La matière

►  Six siècle avant J. C :

-  Les philosophes grecs avaient déjà émis l’hypothèse que la matière était constituée d’un petit nombre de briques élémentaires combinées entre elles de diverses façons.

-  La notion d’atome, corps insécable,  avait été formulée par Leucippe, puis par Démocrite.

►  XVIII^ème siècle :

-  Cette hypothèse n’est réapparue qu’au XVIII^ème siècle avec Galilée et Robert Boyle.

-  L’atome ou élément chimique, entité qui ne peut être décomposée par aucun procédé chimique a été défini au XVIII^ème siècle par Antoine Laurent de Lavoisier (il a répertorié une trentaine d’éléments chimiques).

-  En 1869, Dimitri Ivanovitch Mendeleïev remarque que les propriétés chimiques des soixante-cinq éléments chimiques alors connus et classés suivant les valeurs croissantes de leur poids atomiques faisaient apparaître une certaine périodicité (Tableau de Mendeleïev).

►  Au début de XX^ème siècle :

-  Le tableau de Mendeleïev comportait 90 éléments chimiques naturels et quelques éléments chimiques artificiels instables crées en laboratoire.

Classification périodique réduite.

 La classification périodique

TP sur la classification périodique :

-  Avant la première guerre mondiale (vers 1910) :

-  Les travaux de Joseph J. Thomson, Frédérik Soddy, Jean Perrin et Henry G. J Moseley ont affinés la structure de l’atome.

L'atome

Modèle de l’atome :  L'atome  : De l'atome à l'élément chimique ;

Structure des Atomes

►  L’atome est constitué :

-  d’un noyau formés de protons et de neutrons ;

-  autour de ce noyau « gravitent », Z charges négatives ou électrons.

-  Le noyau de A nucléons est composés de Z charges positives.

-  Modèle planétaire de l’atome :

-  Modèle probabiliste :

-  Caractéristiques des constituants d'un atome  :

-  Les expériences de Marie Curie, Joseph J. Thomson et Ernest Rutherford ont permis de mettre en évidence l’existence d’isotopes.

►  Vers 1935,

-  La matière est faite de protons, de neutrons, d’électrons et de vide.

►  1993 :

-  Les constituants élémentaires de la matière sont :

-  L’électron e^–

-  Le quark d (down : bas)

-  Le quark u (up : haut)

-  Le proton est formé de deux quarks u et d’un quark d

-  Le neutron est formé d’un quark u de de deux quarks d.

Remarque :

-  En fait, les quarks u et d et l’électron e^– ne sont pas les seuls constituants fondamentaux de la matière.

-  Il y en a plusieurs autres :

-  L’électron a deux cousins le muon et le tau et à chacun de ces éléments est associé un neutrino.

-  Ces six particules sont appelées leptons.

►  Les Leptons :

-  Ces six particules, appelées leptons, n’ont pas de « couleur ».

-  Elles sont donc insensibles à la force qui lie les quarks entre eux.

►  Les quarks :

-  Par ailleurs, il existe plusieurs types de quarks : 6 quarks

-  Le quark est une particule élémentaire sensible à l’interaction forte.

-  Les quarks forment les hadrons.

-  Les quarks b, c, s et t sont plus lourds que les quarks u et d.

-  Ils se désintègrent rapidement en quarks plus légers u et d.

-  Les quarks b, c, s et t ne sont donc pas des constituants élémentaires de la matière au sens propre.

-  Le quark t n’a pas encore été mis en évidence car sa masse probable est de l’ordre de 150 GeV / c².

-  Le spin :

-  Le spin est le moment angulaire intrinsèque de la particule.

-  C’est une propriété qui vient du fait que la particule tourne sur elle-même.

Interactions fondamentales.

Cohésion de la matière.

►  Particules élémentaires et champ de forces.

-  Les particules élémentaires présentent aussi des propriétés internes qui précisent la façon dont elles peuvent créer un champ de forces particulier et y répondre.

-  On en distingue quatre :

-  La charge qui caractérise la réponse de la particule aux interactions électromagnétiques.

-  La saveur qui permet de préciser la façon dont la particule répond aux interactions faibles.

-  La couleur qui détermine les propriétés vis-à-vis des interactions fortes.

-  La masse qui caractérise l’interaction gravitationnelle.

►  Interactions entre les particules :

-  Les particules élémentaires interagissent entre elles par l’intermédiaire de forces.

-  Il y a quatre types d’interactions :

   L’interactions électromagnétique

-  Elle permet la structure de l’atome en contrôlant la dynamique des électrons liés au noyau.

-  Elle agit sur la charge sans la changer.

-  Elle affecte uniquement les particules chargées, mais n’agit pas sur la saveur et la couleur.

   L’interaction faible

-  Elle agit sur la saveur.

-  Elle peut changer la charge.

-  Cette force peut changer un quark u en un quark d ou un électron en neutrino.

-  Elle peut distinguer la saveur sans la charger.

-  Dans ce cas, elle ne change pas la charge.

