21 atome (v3.0) - Laboratoire de Physique des Hautes Energies

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Physique moderne
v 3.0 V 2005
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L'atome et les particules. Historique.
1805 Gay Lussac et Dalton observent dans les réactions chimiques
des combinaisons de corps simples: les atomes H2O = 2!H + 1!O.
1891 G. J. Stoney met en évidence les électrons. En 1897 J. J.
Thomson mesure le rapport e/me et en 1904 la charge e.
1900 M. Planck introduit le concept de quanta d'énergie pour la
radiation. En 1905 A. Einstein utilise les quanta pour expliquer
l'effet photoélectrique.
1907 Thomson propose un modèle atomique "homogène" et
demande à son élève E. Rutherford de le vérifier. En 1911, à partir
de la déviation des particules alpha traversant une feuille d'Au,
Rutherford découvre que l'atome a un minuscule noyau central
positif avec un nuage d'e" autour, le tout lié par la force de Coulomb.
1914 N. Bohr explique le spectre de l'H par la quantification des
orbites.
1924 L. de Broglie associe une longueur d'onde au mouvement des
particules (ondes de matière).

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Historique .2
1926-8 W. K. Heisenberg introduit le principe d'indétermination et E.
Schrödinger et P. A. M Dirac les équations de la Mécanique Quantique.
L'équation de Dirac prédit l'existence d'antiparticules.
1936 W. Pauli introduit le neutrino pour expliquer la désintégration
bêta n # p e- anti-$.
1930-1960 Découverte du "zoo" des particules.
1960- Théorie des quarks et "Modèle standard des particules".
~1999 Production d'anti-hydrogène au CERN.
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Théorie de la relativité restreinte
On mesure la vitesse d'une impulsion de lumière émise par une
lampe: on utilise deux photocellules placées à distance L.
Préalablement il faut avoir synchronisé les horloges H1 et H2.
La vitesse est donnée par c = L/(t2 " t1).
L
H1H2
source
Observateur

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Théorie de la relativité restreinte .2
On constate que l'on trouve la même valeur pour c si la lampe
est en mouvement par rapport aux photocellules.
Cela n'est, à priori, pas surprenant, si l'on compare à la vitesse du son:
la vitesse du son est une quantité qui dépend des caractéristiques
de l'air. La vibration se transmet dans l'air avec vitesse indépendante
de l'état de mouvement de la source (seule conséquence du
mouvement: l'effet Doppler).
L
H1H2
v
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Théorie de la relativité restreinte .3
On constate aussi que l'on trouve la même valeur pour c si le système
de mesure (l'Observateur) bouge par rapport à la source !
Cela est complètement différent du cas du son.
On est en contradiction avec la relativité de Galilée.
L
H1H2
v0

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Théorie de la relativité restreinte .4
Cas vo et c antiparallèles:
par le principe de relativité de Galilée, la vitesse de la lumière
mesurée par l'observateur vaut co = c + vo > c.
En réalité on observe, encore et toujours, c.
Cela est vérifié avec une très bonne précision expérimentale.
L
H1H2
v0
c
On en déduit que, à partir de ce type d'expérience avec la lumière,
nous ne pouvons pas déterminer si c'est l'observateur qui bouge ou
bien la source. C'est le principe de relativité d'Einstein.
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Théorie de la relativité restreinte .5
Postulats:
1) Les lois de la physique ne doivent pas dépendre de l'état de
mouvement de l'observateur "inertiel".
2) La vitesse de la lumière dans le vide est identique pour tout
observateur "inertiel".
"Inertiel": pas soumis à des forces externes. Deux observateurs
inertiels: leur vitesse relative est constante (ils se trouvent en
état de mouvement relatif rectiligne et uniforme).

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Dilatation du temps
XII
VI
III
IX
XII
VI
III
IX
O
O'
u
Le système O' voyage à vitesse u par
rapport à l'observateur O. O dit que
l'horloge de O' tourne plus lentement
que le sien !
Pour montrer cela on construit deux "horloges de lumière":
c
Une impulsion de lumière voyage entre deux miroirs à distance L.
Le temps est mesuré par le nombre de rebondissements.
compteur
L
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Dilatation du temps .2
O
* Selon O, sa propre horloge a un rythme donné
simplement par t = 2L/c.
L* Toujours selon O, le système de O' étant en
mouvement, la lumière doit parcourir un parcours
plus long, entre deux tic-tac !
Si t' est le temps pour aller-venir
temps: 0 t'/2 t'
hh = u t'
le parcours D de l'impulsion:
!
D2=L2+h
2
"
#
$ %
&
'
2
=L2+ut'
2
"
#
$ %
&
'
2
DD
L
mais D = ct'/2
!
ct'
2
"
#
$ %
&
'
2
=ct
2
"
#
$ %
&
'
2
+ut'
2
"
#
$ %
&
'
2
d'où:
!
t'=t
1"u c
( )
2
O'
O'