Niels Bohr (1885-1962) est un physicien danois qui explique dès 1913 que les électrons se trouvent sur des niveaux d’énergie (orbitales électroniques) situées autour du noyau. Les électrons peuvent passer d’un niveau à un autre en ajoutant ou en retranchant une quantité d’énergie très précise (quantum d’énergie), et ils ne peuvent descendre plus bas que le niveau caractéristique de l’état fondamental.
Sir James Chadwick (1891 - 1974) est un physicien britannique, connu pour sa découverte du neutron, en 1932. Né à Manchester, James Chadwick fait ses études à l'université de cette ville. En 1909, il commence à travailler sous la direction d’ Ernest Rutherford. Chadwick est l'un des premiers en Grande-Bretagne à souligner la possibilité du développement d'une bombe atomique, et le principal scientifique à être associé à l'effort britannique pour le développement de cette arme. Membre de la Société royale, Chadwick reçoit en 1935 le prix Nobel de physique ; il est fait Chevalier en 1945.
Albert Einstein, le physicien américain d’origine allemande le plus célèbre du 20ieme siècle et père des théories de la Relativité Restreinte et de la Relativité Généralisée. L’effet photoélectrique, la dualité onde corpuscules, le mouvement brownien, la relativité ,… sont des sujets sans secrets pour Einstein. C’est en 1905 qu’il expose la notion d’équivalence entre la masse et l’énergie.
Coulomb, Charles Augustin : (1736-1806), physicien français connu pour ses recherches en électrostatique et magnétisme. Ces premiers travaux concernent l'étude des contraintes mécaniques et des frottements. En 1777, il invente la balance de tortion, qui permet de mesurer la force de répulsion des charges électriques de même signe. En 1785, cette balance lui permet d'énoncer plus généralement la loi d'attraction et de répulsion électriques, aujourd'hui connue sous le nom de loi de Coulomb. En 1789, il introduit la notion de moment magnétique, fondamentale en magnétisme. Son nom reste attaché à l'unité mesurant la quantité de charge électrique, le coulomb.
Le physicien Wolfgang Pauli a énoncé pour la première fois en 1925 le principe dénommé le principe d’exclusion de Pauli qui est une loi fondamentale de la physique.
Les électrons sont répartis autour d’un noyau sur des niveaux d’énergies. Les électrons gravitent sur ces niveaux en occupant d’abord les niveaux d’énergie les plus basses. Le premier niveau s’appel le niveau fondamental. Tous les niveaux ont des énergies bien particulières et il est impossible pour les électrons de se trouver entre deux de ces niveaux.
Les
électrons
ont été identifiés par J. J. Thomson en 1897, puis, en 1911, Ernest
Rutherford découvre l'existence du noyau
atomique. En 1931, Irène et Frédéric
Joliot-Curie observent les neutrons
mais sans comprendre leur nature. En 1932,
James Chadwick montre que le neutron est un partenaire neutre du proton. La
structure de l'atome est comprise...
Les
électrons
ont une charge
électrique négative (-1,6.10-19 C), et les protons
ont une charge électrique positive
(1,6.10-19 C), de même valeur que celle de l'électron. Les neutrons
n'ont pas de charge électrique (0 C), ils sont électriquement
neutres. Des trois, c’est
l’électron le plus léger (masse d’un électron : 0,0005 uma = 9,1.10-31
kg) soit près de 2000 fois plus léger que les nucléons (masse du proton :
1,0073 uma = 1,6726.10-27 kg ; et masse d’un neutron :
1,0087 uma = 1,6749.10-27 kg). Ainsi,
99,97% de la masse d'un atome
est dans son noyau !
l’équivalence masse – énergie
signifie que :
·
Si la masse d’un système diminue, cette diminution de masse se traduit
par la libération d’énergie (énergie fournie par le système au milieu extérieur).
Inversement, si un système perd de l’énergie, sa masse diminue.
·
Si la masse d’un système augmente, cette création de masse
s’effectue grâce à l’absorption d’énergie (énergie fournie au système
par le milieu extérieur). Inversement, si un système reçoit de l’énergie,
sa masse augmente.
Un
électron volt
est l’énergie utilisée en physique des
particules, c’est l’acquise par un électron lorsqu’il est soumis à une
différence de potentiel d’un volt. 1 eV = 1,6.10-19 J.
Défaut
de masse : est la différence
de masse entre la somme des masses des constituants d’un noyau pris un à un,
et la masse d’un noyau confiné.
Notation :
avec : A le nombre de masse
Z le nombre atomique
X le symbole de l’élément
Z
= nombre de protons = nombre d’électrons
Ar
= nombre de nucléons = nombre de protons + nombre de neutrons.
Nous
utilisons cette notation pour indiquer la composition des noyaux des atomes, car
il est possible de rencontrer des éléments possédant un nombre de neutrons
différents et donc possédant une masse différente (isotopes).
Les
caractéristiques de cette force
nucléaire ou force
d’interaction forte :
·
Est beaucoup plus grande que la force de répulsion électrique qui
s’exerce entre les protons du noyau.
·
S’exerce à très courte distance (entre deux nucléons voisins = 10-15
m ).
·
Ne dépend pas de la charge électrique : la force proton –
protons = force neutron – proton = neutron – neutron.
