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T
U
H
B
Faculté de Physique
Par Y. SALHI
Laboratoire de Mécanique des Fluides Théorique et Appliquée
[email protected]
L’atome chez les grecs
LES QUATRE ELEMENTS D'EMPEDOCLE D'AGRIGENTE
Le Grec Empédocle (vers 492-432 av. J.-C.) divisa la matière
en 4 éléments, "racines": -eau-terre-air-feu ,
qui sont mus par les forces de l'amour et de la haine.
Les éléments sont unis, dans l'amour absolu, et séparés dans la haine.
Lorsque ces deux forces entrent en conflit, le mélange des éléments fait
surgir les choses matérielles.
Cette vision de la matière préfigure déjà un peu la nôtre par la notion
d'éléments liés par des forces attractives et répulsives.
Le mot "atome" vient du grec "a-tomos" et signifie "insécable".
Cette notion fut inventé par Leucippe de Milet en 420(- J.C.)
L’atome chez les grecs
Son disciple, Démocrite d'Abdère (vers 460-370 av. J.-C.),
expliquait que la matière était constituée de corpuscules en
perpétuel mouvement et dotés de qualités idéales
Ces corpuscules étaient:
-invisibles à cause de leur extrême petitesse
-insécables
– pleins (pas de vide à l'intérieur)
-éternels car parfaits
-entourés d'un espace vide (pour expliquer le mouvement
et les changements de densité)
-ayant une infinité de formes (pour expliquer la diversité
observée dans la nature)
Définition de l’atome en Inde
 à la même époque que celle de Leucippe
 il existait en Inde une philosophie (système Vaiseshika)
qui enseignait déjà que la matière était formée
d'atomes indestructibles
 au terme d'une période du monde, les liaisons atomiques
se dissolvent, puis après une phase de repos, se
réunissent en un nouveau monde.
Comment sont créés les éléments ?
•Les divers éléments de la nature sont principalement créés dans
les étoiles.
•Lors du Big Bang (le début de l'univers), les (protons+ neutrons+
électrons) = les atomes simples qui sont essentiellement H et He,
et quelques Li, Be et B.
•De cette matière primordiale, les premières étoiles se forment,
essentiellement constituées d'hydrogène.
•Grâce à la fusion nucléaire la plupart des atomes 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.
D’où: le Soleil et son système planétaire ont été formés à partir
d'atomes qui ont été synthétisés dans des étoiles maintenant mortes.
DECOUVERTE DE L'ELECTRON :
1897, Découverte de l’électron par Joseph John
Thompson découvre le 1er composant de l'atome:
L’ électron: particule de charge électrique négative
•En 1904, il propose un premier modèle d'atome, surnommé
depuis "le pudding (cake) de Thompson".
Il imagine l'atome comme une
sphère remplie d'une substance
électriquement positive et fourrée
d'électrons négatifs "comme des
raisins dans un cake".
DECOUVERTE DU NOYAU :
1912, Découverte du noyau par Rutherford
(physicien néo-zélandais
Le modèle d'atome se résume à 1charge électrique positive ,
l'essentiel de sa masse est concentré en un noyau
quasi-ponctuel.
Les électrons se déplacent autour du noyau
tels des planètes gravitant autour du Soleil,
d’où le nom de:
« de modèle d'atome planétaire»
•diamètre du noyau = 10-15 mètre = 1 Fermi
•La distance noyau-électrons est 100.000 fois plus
grande que le diamètre du noyau lui même.
DECOUVERTE DES NUCLEONS:
Rutherford comprend que le noyau est lui-même composé de nucléons
1. un proton de charge positive
2. un neutron de charge neutre
(effectivement découvert en
1932 par Chadwick)
Le modèle planétaire de l'atome
a un gros défaut
Les é peuvent émettre de la lumière sous certaines
conditions (dans une ampoule électrique par exemple) et donc
perdre de l'énergie. Ils se rapprochent alors du noyau jusqu'à
s'y écraser!
Un tel atome ne serait donc pas stable.
.
L'ATOME DE BOHR
pour la stabilité atomique
•Niels Bohr crée en 1913, 1 nouveau modèle
Où les orbites des é sont "quantifiées"
