Voyage au coeur de la matière - Futura

Dossier>Voyageaucoeurdelamatière Futura-Sciences
Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-voyage-
coeur-matiere-176/
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Voyageaucoeurdelamatière
Vous restez imperméable à la physique ? Découvrez dans ce dossier les éléments qui composent la
matière,expliquéssimplement:forces,atomesetnucléons,radioactivité...
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Vousrestezimperméableàlaphysique?Lamatièrevoussembleunenotionabstraiteetcomplexe?Et
pourtant,saviez-vousquelesnucléons(quiformentlenoyaudesatomes)sont aunombre de3.1027
dans1m3d'air?Ou1024dansunlivre?Comment,donc,passeràcôté?Partezàladécouvertedetous
lesrudimentsdelaphysique,expliquéssimplement.
Laphysique,lamatière,desnotionscomplexesabordéesicisimplement.©DR
Cedossierestdestinéàexplorerlastructuredelamatièreenpartantdesatomesetenallantjusqu'auxparticules
fondamentales. Il vous permettra de comprendre de quoi est composée la matière, ce que sont exactement les
atomes,fermionsetnucléonsdontonparletant.Vouspourrezégalementdécouvrirlaradioactivité(artificielleet
naturelle)etlesprincipesdufameuxmodèlestandard.
DossierréaliséparDavidCalvetchargéderechercheauCNRS(physiquedesparticulesexpérimentale).
Page2/9-LaMatière
La notion de matière peut paraître complexe. Et pourtant les éléments essentiels (atome, molécule,
antimatière...)sontsimplesàcomprendre.Envoicilapreuve!
13/02/2003-Par
DavidCalvet,Chercheurphysiquecorpusculaire

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LorsduBigBang,lesprotons,neutronsetélectronssesontcombinéspourformerlesatomessimples.©
SevenPortraitsnc30
Dequoiestfaitelamatière?
Sil'onprendunmorceaudeferetqu'onlediviseenmorceauxdeplusenpluspetits,ilarriveraunmomentoùilne
serapluspossibledelediviser.Cepluspetitmorceaudeferpossibleestl'atomedefer.Unatomedeferpeutêtre
divisémaislesmorceauxquirestentaprèsladivisionnesontplusdufer(onobtientunnoyauetdesélectrons)...
Sil'onprenddel'eauetqu'onladiviseenpartiesdeplusenpluspetites,ilarriveraaussiunmomentoùilnesera
pluspossibledeladiviser.Lapluspetitepartied'eaupossibleestlamoléculed'eau.Lamoléculed'eaupeutêtre
divisée mais les parties restantes après la division ne sont plus de l'eau : ce sont un atome d'oxygène et deux
atomesd'hydrogène(lamoléculed'eauestdoncnotéeH2O)...
Ainsi,ilestpossibledefairedel'eauavec del'oxygène etdel'hydrogène,aucours d'une réactionchimique.Par
contre,il n'estpaspossiblede fairedufer parune réactionchimique (maisilestpossible d'extrairedufer d'une
moléculequiencontient).
Moléculed'eau.©DR

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Une molécule est donc un assemblage de plusieurs atomes. Certains corps, tels que l'eau, sont des corps
composés, leurpluspetitepartieestunemolécule, d'autres,commele fer,sont descorpspurs, leurpluspetite
partieestunatome.Lachimiepermetdefairedescorpscomposésàpartirdecorpspurs,maispasdefairedes
corpspursàpartird'autrescorpspurs...
Unpeud'histoire...
Les Grecs anciens, et en particulier Démocrite, avaient déjà imaginé que la matière devait être discrète et non
continue,c'est-à-direqu'ellenepeutpasêtrediviséeindéfiniment.Ilsavaientainsipostulél'existencedegrainsde
matièreindivisiblesqu'ilsappelèrentatomes(atomosengrecsignifieinsécable).Néanmoins,pendantdessiècles,
l'idéegénéralementadmiseétaitquetoutematièrepouvaitêtreforméeàpartirdequatreélémentsfondamentaux
:l'eau,l'air,laterreetlefeu...
Les notions modernes d'éléments et d'atomes sont apparues plus tard avec les débuts de la chimie. La notion
d'élément telle qu'elle est connue actuellement a été définie en 1661 par Robert Boyle. Ensuite, John Dalton en
1808 et Avogadro en 1811 élaborèrent la notion d'atome et de molécule afin d'expliquer les réac tions chimiques,
maisceschémanefutadoptéofficiellementqu'en1860.
IlfallutattendrelafinduXIXesièclepourquel'atomesoitaussiétudiéparlesphysiciensetpasseulementparles
chimistes.
Qu'est-cequelenombreatomique?
Lenombreatomiqueestcequipermetdedifférencierlesatomesentreeux,ilestégalaunombred'électronsoude
protonscontenusdanscetatome.
Parexemple,lenombreatomiqueduferest26,celuidel'oxygèneest8etceluidel'hydrogèneest1.Cenombre
permetderangerlesatomesdansunetable,appeléetablepériodiquedeséléments:
Latablepériodiquedeséléments.Chaquecasecorrespondàunatomedifférentavecsonsymbole(Fepour
fer,Opouroxygène,Hpourhydrogène...)etsonnombreatomique.©DR
Combienya-t-ild'atomesdifférents?
En principe, il y a une infinité d'atomes différents, puisque le nombre atomique peut varier de 1 à l'infini ! En
pratique, le nombre d'atomes connus actuellement est d'environ 112, les plus répandus sont ceux qui ont un
nombreatomiquefaible,enparticulier,l'hydrogèneestlecorpsleplusabondant(75%desatomes)dansl'univers.
La plupartdesatomesdenombreatomiqueélevéontété créés parréactions nucléaireset se désintègrenttrès
rapidement,onnepeutdoncpaslestrouverdanslanature...
Commentsontcréésleséléments?

