Initiation à l`atomistique

ATOMISTIQUE, CHIMIE, PHYSIQUE DES PARTICULES : initiation
Pascal CHASSANG pour le club OCTAN – 13.12.2002 - 10.01.2003 - 07.02.2003 - 04.04.2003
C’est peut-être l’exposé le plus pointu que nous ayons fait.
Je vais essayer de parler lentement.
Je vous conseille fortement de prendre des notes.
Il y a pas mal de vocabulaire : je vais pointer à chaque fois les mots les plus importants.
Surtout, interrompez-moi tout de suite si vous ne comprenez pas quelque chose !
Introduction : la matière
Quels sont les 3 états ? solide, liquide, gazeux
Qu’est-ce qui fait la différence entre ces 3 états ? Leur densité = les briques qui constituent la matière sont plus ou moins espacés
Ces briques, ce sont quoi ? Les atomes (science physique : atomistique, physique nucléaire) et les molécules (science chimie : minérale,
organique, cinétique, analytique, biochimie, thérapeutique)
Atome = la plus petite partie d’un corps simple (exemple l’oxygène)
Molécule = la plus petite partie d’un corps composé (exemple l’eau)
I. Atomes
a) Commençons par les atomes : ce sont les briques élémentaires de toute la matière, ou les éléments
On connaît une centaine d’éléments : chacun 1 exemple
Ils ont tous une masse différente
Ils ont tous des propriétés différentes
Les physiciens les ont classés et numérotés en fonction de leur masse : c’est la célèbre classification périodique des éléments ou table de
Mendeléev
Le numéro est le numéro atomique : exemple du carbone (6), de l’oxygène (8), du fer (26)
Chacun a un symbole : exemples
Et dans cette table, on remarque que les éléments d’une même colonne ont des propriétés analogues, on dit qu’ils sont de la même famille.
b) Rentrons dans le détail de la constitution d’un atome :
Un atome est constitué de quoi ? Un noyau et des électrons qui tournent autour (dessin)
Le noyau est constitué en général de protons et de neutrons
L’électron a une charge électrique négative
Le proton a une charge électrique positive
Le neutron n’a pas de charge électrique, il est neutre
Electrons, protons et neutrons sont des particules
Et toute la variété de tous les corps et de tout le vivant ne vient que de l’arrangement de ces 3 particules élémentaires seulement !
Incroyable autant de variété avec seulement 3 briques différentes !
c) Lien avec la table de Mendeléev :
C’est le nombre de protons qui fait au départ la différence entre chaque atome
L’atome d’hydrogène a 1 proton
L’atome d’hélium a 2 protons
L’atome de carbone (6)
L’atome d’oxygène (8)
L’atome de fer (26)
Il y a autant d’électrons que de protons, ainsi chaque atome est neutre
Et il y a en général autant de neutrons que de protons, mais pour chaque élément, il peut y avoir des variantes, c'est-à-dire que le nombre
de protons est identique mais que le nombre de neutrons est différent. On appelle ça des isotopes : chaque élément a autant d’isotopes que
de possibilités d’avoir des nombres de neutrons différents.
Exemple de l’atome d’hydrogène : 1 P + 1 e- qui a un isotope, le deutérium (1 P + 1 e- + 1 N)
Exemple du carbone 14 (6 P + 6 e- + 8 N) contre (6 P + 6 e- + 6 N) pour le carbone 12, normal
Ensuite vous voyez sous le symbole de l’élément, un nombre, c’est la masse atomique de chaque élément = la somme du nombre de protons et
de neutrons.
Vous voyez ainsi que l’on peut connaître le nombre de neutrons de chaque élément en faisant une soustraction. Exemple de l’hélium (2 N), du
fluor (10 N)
Cette masse atomique correspond donc pratiquement à la masse réelle de chaque atome (un électron pèse beaucoup moins lourd qu’un proton
ou un neutron et est négligeable en comparaison), en considérant la masse de l’hydrogène pour 1.
Combien pèse un atome de carbone par rapport à un atome d’hydrogène ? (6 x)
Combien pèse un atome d’oxygène par rapport à un atome d’hélium ? (4 x)
II. Molécules
Ce sont les électrons qui permettent aux atomes de s’accrocher entre eux, plus ou moins facilement en fonction de leurs propriétés. Ainsi ils
se combinent de différentes manières et forment des corps composés (ou molécules) aux propriétés toutes différentes.
