I- L`atome - Lycée Jean Perrin

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Lycée Jean Perrin – 16 & 17 novembre 2011
I- L’atome
De quoi est fait un atome ?
Un atome contient un noyau situé en son centre et des
électrons qui « tournent » autour du noyau. Le noyau
contient des nucléons, c'est-à-dire des protons et des
neutrons.
Les électrons ont une charge électrique négative. Les protons
ont une charge électrique positive, de même valeur que celle
de l'électron. Les neutrons n'ont pas de charge électrique, ils
sont neutres.
Il y a exactement le même nombre d'électrons et de protons
dans un atome, un atome est donc électriquement neutre. Le
nombre d'électrons (ou de protons) dans un atome détermine
ses propriétés physiques et chimiques, c'est le nombre
atomique. Par exemple, un atome d'hydrogène a 1 électron et 1 proton, le nombre atomique d'un atome
de carbone est 6, celui d'un atome d'oxygène 8, d'un atome de fer 26, d'un atome d'uranium 92, etc. (voir
la table des éléments)
Le nombre de neutrons dans un atome est variable, en général il est proche du nombre de protons.
Qu'est-ce qui lie les électrons au noyau ?
Les électrons et le noyau d'un atome sont liés par l'interaction électromagnétique. En effet, le noyau
atomique a une charge électrique positive, grâce aux protons, alors que les électrons ont une charge
électrique négative. Ainsi, parce que leurs charges électriques sont opposées, le noyau atomique et les
électrons s'attirent, ce qui permet aux atomes de ne pas perdre leurs électrons.
Lorsque deux atomes sont suffisamment proches l'un de l'autre, ils peuvent échanger certains de leurs
électrons, cet échange permet alors de lier ces deux atomes en un objet composite qui est une molécule.
Ce processus est une réaction chimique.
Que signifie le mot atome ?
Le mot atome vient du grec atomos qui signifie indivisible, insécable. Il convenait donc parfaitement au
concept d'atome lorsqu'il a été élaboré par les chimistes au début du XIXe siècle, c'est à dire comme la plus
petite partie d'un corps pur.
Maintenant, on sait que les atomes ne sont pas indivisibles, qu'on peut en arracher des électrons,
fissionner leur noyau, etc. Mais le nom est resté !
Molécule

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Qu'est-ce qu'un ion ?
Un ion est un atome ou une molécule dont on a enlevé ou ajouté un ou plusieurs électrons. Ainsi, un atome
ou une molécule étant toujours électriquement neutre, un ion est soit positif soit négatif. Un ion a donc
des propriétés physicochimiques différentes de la molécule dont il provient. Un ion positif est appelé un
cation et un ion négatif est appelé un anion.
L'ionisation de la matière consiste à arracher des électrons aux atomes. La grande majorité des systèmes
de détection des particules est basée sur l'ionisation.
Quelle est la taille d'un atome ?
Un atome a une taille de l'ordre de 10-10m, soit un dixième de millionième de millimètre ! Un noyau
d'atome a une taille de l'ordre de 10-15 m, soit cent mille fois plus petit que l'atome lui-même !
II- Particules élémentaires
Un nucléon est le constituant du noyau atomique. Il y a deux
sortes de nucléons : les protons qui ont une charge électrique
positive, et les neutrons qui n'ont pas de charge électrique (ils
sont électriquement neutres).
De quoi est fait un nucléon ?
Un nucléon est un objet composite très complexe. Dans la
vision la plus simple, on peut dire que les nucléons sont
constitués de différents quarks :
les quarks up (notés u), de charge électrique +2/3 de la
charge d'un électron ;
les quarks down (notés d), de charge électrique -1/3 de la
charge d'un électron.
Ainsi, le proton est constitué de deux quarks up et d'un quark
down (uud), sa charge électrique est donc +1 (=+2/3+2/3-1/3). Le
neutron est constitué d'un quark up et de deux quarks down (udd),
sa charge électrique est donc 0 (=+2/3-1/3-1/3).
Plus généralement, les quarks font parties de la
famille des fermions, particule élémentaire
constituant la matière :
Il y a deux types de particules dans l’univers, celles
qui constituent la matière, les fermions, et celles
qui portent les interactions, les bosons. Du côté de
la matière, on retrouve 2 familles de fermions : les
leptons (les particules légères) et les quarks.
Il existe au total 6 quarks différents et selon leur
arrangement on obtient une centaine de particules
qui forment la famille des hadrons. Les protons et
les neutrons en font partie.

