

$\rm d = v \times t$
$\rm d =300~000 \times 31~536~000$
$\rm d =9,46∙10^{12}~ km$

Composition de la matière observable

La matière, qu’elle soit située dans notre corps, sur la Lune ou au fin fond de l’Univers, est partout de même nature : un atome de fer, par exemple, est composé d’un noyau formé de protons et de neutrons et d’électrons qui gravitent autour de ce noyau. L’atome de fer au cœur du noyau terrestre est le même que l’atome de fer présent sur Proxima Centauri car ils obéissent aux mêmes lois physiques qui sont universelles.

Les éléments

Toute la matière autour de nous est constituée à partir d’une même centaine d’éléments invisibles à l’œil nu qui vont s’arranger différemment pour pouvoir constituer les différentes textures, couleurs et autres propriétés de la matière.

Ceci est comparable à un jeu de Lego : avec très peu de briques différentes, il est possible de construire une infinité de projets tous différents.

Ces éléments sont répertoriés dans le tableau de Mendeleïev et classés selon leurs propriétés.

Structure de l’atome

Un atome est un élément « à l’état brut ». Il est seul, électriquement neutre.

Un atome est composé d’un noyau (4) comprenant :

• Des protons (2), chargés positivement
• Des neutrons (3), électriquement neutres

Et d’électrons (1) qui gravitent autour de ce noyau, et sont chargés négativement.

Comme l’atome est électriquement neutre, le nombre de protons est forcément égal au nombre d’électrons. Par contre, le nombre de neutrons peut être totalement différent.

Dans le tableau périodique, on rencontre les éléments accompagnés du nombre de ces différents constituants :

Ainsi, le Sodium présente A = 23 et Z = 11. On en déduit que le sodium, lorsqu’il est sous forme d’atome, a :

• 11 protons (positifs)
• 11 électrons (négatifs, pour que l’atome reste électriquement neutre)
• 23 nucléons, dont 11 protons et le reste de neutrons, soit 12 neutrons.