[sortir la classification périodique des éléments]
1. Liens entre les atomes
a) Orbitales
On a vu que les électrons se trouvaient autour des noyaux atomiques, mais qu’on ne peut pas savoir où à un instant donné. On définit un
volume, à l’intérieur duquel la probabilité de présence de l’électron est de 95 %. Ce domaine de probabilité de présence est appelé orbitale.
Chaque orbitale a une forme et une orientation. Les atomes vont « s’accrocher » par leurs orbitales pour constituer les molécules, en mettant
en commun leurs électrons.
Exemple des orbitales atomiques de l’hydrogène et du carbone [p8]
Exemple de l’orbitale moléculaire du méthane [p8]
b) Valence
Ce qui fait que chaque atome, du fait de ses propriétés électroniques, a une propriété fondamentale, la valence = le nombre d’autres
atomes auxquels il est capable de se lier pour former une molécule.
- hydrogène : 1
- oxygène : 2
- azote : 3
- carbone : 4
c) Illustration avec les formules brutes et développées : exemple du méthane et de l’éthanol
2. Les molécules organiques
2
La chimie organique : c’est la chimie du carbone unie à l’hydrogène, c'est-à-dire que les atomes de base de ces molécules sont le carbone et
l’hydrogène. C’est la chimie du vivant, qui utilise principalement les atomes de carbone et d’hydrogène donc, mais aussi d’oxygène et
d’azote.
a) Le plus simple : les alcanes (hydrocarbures saturés aliphatiques)
- méthane / éthane / propane / butane / pentane / hexane / heptane / octane / décane
[importance de la nomenclature, toujours logique]
- squelette carboné : chaînes droites / chaînes ramifiées (isomérie de position [p68], différent de l’isomérie de constitution et de l’isomérie
optique ou chiralité) / cycles (cyclohexane, méthylcyclohexane [p75])
b) Les alcènes (double liaison : hydrocarbures éthyléniques)
- « éthène » (éthylène) / « propène » (propylène) / pentène
- vinyle [p79]
c) Les alcynes (triple liaison : hydrocarbures acétyléniques)
- « éthyne » acétylène / propyne / pentyne
e) Les aromatiques (benzène, toluène, xylène : ortho / méta / para [p96], styrène [p110])
d) Combinaisons [p3] et pétrole [p75]
f) Notion de groupement fonctionnel
Le greffage sur un squelette carboné d’atomes ou de groupements d’atomes (OH, NH 2, CO [p3]) entraîne des propriétés physicochimiques
caractéristiques qu’on appelle fonctions. Ces atomes ou groupements d’atomes sont appelés des groupements fonctionnels.
[faire à part un tableau des fonctions éthylénique, acétylénique, alcool, carbonyle, acide, amine, amide qu’on retrouvera plus loin [p4].]
g) Dérivés halogénés : un ou plusieurs atomes d’halogène (fluor, chlore, brome, iode) remplacent un ou plusieurs atomes d’hydrogène
- chloro-2 butane [p111]
- chlorure de vinyle [p115]
h) Organométalliques : un atome de carbone est directement lié à un atome de métal (organomagnésiens, lithiens, cadmiens, zinciques)
- bromure de méthylmagnésium [p121]
i) Alcools : renferment le groupement COH
- méthanol / éthanol / propanol / butanol / phénol (thymol, tyramine, stéroïdes oestrogènes)
j) Ethers-oxydes : C-O-C
- éther éthylique / butoxypentane / anisole [p151-2]
k) Thiols (C-SH) et sulfures organiques (C-S-C)
l) Dérivés nitrés : un ou plusieurs groupements NO2 remplacent un ou plusieurs atomes d’hydrogène
- TNT [p102]
m) Amines : C-N
- ammoniac / butylamine / aniline [p168]
n) Groupement carbonyle : aldéhydes et cétones [p194]
- formaldéhyde = formol
o) Acides carboxyliques : carboxyle
3
- acides formique (méthanoïque), acétique (éthanoïque, vinaigre), propionique (propanoïque), butyrique (butanoïque), laurique
(dodécanoïque) [p217]
- 2 R-OH + O2  2 R-C-HO + 2 H2O
- 2 R-C-HO + O2  2 R-COOH
p) Halogénures d’acides, anhydrides d’acide, esters, amides, nitriles [p227-41], acides sulfoniques
q) Stéroïdes, terpènes, naphatalène, anthracène, cyclines, polyols, glycols, époxydes, glycérol, polyphénols, quinones, acides plurifonctionnels
r) Glucides (oses), lipides (esters d’acide gras et de glycérol, triglycérides, savons), protéines (acides aminés, peptides)
s) Hétérocycles, urée, bases, nucléosides, nucléotides, ADN, ARN,…
3. Les « molécules minérales », ions (atomes, mais aussi molécules), sels et cristaux
III. Physique des particules
1. Fermions et Bosons
Le principe d’exclusion de Pauli (loi fondamentale de la physique quantique, 1925) clive le monde des particules en deux camps bien séparés :
- D'un côté, les particules qui s'excluent mutuellement (elles ne peuvent pas être au même endroit en ayant exactement les mêmes
propriétés). Ce sont les FERMIONS (du nom du physicien italien Enrico Fermi). L'électron, les nucléons (proton et neutron) sont des fermions.
