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Les dialogues sur la physique-chimie
appliquée aux arts

Chapitre XX

Les échelles

Quelques points de repère

Ce chapitre des Dialogues de Dotapea est une discussion entre Jean-Louis, physico-chimiste au CNRS, et un candide, Emmanuel..

Espaces matériels, interactions, vides, à quelles dimensions avons nous affaire ? Ce chapitre essaye de donner la mesure de phénomènes existants essentiels.

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Emmanuel : On a parlé des dimensions des atomes et des molécules lorsque l'on a abordé le sujet des métamatériaux [lire passage], mais qu'en est-il des espaces entre ces corps ?

Jean-Louis : Un atome c'est 10^-10 mètres (1 angström, 0,1 nanomètre). Entre deux atomes de carbone dans une liaison normale il y a encore environ 10^-10 m. Une molécule moyenne, du genre de celles qui font les membranes de tes cellules, c'est 25´10^-10 m de longueur maximale. Entre deux molécules il y a aussi environ 10^-10 m.

Emmanuel : C'est très serré !

Jean-Louis : La matière a horreur du vide. Mais un atome, c'est surtout du vide. L'image classique est : "un atome c'est quelques mouches dans une cathédrale". Si il n'y avait pas de vide dans les atomes, le genre humain tiendrait dans un dé à coudre.

Emmanuel : Peux-tu donner des exemples de diamètres de noyaux atomiques, de nucléons, de quarks et de gluons, et des espaces entre ces composants ?

Finalement est-ce que c'est aussi « plein de vide » du côté du noyau ?

Jean-Louis : Non, le noyau est TRÈS dense. Les étoiles dite "à neutrons" sont des étoiles dont les atomes ont collapsé [se sont effondrées] et qui ont atteint la densité "ultime", celle du noyau ou de ses constituants. Les électrons ne sont pas censés avoir une taille.

Emmanuel : On peut avoir une masse sans avoir une étendue ? Mais alors à quoi correspond l'étendue ?

Jean-Louis : On ne sait absolument pas ce que sont les électrons ni de quoi ils sont faits. A priori on ne leur a jamais trouvé de structure interne, et on ne connaît au mieux qu'une limite de taille.

Emmanuel : Tu veux dire une limite théorique ? De quel ordre ?

Jean-Louis : Plus petit qu'un quark ? Il n'y a pas de théorie pour la taille de l'électron, à ma connaissance. Wikipédia dit "inférieur à 10^-18m".

Emmanuel : Ce qui ne les engage pas beaucoup.

Jean-Louis : Les quarks, qui sont ce que l'on "connaît" de plus petit font selon les sources de "moins de 10^-18 mètres" à 10^-30 mètres. donc au minimum mille fois moins qu'un nucléon. En fait je ne pense pas qu'on puisse leur donner une taille, sachant qu'ils n'existent pas isolément, seulement liés par trois dans les nucléons. On n'a jamais "vu" de quark isolé.

Au passage, on ne connaît pas non plus la taille des photons.

Emmanuel : Et les gluons ?

Jean-Louis : Aucune idée.

Par ailleurs, neutrons et protons font de l'ordre de 10^-15 m. 10^-15 m,  ça s'appelle un Fermi. 10^-10 m c'est un Angström.

Emmanuel : D'accord.

Dans ce dernier cas (l'angström, l'électron), est-ce que ça a un rapport avec cette question de compressibilité ou d'incompressibilité que l'on a évoquée à propos des phases de la matière ?

Jean-Louis : Oui. La limite de compressibilité c'est quand deux molécules se touchent par l'intermédiaire de leurs nuages électroniques. Les charges de même signe se repoussent. Les forces électrostatiques sont très puissantes. Si tu prends deux petites billes d'aluminium de 1 gramme, distantes de 1 mètre, et que dans chaque bille tu enlèves un électron à 1 atome sur 10 millions, tu as une force répulsive d'un millier de tonnes entre les billes.

Emmanuel : Fichtre ! Mais pourtant, c'est plutôt commun un arrachage d'électron, non ?

Jean-Louis : C'est très commun et très facile, mais les étincelles de plusieurs centaines de volts qu'une jolie fille provoque en enlevant son pull ne sont le fait que de quelques molécules par-ci par-là.

Emmanuel : Comment se fait-il que de telles forces ne nous détruisent pas ?

Jean-Louis : Non seulement elles ne te détruisent pas, mais elles te construisent! Les forces électrostatiques font entre autres la cohésion des atomes, c'est la force qui attire les électrons vers  le noyau. Dans la vie ordinaire, la matière est très très peu ionisée. Même si on essaie de le faire volontairement, on n'ionise que très peu d'atomes.

Emmanuel : Quelles interactions cela met en jeu ?

Jean-Louis : Il n'y a pas d'interactions électrostatiques dans la vie de tous les jours. Tout est quasi-neutre.

Emmanuel : Il y a quelque chose que je n'arrive pas à bien comprendre. On arrache deux électrons à deux boules d'aluminium et ça crée une force phénoménale. Dans le cas du pull, heureusement la jolie fille ne subit pas une pression de mille tonnes.

Est-ce que tu peux expliquer pourquoi ?

Jean-Louis : On enlève un électron sur 10 millions à chaque bille. Il y a quand même 10²² atomes d'aluminium par bille. Un sur 10 millions, ça n'a l'air de rien mais ça fait du monde.