Chaque
particule du tableau a sa particule « image »
d'anti-matière. Pour
chaque particule (matière), il y a une antiparticule correspondante (anti-matière).
Les antiparticules sont en tout point identiques aux particules de matière
correspondantes à l'exception de leurs charges qui sont opposées. Un proton
est électriquement positif, un antiproton est électriquement négatif. Ils ont
tous deux la même masse, ils sont donc tous deux affectés de la même façon
par la gravité.
Ces
anti-particules ne se trouvent pas sur terre, ni dans notre système solaire et
peut-être pas dans notre galaxie. Nous sommes certain de leur existence,
puisque des scientifiques savent en « fabriquer »., comme
l’anti-proton et l'anti-électron (aussi appelé le positron). Il faut savoir
que lorsqu’une particule de matière rencontre une particule d'anti-matière,
elles peuvent s'annihiler et donner
de l'énergie sous forme de rayonnement. Ce processus a été très important au
début de l'univers, mais après une importante phase d'annihilation mutuelle,
il n’est resté aujourd’hui que la matière car à l’origine, elle était
en excédent de 1% (ce phénomène à été monter au CERN et s’appel
l’effet de rupture symétrique de la violation de CP).
Lorsqu’une particule et son antiparticule s'annihilent en énergie pure, l’énergie dégagée peut alors donner naissance à des particules neutres messagères de force, comme les photons, les bosons Z0 ou les gluons.
L'interaction
gravitationnelle est une force toujours
attractive qui agit sur toute forme de masse (et d’énergie puisque la
masse est une forme d’énergie), mais avec une intensité
extrèmement faible (c'est l'interaction la plus faible des quatre
interactions fondamentales). Ainsi, ses effets ne sont perceptibles que lorsque
des objets très massifs
sont en jeu, c'est le cas pour les objets astronomiques (étoiles, planètes ou
galaxies).
Le
premier à avoir compris que la pesanteur terrestre et les mouvements
astronomiques étaient le résultat d'une seule et même interaction est Isaac
Newton et en 1687 il publie les lois de la gravitation. La gravitation n'est
donc pas du tout prise en compte par la physique des particules, mais son
intensité est totalement négligeable à l'échelle des particules élémentaires.
La
première grande étape dans la compréhension de l'électromagnétisme vient de
l'unification de l'électrodynamique
et du magnétisme en une seule et même interaction par J. C. Maxwell en
1860. Puis, en1864, Maxwell comprit que la lumière
était une onde électromagnétique et en 1887, H. Hertz montre l'existence d'ondes
électromagnétiques autres que la lumière. Quelques années plus tard, la
mécanique quantique se développe et Einstein découvre l'existence du photon
Finalement,
la première théorie à la fois quantique et relativiste est achevée dans les
années 1948 par Tomonaga, Schwinger et Feynman, on parle dorénavant de l'électrodynamique
quantique ou QED.
L'interaction
faible est responsable de la radioactivité « beta »
qui permet les réactions nucléaires et qui sont la source d'énergie du Soleil
et des étoiles.
L'histoire
de l'interaction faible commence en 1896 avec la découverte de la radio-activité
par Becquerel. Il faut ensuite attendre 1933 pour que E. Fermi élabore le
premier modèle des interactions faibles en incorporant l'existence non encore démontrée
du neutrino. Les bosons W+, W- et Z0 sont à
leur tour découverts en 1983.
L'interaction
forte est une force qui agit sur les quarks et par extension sur les
hadrons (les leptons y sont totalement insensibles)
L'interaction
forte permet la cohésion des
noyaux atomiques en liant les protons et les neutrons entre eux au sein
de ce noyau. Plus particulièrement cette interaction lie les quarks composants
les protons et les neutrons. Si cette interaction n'existait pas, les noyaux ne
pourraient pas être stables et seraient dissociés sous l'effet de la répulsion
électrostatique des protons entre eux.
Cette
force maintient les quarks au sein des particules plus grosses et il n’est pas
possible s’isoler un quarks, car si l’on cherche à éloigner deux quarks
l’un de l’autre, la force qui les unit de vient de plus en plus intense. Ce
phénomène est appelé le confinement des quarks.
Les
forces de base, ou interactions, entre particules de matière agissent toutes à
travers un "vecteur de force",
qui est échangé entre les particules qui interagissent. Ainsi, les
interactions entre particules sont un peu comme un jeu de "balle", qui
peut amener les particules soit à se rapprocher (force attractive) soit à se
repousser (force répulsive).
On
peut aussi imaginer que plus le ballon est lourd,
plus il sera difficile aux occupants du bateau de le lancer loin.
Ainsi, si le ballon est trop lourd, les bateaux ne pourront plus interagir
au-delà d'une certaine distance. De même, en physique des particules, plus la
particule vecteur d'une
interaction sera lourde, plus cette interaction sera de courte
portée.
Voici
les différents vesteurs de forces et les forces qu’ils assurent :
·
Le photon transmet la force électromagnétique
entre les particules ayant une charge électrique.
·
8 gluons transmettent la force
nucléaire forte entre les quarks.
·
Les bosons W et Z transmettent
la force nucléaire faible entre les particules de matière.
·
Il y a aussi, en théorie,
les gravitons, mais on ne les a jamais vu.