Ce sont des "vraies" particules de matière. A noter que tous les fermions ont des spins de valeur demi-entière.
- De l'autre côté, les particules qui sont capables de se rassembler à plusieurs dans le même état physique. Ce sont les BOSONS (du nom du
physicien indien Satyendranath Bose). Le photon est un boson. (Un ensemble de photon dans le même état constitue ce qu'on appelle un
rayon laser.) Ce sont des particules médiateurs des 4 forces fondamentales de la nature. A noter que tous les bosons ont des spins de valeur
entière.
Chaque particule possède un certain nombre de propriétés propres qui forment "l'état de la particule" : la masse au repos, la charge électrique (+1 pour le proton, -1
pour l'électron, 0 pour le neutron), la position, la vitesse, le spin (correspond à la rotation de la particule sur elle-même).
2. Les quarks
Jusqu'en 1964, on croyait qu'il n'existait que trois particules élémentaires constitutives de l'atome : l'électron, le proton et le neutron.
Cependant, de nombreuses particules instables (de durée de vie de l'ordre de 10-23 secondes) avaient été détectées soit dans le rayonnement
cosmique, soit dans les chocs de haute énergie créés dans les accélérateurs de particules construits après la guerre de 39-45.
Les accélérateurs de particules, encore nommés collisionneurs, sont d'énormes machines très onéreuses qui peuvent atteindre plusieurs dizaines de kilomètres de
longueur. Le but est d'y accélérer des particules chargées (électrons, protons, ions) à des vitesses frôlant celle de la lumière ! L'énergie atteinte par ces particules est
énorme (vu leur vitesse) et des particules sondes sont ainsi projetés sur des particules cibles : cela permet d'étudier les conséquences des chocs ainsi provoqués.
L'énorme énergie de ces chocs peut être convertie en de nouvelles particules. Plus l'énergie de collision est élevée, plus les nouvelles particules créées seront massives et
renseigneront les physiciens sur les constituants ultimes de la matière.
Ce n'est qu'en 1975 que les quarks furent détectés expérimentalement. Ce sont les composants des nucléons. Il en existe deux types dans la
matière ordinaire up et down.
quark up
(symbole = u)
charge électrique Q = +2/3
quark down (symbole = d)
charge électrique Q = -1/3
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Pourquoi des charges Q ainsi fractionnaires ? C’est parce que les nucléons sont toujours formés de 3 quarks.
NUCLEON :
QUARKS :
CHARGE Q :
proton
u+u+d
+2/3+2/3 -1/3 = +1
neutron
u+d+d
+2/3 -1/3 -1/3 = 0
On se souvient du vide qui constitue la matière : si la taille d’un atome d’hydrogène était rapportée à 100 m de diamètre, le noyau au centre
ferait 1 mm et l’électron à 50 m ferait 1 µm…
Et bien c’est encore pire dans le nucléon : ce n’est que du vide ! Si la taille du nucléon était rapportée à celle du soleil, les 3 quarks qui le
constituent seraient 3 virus dans un vide immense !