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Voici un tableau qui récapitule les particules élémentaires formant la matière : les fermions. Les
masses sont données en GeV qui est une unité d’énergie, l’intérêt ici est de voir les très grandes
différences de masses.
FERMIONS
Leptons
Quarks
électron
m = 0.0005
neutrino éléctronique
m < 0.00000001
up
m = 0.003
down
m = 0.006
muon
m = 0.106
neutrino muonique
m < 0.0002
charm
m = 1.3
strange
m = 0.1
tau
m = 1.77
neutrino tau
m < 0.02
top
m = 175
bottom
m = 4.3
Enfin, à chacune de ces particules est associée une antiparticule. N’essayez pas d’imaginer ce que peut être
"l’inverse de la matière", une antiparticule est juste une particule qui a les mêmes propriétés et la même
masse que la particule qui lui est associée à ceci près que ses charges sont inverses. Par exemple l’antiproton
a la même masse qu’un proton et il est décrit par les mêmes lois physiques, sauf que sa charge électrique est
négative.
Qu'est-ce qui lient les quarks entre eux ?
Les quarks d'un proton ou d'un neutron sont liés par l'interaction forte.
Cette interaction, en plus de lier les quarks entre eux au sein d'un nucléon, permet aussi aux nucléons de
s'attirer pour former un noyau atomique. En effet, les protons ayant tous la même charge électrique, ils se
repoussent par l'interaction électromagnétique. Heureusement, cette dernière est beaucoup plus faible
que l'interaction forte, qui attire les nucléons entre eux, et permet donc aux noyaux atomiques de rester
stables. De plus, les neutrons étant totalement insensibles à l'interaction électromagnétique (leur charge
électrique est nulle), ils ne peuvent être liés à l'atome que par l'interaction forte.
Un peu d'histoire
Lorsque les protons et les neutrons furent découverts (entre 1911 et 1932), les physiciens pensaient que
ces particules étaient élémentaires, c'est à dire qu'elles étaient indivisibles, qu'elles n'avaient pas de
structure interne.
Il fallut attendre les années 1967-70 pour que Bjorken et Feynman imaginent la présence d'une structure
dans les nucléons, les quarks. Mais, comme il est théoriquement impossible d'observer un quark libre, ce
n'est qu'en 1975 que l'existence des quarks put être prouvée expérimentalement.

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III- Forces fondamentales
Elles sont au nombre de quatre :
1. la force de gravitation : elle s'exerce sur
toutes les particules proportionnellement à
leur masse ;
2. la force électromagnétique : elle s'exerce
sur les particules de matière électriquement
chargées ;
3. la force nucléaire faible : elle concerne
seulement certains quarks et leptons et est
responsable des radioactivités β- et β+.
4. la force forte, qui s'exerce entre les quarks,
et dont dérive la force nucléaire, qui assure
la cohésion du noyau atomique ;
Ces quatre forces sont décrites respectivement par
quatre théories :
1. la relativité générale,
2. l'électrodynamique quantique,
3. la théorie électrofaible (en fait, elle associe
force faible et force électromagnétique et
englobe donc l'électrodynamique
quantique),
4. la chromodynamique quantique.
Les trois dernières étant regroupées dans le « modèle standard ».
Pour chacune des forces fondamentales, il existe des particules, dites de champ, supports de ces forces. Ce
sont des bosons, c'est-à-dire qu'elles obéissent à la statistique de Bose-Einstein.
Les particules de champ peuvent être réelles ou virtuelles. Dans ce dernier cas, elles ont une durée d'existence
extrêmement brève et sont observées indirectement par leur action, qui consiste essentiellement à
transmettre les forces fondamentales. C'est d'ailleurs pourquoi ces particules virtuelles sont aussi appelées
« particules messagères » ou « médiateurs ».
Les différents bosons décrits par le modèle standard sont :
 le photon « γ » (de masse et charge nulles), médiateur de la force électromagnétique ;
 3 bosons intermédiaires (de masse élevée), dits aussi bosons faibles, médiateurs de la force faible :
les bosons « W + » , « W − » et « Z0 » ;
 8 gluons (de masse nulle), médiateurs de la force forte.
À ces particules, il faut ajouter un ou plusieurs bosons de Higgs supposés conférer leur masse aux autres
particules par un mécanisme de brisure spontanée de symétrie appelé dans ce cadre le mécanisme de Higgs.
Ces bosons n'ont pas encore été officiellement détectés, bien que l'on soupçonne avoir aperçu leur trace dans
certaines collisions observées au CERN. Leur existence sera en principe définitivement établie ou réfutée dans
le cadre des nouvelles expériences mises en place au LHC qui a été mis en service le 10 septembre 2008.