 La radioactivité

Radioactivité et réactions nucléaires

La radioactivité : document CEA

   L’interaction forte :

-  Elle distingue la couleur d’une particule et elle peut la changer.

-  Elle ignore la charge et la saveur.

-  Elle n’affecte pas les leptons.

  La gravitation :

-  Elle est aussi présente.

-  Mais lorsque d’autres interactions se manifeste, elle devient tout à fait négligeable.

  En résumé :

-  Les particules élémentaires interagissent par l’intermédiaire de champs.

-  Les champs ont une forme quantique qui associe la force due à la présence d’un champ à un échange de particules qui sont les quanta du champ.

-  Les différents quanta forment la famille des bosons fondamentaux.

►  La famille des bosons fondamentaux :

-  La famille des bosons inclut des particules élémentaires :

-  les photons, les gluons,

-  les bosons Z et W ;

-  le boson de Higgs (découvert en 2012),

-  et le graviton (théorique).

-  Cette famille comprend aussi :

-  des particules composites : les mésons

-  les noyaux qui ont un nombre de masse pair comme le deutérium, l'hélium 4 ou le plomb 208…

  Pour l’interaction électromagnétique :

-  Elle est associée à l’échange de photons.

-  Les particules chargées (les électrons) interagissent en échangeant des grains le lumière :

-  Les photons.

  Pour l’interaction faible :

-  Elle correspond à l’échange :

-  D’un boson W⁺ ou W^– chargé si elle change la charge ;

-  D’un boson Z neutre si elle ne change pas la charge.

-  Ceci entre les quarks et les leptons.

-  Ces particules chargées sont très massives, de l’ordre de 100 fois la masse du proton.

-  C’est cette masse importante qui est responsable de leur manifestation modeste à basse énergie.

-  L’interaction faible résulte de l’existence de bosons intermédiaires W⁺, W^– et Z, analogues aux photons, mais très lourd et de durée de vie inférieure à 10^–24 s.

-  Ces bosons W et Z ont été mis en évidence au CERN en 1983.

-  Les interactions faibles sont au contraire les seules à pouvoir changer la nature d’une particule, en transmutant, à l’intérieur d’un même doublet de saveur un quark d en quark u ou un électron en neutrino.

-  Cela s’accompagne de l’émission ou l’absorption d’un boson chargé W⁺ ou W^–.

-  En absence de changement de saveur, la particule émise ou absorbée peut aussi être un boson neutre Z.

-  Les bosons W et Z ainsi émis peuvent être aussitôt absorbés par d’autres leptons ou quarks.

  Pour l’interaction forte :

-  Elle lie les quarks (colorés) en hadrons (blanc) en échangeant des gluons.

-  Elle est insensible à la saveur mais elle agit sur la couleur.

-  Chaque quark existe en trois couleurs possibles et possède la faculté de changer de couleur par émission ou absorption de particules analogues aux photons : les gluons.

-  Il existe 8 variétés de gluons correspondant aux 9 combinaisons couleur–anticouleur, sauf la combinaison blanche.

-  L’interaction forte est due à des échanges de gluons entre les quarks.

-  Les quarks se répartissent en 3 doublets de « saveur ».

-  Ils sont porteurs d’une caractéristique supplémentaire appelée couleur.

-  C’est cette caractéristique qui leur permet d’échanger entre eux des gluons et les rend sensibles aux interactions fortes.

-  Remarque : le 6^ème quark t (top) reste à découvrir.

-  Quarks et gluons ne peuvent pénétrer le vide.

-  Leurs escapades donnent de spectaculaires jet de hadrons.

-  On n’observe jamais de quark mais un jet hadronique.

-  La pénétration du vide leur coût environ 1 GeV par fermi (10^–15 m)

-  Cette énergie stockée dans le vide se matérialise sous forme de particules et d’antiparticules et en particulier de mésons π dont la masse est de 0,14 GeV / c².

-  Les mésons π, étant neutre vis-à-vis de la couleur, peuvent se déplacer dans le vide.

-  Méson π : il est formé d’un quark et d’un antiquark.

-  Les quarks sont bien là, mais on ne les « voit » pas.

   Pour l’interaction gravitationnelle :

-  Une hypothèse :

-  La gravitation est liée à l’échange de gravitons.

-  Les particules massives interagissent en échangeant des gravitons.

-  Le graviton : particule de masse nulle, neutre, de spin double de celui du photon.

-  Les physiciens n'ont pas réussi à décrire la gravitation dans le cadre d'une théorie quantique des champs.

-  Une des spécificités embarrassantes de l'interaction gravitationnelle est que l'équivalent du photon – le graviton – doit avoir un spin double de celui du photon.

-  Elle s'exerce sur toutes les particules massives car elle s'applique à la masse.

-  Elle est toujours attractive.

-  Sa portée est infinie.

-  La gravitation est la plus faible des quatre interactions fondamentales de la physique

-  Elle devient dominante pour l’étude du système solaire.

-  La gravitation n'est donc pas du tout prise en compte par la physique des particules.

-  Son action est totalement négligeable à l'échelle des particules élémentaires.

Ouverture au monde quantique

Mouvements des satellites et des planètes.