Les quarks sont liés entre eux par une force appelée force d’interaction forte, ou nucléaire. Cette force est aussi responsable de l’attraction
à courte distance entre protons et neutron, véhiculée par l’échange de particules vectrices, les mésons pi ou pions.
Ils ont une propriété unique : ils sont incapables d'exister seuls, non accompagnés ! Il est absolument impossible d'observer un quark isolé ;
les quarks ne peuvent s'agréger que de deux manières différentes et ne donner ainsi que deux familles de particules composites :
Les BARYONS, qui sont toujours formés d'un triplet de quarks.
Les baryons les plus courants sont les NUCLEONS.
La famille des HYPERIONS regroupe d'autres triplets formés de quarks plus exotiques et plus lourds que ceux des
nucléons (d'où l'origine du mot baryon, du grec "barus" = lourd), désignés par des lettres grecques (particules
lambda, sigma, delta, etc...).
Les MESONS, qui sont des paires de quark et d'anti-quark. Ces particules très instables sont également désignées
par des lettres grecques (pions, kaons, êta...). Ce sont des particules vectrices.
3. Le neutrino et le positon ou positron
Cette particule fondamentale fut "inventée" en 1930 par Wolfgang Pauli pour expliquer le mécanisme de la radioactivité Bêta :
Un neutron se transforme  en un proton en émettant un électron (rayon bêta -) et une autre particule mystérieuse que le physicien
italien Enrico Fermi baptisa en 1933 "antineutrino" (ce qui signifie en italien "petit neutron").
Un proton se transforme  en un neutron en émettant un positon ou anti-électron (rayon bêta +) et un neutrino.
La force qui maintient liées entre elles ces trois particules est la force d’interaction faible. C’est la force qui régit les réactions
thermonucléaires.
Le neutrino a une charge nulle et il est 50.000 fois plus petit qu'un électron. Sa masse extrêmement faible n'a été détectée que le 5 Juin
1998 au Japon ! Cette particule discrète n'interagit que très peu avec la matière : Il ne faudrait pas moins qu'une épaisseur d'une annéelumière de plomb pour arrêter la moitié des neutrinos qui tenteraient de la traverser ! Les neutrinos sont abondamment produit par les
étoiles dont notre Soleil : à chaque seconde, des centaines de milliards de neutrinos solaires peuvent traverser la Terre et notre corps sans
subir le moindre choc ! D'où la difficulté extrême à les détecter. [p60]
5
La mesure de la masse du neutrino pourrait avoir une importance capitale pour le destin de l'Univers : selon le modèle cosmologique actuel, l'univers est né d'une
gigantesque explosion, le Big Bang. Il va ainsi continuer à se diluer indéfiniment à moins qu'il n'ait suffisamment de masse pour pouvoir se re-contracter en un Big
Crunch. Cette masse manquante de l'Univers pourrait se trouver dans les neutrinos très nombreux du Cosmos. Voilà comment une particule infiniment petite peut avoir
un pouvoir énorme sur le destin de l'infiniment grand !
Le neutrino et l'électron, particules légères, sont regroupés dans la famille des LEPTONS (du grec "leptos" = léger).
4. Synthèse préliminaire des familles de particules
Les deux leptons et les deux quarks u et d sont donc les briques de notre monde habituel.
Neutrinos et mésons sont le ciment des nucléons.
Les 2 principales sous-familles de particules qui constituent notre matière courante :
Les QUARKS (particules lourdes) UP et DOWN
Les LEPTONS (particules légères) ELECTRON et NEUTRINO électronique
Les leptons n’ont pas de charge de couleur, tandis que les quarks ont des charges de couleur : R, V, B.
Le rayon alpha est constitué d’hélions : 42hélium.
Le rayon bêta est constitué d’électrons (bêta -) ou de positons (bêta +).
Le rayon gamma est constitué de photons de haute énergie.
Rappelons aussi qu’il est aussi possible de faire une grande subdivision entre particules actrices et particules vectrices.
5. L’anti-matière
A chaque particule correspond une antiparticule symétrique, avec une charge opposée. Ainsi l’antimatière est constituée d'antiparticules :
les anti-quarks, les anti-électrons, les antineutrinos.