•seules certaines orbites particulières sont
permises pour l'électron
•lorsque celui-ci saute d'une orbite à l'autre
il peut émettre (ou absorber) de la lumière.
Le monde, la matière, les êtres vivants sont fait d'atomes.
L’atome est constitué de 3 particules:
•l'électron (blanc) : particule de charge
(-q), tournant autour du noyau.
•le proton (rouge) : particule de charge (+q),
située dans le noyau, Mp = 1850 mé
•le neutron (bleu) : particule de charge(q=0),
située dans le noyau, Mn= Mp.
Ces trois particules ont des caractéristiques physiques bien
connues (masse, charge, rayon), excepté le rayon de l'électron.
L’atome est représenté par l’élément chimique.
Le nombre atomique (Z) = au nombre d ‘électrons ou
de protons contenus dans l’atome.
Exples: le nombre atomique du fer est = 26,
l'oxygène = 8, l'hydrogène = 1.
La compréhension de la structure des atomes
et de leurs interactions avec les photons, ont
permis une multitude d’applications.
Structure de la matière
Matière = ensemble de molécules
Molécule (Ø=10-9m) = assemblage d’atomes
Atome (Ø=10-10m) =ens. d’é tournants à gde
vit. autour du noyau
Noyau(Ø=10-14m)= Protons + neutrons
(particules lourdes)
Proton (ou neutron) (Ø=10-15m) = ens. de Quarks (Ø=10-18m)
Les constituants élémentaires de la matière
Génération
1ère génération 2ème génération 3ème génération
Type
q=2/3
quarks
quarks
Haut
Charme
Sommet
u
c
t
(f EM F)
(f EM F)
(f EM F)
Bas
Etrange
Beauté
d
s
b
(f EM F)
(f EM F)
(f EM F)
Leptons
neutres
(neutrinos)
Neutrino d'électron
Neutrino de muon
Neutrino de tauon
ne
nm
nt
(f)
(f)
(f)
Leptons
chargés
Electron
Muon
Tauon
e
m
t
(f EM)
(f EM)
(f EM)
q=-1/3
quarks
quarks
DE PLUS EN PLUS PETIT
•Les quarks: u et d sont
profondément enfouis dans
les protons et les neutrons du
noyau des atomes.
•Se regroupent en 3 génération
(1ére(ud), 2éme(sc), 3ème(bt))
•De charge et de masse inf. à
celles l’é), ils sont si fortement
liés qu'aucune expérience n'a
jamais pu en extraire un seul
La physique des particules : c’est quoi ?
 Décrire les constituants élémentaires de la nature :
 les plus petits / insécables / non composites
 dépend des moyens expérimentaux : énergie d’une collision ~
grossissement d’un microscope. Selon les époques, les constituants
fondamentaux ne sont pas les mêmes.
Aujourd’hui : les particules sont ponctuelles à l’échelle de 10-18 m.
Energie
(électroVolt)
1 keV
10-9 m
atome = assemblage
neutre d’un noyau et
d’électrons
1 MeV
10-12 m
1 GeV
10-15 m
noyau =
assemblage de
nucléons (protons
et neutrons)
1 TeV
10-18 m
1 eV = 1.6x10-19 J
1 eV/c2 = 1.8x10-36 kg
Longueur
(mètre)
nucléon = 3 quarks de
valence + une infinité de
quarks et gluons virtuels
Le Modèle Standard
Décrire les forces élémentaires : les particules
élémentaires interagissent en échangeant des particules.
Cette description des constituants élémentaires et leurs
interactions  le Modèle Standard de la physique des
particules : basé sur l’observation de symétries dans la
nature et utilise la théorie quantique des champs
(relativiste).
Décrire les premiers instants de l’Univers, alors qu’il
était rempli uniquement de particules.
Développer les outils nécessaires à ces études : outils
informatiques, détecteurs et accélérateurs.
Cosmologie / Astroparticules 
interface avec l’astrophysique et
les sciences spatiales.
Interface avec l’imagerie biomédicale, la biologie, la physique
des plasmas.
+ grille de calcul, web, simulations.
Les interactions fondamentales
Quelles sont les interactions fondamentales?
1-L’interaction gravitationnelle:
•
•
•
•
toujours attractive
agit sur toute forme d’énergie (ou de matière)
intensité extrêmement faible (10-38)
théories:
 mécanique (Newton - 1687)
 relativité générale (Einstein - 1915)
Les interactions fondamentales
Quelles sont les interactions fondamentales?
2-L’interaction électromagnétique:




attractive ou répulsive
agit sur les particules porteuses d’une charge
électrique (+ ou -)
intensité très importante (10-2)
théories:
• électromagnétisme (Maxwell -1860)
• nature quantique (Einstein - 1905)
• QED: quantique et relativiste (Tomonoga
(Tomonoga,,
Schwinger, Feynman - 1948
1948-49)
Les interactions fondamentales
Quelles sont les interactions fondamentales?
3- L’interaction forte:
attractive ou répulsive
agit sur les quarks et les hadrons, pas sur les
leptons.
intensité la plus importante (1)
théories:
•noyau atomique (Rutherford -1911)
•QCD: chromodynamique quantique.
soleil
noyau
Les interactions fondamentales
Quelles sont les interactions fondamentales?
4-L’interaction faible:
agit sur toutes les particules; c’est la seule force
qui agit sur les neutrinos.
intensité faible (10-5)
théories:
•interaction faible (E. Fermi - 1933)
•théorie électrofaible (Glashow, Weinberg et Salam 1960-70).
μ  e  νe  νμ
+
+
Le Modèle Standard
force
électromagnétique
forte
faible
exclue
du
M.S.
gravitation
amplitude
relative
particule
échangée
exemple
d’application
10-2
photon g
masse = 0
q=0
lumière, cortège
électronique
atomique, chimie
1
8 gluons
masse = 0
q=0
noyaux, nucléons
W+, WmW = 80.4 GeV/c2
Z0
mZ = 91.2 GeV/c2
radioactivité b,
énergie solaire
graviton gmn
masse = 0
(hypothétique)
pesanteur,
mouvements
planétaires,
galaxies.
10-14
10-40
Au-delà du modèle standard
Le SM n’est pas la théorie ultime:
•
•
•
•
n’englobe pas la gravitation
pourquoi 3 familles de fermions?
ne prédit pas leur masse
n’unifie pas toutes les forces
Les théories de grande unification
(GUT):
Les implications cosmologiques
L’univers est en expansion:
Hubble (1929): les galaxies se fuient
L ’énergie diminue: l’univers se refroidit.
10-9 s après le big
big-bang:
E~200Gev, comme auprès des accélérateurs actuels
L’histoire de l’univers en bref:
t0: moment du big-bang
t0 +10-12 s: 1000 GeV
Z0
g
Z
0
g
WZ
g
e
+
W
νe
g
g
Z
g
0
-
+
e+
g
e-
W
g
0
g
c
c
νμ
μ
W+
+
μ+
Z0
μ-
avec très légèrement plus de matière
un peu plus tard: il n’y a plus assez d’énergie pour créer
une paire quark-antiquark, seuls restent quelques quarks
L’histoire de l’univers en bref:

t0 +10-2 s:
1 GeV
Les nucléons se
forment sous
l’effet de la
force forte.

t0 +100s:
100 eV ou 1 milliard de degrés
nucléosynthèse
n p
deutérium
hélium
L’histoire de l’univers en bref:

t0 +30 minutes:
e-
g
p

t0 +700.000 ans:
3000 degrés
Les atomes les plus
simples se forment sous
l’effet de la force é.m.
L’histoire de l’univers en bref:

puis, plus tard: les agglomérats de
matière sous l’effet de la force
gravitationnelle:….étoiles, …. galaxies,
….planètes, ….la vie!
ADN
p
p
noyau
x
eg
ne, nm, nt
1 s
n
eg
ne, nm, nt
u
d, s, b
d
-
e-, m-, tg
ne, nm, nt
Modèle
Standard
10-6 s
200
MeV
Nucléosynthè Confinement
des quarks
se
1 MeV
u, c, t
uu
10-12 s
100 GeV
Brisure
symétrie
électrofaible
eg
ne, nm, nt
d
?
d
e+
eg ?
ne, nm, nt
Nouvelle
Physique
10-34 s
1016 GeV
10-44 s
1019 GeV
Gravitatio
Grande
n
unification ?
quantique