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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