Toutes les particules sont caractérisées par des propriétés quantifiées par des nombres quantiques : par exemple la charge électrique Q et le
nombre de spin J, mais aussi d'autres grandeurs aux noms aussi ésotériques que le nombre baryonique B, le nombre leptonique L, l'isospin T,
l'étrangeté S, l'hypercharge Y ou le charme C ! Une antiparticule est donc une particule de nombres quantiques opposés.
C'est en 1927 que Paul Dirac imagina (comme solutions mathématiques à une équation qui porte son nom) l'existence d'antiparticules. En
1932, l'américain Carl Anderson détecta quelques anti-électrons (baptisés positrons car de charge Q positive) parmi les particules produites
par l'impact du rayonnement cosmique sur l'atmosphère. L'analyse de ce rayonnement cosmique en altitude a été longtemps pour les
physiciens le seul moyen pour étudier et découvrir de nouvelles particules. Il fallut attendre les années 1950 pour reproduire ce type de
rayonnement très énergétique dans les accélérateurs.
On appelle rayonnement cosmique un flux de particules (électrons, protons, ions) très rapides et donc très énergétiques qui provient de l'espace profond. Ces flux ont
pour origine de très lointaines supernovae. Une supernova est une étoile massive qui termine sa vie en une gigantesque explosion qui émet en quelques semaines une
lumière aussi puissante qu'une galaxie contenant plusieurs milliards d'étoiles. Une telle explosion crée une onde de choc dans le milieu interstellaire (rempli de gaz et
de champ magnétique), et joue donc le rôle d'accélérateur naturel de particules chargées électriquement.
L'antiproton a la même masse que le proton, mais il a une charge Q négative.
L'antineutron a la même charge Q nulle que le neutron, mais le nombre baryonique de l'antineutron est -1 alors que celui du neutron vaut
+1.
L'anti-électron ou positron a une charge Q positive.
Les anti-quarks u et d sont notés avec une barre placée sur le nom des particules.
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Ces antiparticules peuvent s'assembler. Ainsi le 4 janvier 1996, Le CERN de Genève annonçait la fabrication de neuf atomes d'antihydrogène.
Par contre, si une particule rencontre son antiparticule, leurs deux masses se convertissent intégralement en énergie (de type rayons
gamma) : c'est le phénomène de l'annihilation que les physiciens peuvent reproduire dans les collisionneurs. Il s'agit d'ailleurs du seul
phénomène où toute une masse est transformée totalement en énergie selon la célèbre formule d'Einstein E=mc2.
Cette énergie colossale dégagée par une telle rencontre particule - antiparticule peut rapidement se retransformer en d'autres particules
massives : c'est le phénomène inverse de matérialisation de l'énergie.
Cela explique pourquoi il n'y a pas d'antimatière dans notre environnement de matière : toute trace d'antimatière serait annihilée au
moindre contact de notre monde. Il semble bien d'ailleurs que notre Univers tout entier ne soit composé que de matière.
Comment imaginer un nucléon ? (par Etienne Klein)
Au centre de l'atome, au sein du noyau, on devine une sarabande de protons et neutrons. Collés ensemble par des forces puissantes, ils s'agitent violemment en tous
sens. Dans chaque proton, dans chaque neutron, une autre danse : trois quarks, toujours trois, agités d'un mouvement formidablement rapide. Au cours de chocs d'une
violence terrible, il arrive que l'énergie de ces quarks se transforme en matière ; une paire de particules nouvelles jaillit alors : un quark et un anti-quark. A l'inverse,
quand un quark et un anti-quark se rencontrent, ils se détruisent mutuellement et se transforment en énergie. Et ainsi de suite : quarks et anti-quarks apparaissent,
se rencontrent, disparaissent au cours de fugitives catastrophes qui se répètent incessamment. Curieusement, un certain ordre règne dans ce chaos frémissant : en
effet, il y a toujours, en chaque proton, trois quarks de plus que d'anti-quarks.
