Des atomes aux particules… et au delà: ELEMENTAIRE, MON CHER WATSON! Préparation collective: P. Aurenche, L. Gallot, J.P. Guillet, E. Pilon, E. Ragoucy, R.Taillet Chercheurs au LAPTH lapTh L’élément en physique De quoi est faite la matière ? Démocrite (400 av. J.C.): matière granulaire ATOMES • indivisibles, éternels • variables en taille, masse, forme • se combinant entre eux Vision matérialiste, mécaniste de la nature Invérifiable (à cette époque) Rejetée par Platon, Aristote Plan de l’exposé • Des « quatre éléments » à l’atome et au tableau périodique Premières définitions de l’élémentarité • De l’atome aux particules élémentaires Changement de la notion d’élémentarité • Au delà: la théorie des cordes? Une nouvelle idée de l’élémentarité l’air la terre Les 4 éléments l’eau le feu l’air la terre éléments de contrôle l’eau le feu Boyle (1627 - 1691) Éléments: Substances se combinant entre elles pour former des composés mais ne pouvant être réduites à d’autres substances plus simples Chimie naissante (1766) Oxygène Hydrogène BOUM! Argent Azote Calcium Carbone Chlore Cuivre Étain Fer Hydrogène Iode Magnésium Or Oxygène Plomb Potassium Sodium Zinc etc… L’hypothèse atomique J. Dalton (1803): Eau = Hydrogène + Oxygène = H O 2 volumes = 2 1 La matière est granulaire : elle est composée d’atomes He H2 H2 207 200,5 108 65 59 35,5 32 16 14 12 11 7 1 Plomb Mercure Argent Zinc Cobalt - Nickel Chlore Soufre Oxygène Azote Carbone Sodium Lithium Hydrogène Dmitri Ivanovitch Mendeleiev (1834-1907) Rangement des éléments selon leurs propriétés chimiques (1869) Le tableau périodique de Mendeleiev (1869) ? ? ? ? ? ? Eau = H2O ; H2S (boules puantes - œufs pourris) Sel = NaCl ; Acide chlorhydrique = HCl ? ? Le tableau périodique ième à la fin du XIX siècle Germanium (1886) Scandium (1879) Gallium (1875) ? ? ? ? ? Le tableau périodique actuel L’élémentarité en chimie • Atome: l’élément chimique • Explication des propriétés chimiques ? • Explication des masses atomiques ? • Liste longue et régularité ? Puissances de 10 1 mm (millimètre) = 10-3 m (mètre) 1 cheveu = 10-2 mm = 10-5 m (il faut 100 cheveux côte-à-côte pour couvrir 1 mm) 1 atome d’hydrogène = 10-7 mm = 10-10 m (il faut 10 millions atomes côte-à-côte pour faire 1 mm) (Remarque: la tome de Savoie = 102 mm) L’expérience de Rutherford (1912) Sonder l’atome ? Résultat : L’atome est composé e e e e e e e atome : 10-10 m •Un noyau central (+) •Des électrons (-1) répartis en couches •Le tableau de Mendeleiev est expliqué (numéro atomique, propriétés chimiques, …) noyau : 10-14 m Le noyau est composé e e e e noyau: 10-14 m e e e •Deux particules ingrédients : le proton (+1) et le neutron (0) •Bonus : masses atomiques expliquées Les quarks u (+ _23 ) u proton (10-15 m) neutron (10-15 m) d (- _13) u d +1 = 2 2 1 +_ +_ - _ 3 3 3 u d 0= d 2 1 1 +_ - _ - _ 3 3 3 Équivalence masse-énergie •De la masse peut donner de l’énergie mc2 = E •De l’énergie peut donner de la masse : E = mc2 De nouvelles particules (depuis 1930) Le muon m, ... les quarks s (étrange), c (charmé), b (beau), … Les neutrinos (électroniques, muoniques, ...) (liste non-exhaustive) Ces particules • Ne sont pas des sous-constituants de la matière ordinaire • Ne sont pas composées Comment les classer ? En utilisant leurs interactions Interactions Électromagnétique Nucléaire forte u u e e d e e e e Nucléaire faible n d u d u u d e e Gravitation ... e Particules de matière charge interaction électrique forte leptons nt 0 t -1 m e u quarks n ne d m 1 10 20 c s 210 3600 t 3000 350 000 400 b9400 Désintégration du neutron : + 2/3 d u d d u d sensibles - 1/3 e Découverte du quark t (1995) insensibles e n e ne ne ne w e w w w u u d u d u u d u d u d Particules messagères Électromagnétisme photon g Interaction faible bosons W+, W-, Z0 Interaction forte 8 gluons g 0 200 000 0 • Comment expliquer les masses ? • Pourquoi trois interactions ? • Pourquoi trois familles ? Une possibilité : les cordes Élément = corde • Particules = mode de vibration (matière ou messagère) • Masse = fréquence de l’harmonique Bonus : interaction gravitationnelle ! Cordes et monde réel • 10 dimensions et non pas 4 • les particules et interactions ne sont pas exactement celles observées Rendre 6 dimensions très petites Le choix est vaste ! Conclusion Particules élémentaires (aujourd’hui) Chimie électrons Atomes neutrons protons quarks u, d Autres particules : Aller au delà : une possibilité, les cordes ? Décider entre ces possibilités : besoin d’informations * accélérateurs de particules (LHC au CERN, 2007) * données cosmologiques - matière - interactions