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Lesdiversélémentsquiexistentdanslanaturen'ontpasétécréésaudébutdel'universmaissontprincipalement
créésdanslesétoiles.
Lors du Big Bang (le début de l'univers), les protons, neutrons et électrons se sont combinés pour former les
atomessimples,essentiellementl'hydrogèneetl'hélium,maisaussienplusfaiblequantitélelithium,lebérylliumet
lebore.
À partir de cette matière primordiale, lespremièresétoiles se forment, essentiellement constituées d'hydrogène.
Grâceàlafusionnucléairelaplupartdesatomespluslourds(jusqu'aufer)sontalorscréésauseindesétoiles.Les
atomespluslourdsqueleferseraientcrééslorsdel'explosiondecertainesétoiles,lessupernovae.
Ainsi,leSoleiletsonsystèmeplanétairedontnousfaisonspartienepeuventavoirétéformésqu'àpartird'atomes
quiontétésynthétisésdansdesétoilesmaintenantmortes.
LaTerreettoutcequis'ytrouve,enparticulierlesêtresvivants,sontdoncconstituésdepoussièred'étoiles...
Peut-ontransformerleplombenor?
Le rêve desalchimistes de transformer leplombenorest en effetpossibleenréalisantdes réactionsnucléaires,
capables de transformer un noyau de plomb en un noyau d'or. Mais, la quantité d'or ainsi produite est tellement
faibleparrapportàl'énergienécessairequecesréactionsneprésententaucunintérêt...
Qu'est-cequel'antimatière?
L'antimatière est constituée d'antiparticules. Une antiparticule a exactement la même masse que la particule
correspondante mais des nombres quantiques opposés. Par exemple, l'anti-électron a une charge électrique
positive et de même amplitude que celle de l'électron. En combinant des antiprotons, des antineutrons et des
antiélectrons,ilestpossibledefairedesanti-atomes.Desatomesd'antihydrogèneontdéjàétéproduits.
Lorsqu'uneparticuledematièrerencontresonantiparticule,elless'annihilentmutuellementenlibérantlatotalitéde
leurénergiesous formederayonnement. Lescollisionsparticule-antiparticulesontcouramment utiliséesdans les
expériencesdephysiquedesparticules.
La durée de vie de l'antimatière dans notre environnement est très faible puisqu'elle rencontre rapidement de la
matièreets'annihilealors.Iln'yadoncpasd'antimatièresurTerreoudansleSystèmesolairenimêmedansnotre
galaxie. Il semble même qu'il n'y ait nulle part dans l'univers d'anti-matière en quantité importante, pouvant par
exemple former des étoiles d'anti-matière. Or, la matière et l'antimatière sont supposées avoir été créées en
quantités égales lors du Big Bang. Le fait que toute l'antimatière ait disparu est un phénomène inexpliqué pour
l'instant.
La première antiparticule, l'antiélectron, a été découverte en 1933 à l'aide des rayons cosmiques. En effet, les
particulesdurayonnementcosmiqueinteragissentavecl'atmosphèreetpeuventalorscréerdesantiparticules.
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Intéressons-nousàl'atome.Dequoiest-ilfait?Quelleestsaforme?Quelleestsa
masse?

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Constitutiond'unatome(échellenonrespectée).©DR
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.Deuxatomes
de même nombre atomique mais ayant un nombre de neutrons différents sont des isotopes : leurs propriétés
chimiques sont identiques mais leurs propriétés physiques sont différentes (par exemple, certains isotopes
d'atomes stables sont radioactifs). Pour différencier les isotopes entre eux, on donne en général le nombre de
nucléonsaveclenomdel'atome.Parexemple,l'uranium235contient92protonset143neutrons(235=92+143)et
l'uranium238contient92protonset146neutrons(238=92+146).
Unpeud'histoire
Notreconnaissancedesatomesesttrèsrécente.Eneffet,lastructuredesatomesétaittotalementinconnueen
1895!C'estladécouvertedesrayonsXparRöntgenen1895puisdelaradioactivitéparHenriBecquerelen1896
etPierreetMarieCurieàpartirde1898quiapermisdecommenceràcomprendrelastructuredesatomes.
LesélectronsontétéidentifiésparJ.-J.Thomsonen1897,puis,en1911,ErnestRutherforddécouvrel'existence
du noyau atomique. Cependant, pendant plusieurs années, les physiciens pensaient que le noyau était formé de
protons etd'électrons. Danslemêmetemps,pendant les années 1924-1927,ledéveloppement delamécanique
quantiquepermetdedécriredemanièrepréciselecomportementdesélectronsdesatomes.Seullenoyaurestait
incompris...
En1931,IrèneetFrédéricJoliot-Curieobserventlesneutronsmaissanscomprendreleurnature.En1932,James