6. Les autres familles de fermions
Le tableau des 4 fermions + 4 anti-fermions est-il complet ? Pas encore... Il existe en fait deux autres familles de fermions analogues à la
famille up – down – électron – neutrino :
QUARKS
LEPTONS
charge Q
Q = -1/3
Q = +2/3
Q = -1
Q=0
famille 1
down = d
up = u
électron
neutrino électronique
famille 2
strange = s
charm = c
muon
neutrino muonique
famille 3
bottom = b
top = t
tau
neutrino du tau
La famille 1 suffirait à décrire notre monde courant. Mais à partir des années 1940, on découvrit deux autres familles de particules
correspondant à des particules de plus en plus lourdes. Les familles 2 et 3 contiennent des particules de plus en plus massives qui
n'existaient dans l'univers qu'au tout début de celui-ci, lorsque la densité et la température étaient telles que ces particules pouvaient se
matérialiser à partir de densité d'énergie suffisante.
Ces familles "lourdes" de particules forment donc une sorte de matière fossile qui existait au tout début de notre Univers. Actuellement, les
physiciens sont capables de les recréer à l'aide de l'énergie colossale fournie par les collisionneurs. Chaque lepton est associé à un neutrino
spécifique. Les quarks ont été baptisés de noms poétiques qui correspondent à leur "saveur". Rien à voir avec le goût, mais les 6 saveurs des
quarks caractérisent l'influence de l'interaction faible sur eux.
La famille 2 :
- Muon : découvert en 1937 par Anderson dans les rayons cosmiques, c'est une sorte d'électron en 200 fois plus massif
- Quark s (strange) ou étrange en français : 20 fois plus lourd que le quark d
- Quark c (charmed) ou charmé en français : découvert en 1975, 375 fois plus lourd que le quark u
La famille 3 :
Tau : découvert en 1976, 3500 fois plus lourd que l'électron ou deux fois plus que le proton
Quark b pour bottom ou parfois beauté : découvert en 1977, 5 fois plus lourd que le proton
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Quark t pour top : découvert en 1994 au Fermilab, 170 fois plus lourd que le proton ! C'est la particule élémentaire la plus massive
connue à ce jour, elle est aussi lourde qu'un atome entier d'Or…
Ce tableau représente tous les fermions fondamentaux actuellement connus. Ce sont eux les briques de base de toute la matière. Leurs
combinaisons donnent toutes les variations de structures plus complexes telles les nucléons du noyau et l'atome. Il convient d'ajouter à ces
12 particules les 12 antiparticules correspondantes, d'où 24 briques de base pour toute la matière existante.
Que faut-il encore pour expliquer la matière ? Il nous manque encore une famille fondamentale de particules : les bosons dont fait partie le
photon, grain quantique de lumière. Les bosons sont des particules très spéciales qui ne respectent pas le principe d'exclusion de Pauli. Les
bosons peuvent se superposer dans le même état quantique contrairement aux fermions qui sont individualisés dans l'espace. Ces bosons
sont de plus les particules médiatrices des 4 forces fondamentales de l'univers : les interactions sans lesquelles nos particules de matière ne
pourraient pas se lier entre elles. Une fois définies ces 4 interactions fondamentales, nous aurons enfin tous les éléments qui constituent la
théorie actuelle du Modèle Standard : cette théorie qui explique tous les phénomènes observables à l'échelle des particules... Mais y a-t-il
encore des constituants sous le niveau des quarks ?...
7. Les 4 forces fondamentales de la nature et leur particules associées
- La force de gravitation  GRAVITON
- La force électromagnétique (ou énergie de liaison inter atomique) qui unit les atomes en molécules (c’est cette force qui est en jeu dans les
réactions chimiques)  PHOTON
Les photos n’ont ni masse, ni charge d’aucune sorte.
- La force nucléaire forte (ou énergie de liaison intra nucléaire et intra atomique) qui unit les quarks en nucléons, d’intensité des millions
de fois supérieure à celle de la force électromagnétique, mais active à courte distance  GLUON
Les gluons sont des particules actrices, sans masse (comme les photons) qui permettent les interactions entre quarks à la vitesse de la lumière. Ils ont des charges
électriques (multiples de e/3) et des charges de couleur (R, V, B).
- La force nucléaire faible  BOSONS W, de masses élevées et de charges électriques e, 0, -e
Les physiciens redoublent d’efforts depuis longtemps pour arriver à la « Grande Unification » des interactions. La première unification est
celle de la force électromagnétique avec la force faible en 1967.
8. Références web
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- http://perso.club-internet.fr/molaire1 : excellent site dont s’est beaucoup inspiré cet exposé
- http://voyage.in2p3.fr
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