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L’atome est la plus petite partie d’un corps pur. Ce mot provient du grec et signifie « insécable » ; nous savons aujourd’hui qu’un atome est constitué d’autres particules, mais ce nom est resté. 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. Nous avons trouvé à ce jour 92 atomes naturels dont le plus lourd est l’Uranium. Depuis la découverte de la radioactivité, des expériences de types nucléaires ont mis en évidence de nouveaux atomes appelés les « transuraniens ».

 

Liaisons chimiques : Lorsque deux atomes sont suffisamment proches l'un de l'autre, ils peuvent s’échanger des électrons célibataires, cet échange permet alors de lier ces deux atomes en une molécule. Ce processus est une réaction chimique. Il existe plusieurs types de liaisons chimique : la liaison ionique, la liaison covalente (parfaite, polaire ou semi-polaire) et les liaisons métalliques.

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 !

 

uma : unité de masse atomique

 

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).

 

L’énergie de liaison nucléaire correspond à l’énergie de masse équivalente au défaut de masse.

 

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.

quantique et qui s’applique à tous les fermions.

 

Le modèle standard est le cadre théorique où les physiciens décrivent la structure et le comportement de la matière. Ce modèle inclut toutes les particules (et anti-particules) connes et les forces à travers lesquelles elles interagissent. Le modèle standard n’est pas une fin en sois puisqu’il y a très probablement des pièces manquantes et des inconnues à trouver.

 

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.

La couleur telle que définie par la chromodynamique quantique n’a rien a voir avec la notion de couleur telle que nous la connaissons, mais est un terme qui permet de donné une nouvelle caractéristique aux quarks, ce qui permet de les distinguer.

 

Il existe quatre forces fondamentales capables d’expliquer tous les processus physiques, chimiques ou biologique : la gravitation universelle, les forces électromagnétiques, l’interaction faible et l’interaction forte.

 

Les forces gravifiques sont responsables de la pesanteur, de la marée ou encore des phénomènes astronomiques.

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.

 

Les forces électromagnétiques sont responsables de l'électricité, du magnétisme, de la lumière ou encore des réactions chimiques et biologiques.

L'interaction électromagnétique est une force répulsive ou attractive qui agit sur les objets ayant une charge électrique. Deux objets de charges électriques de même signes se repoussent alors que deux objets de charges électriques de signes opposés s'attirent. Comme les atomes sont électriquement neutres, il y a peu d'effet de cette interaction à grande échelle.

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.

Ces forces assurent la liaison entre les électrons et le noyau dans un atome. En effet, le noyau atomique a une charge électrique positive, grâce aux protons, alors que les électrons ont une charge électrique négative. Ainsi, parce que leurs charges électriques sont opposées, le noyau atomique et les électrons s'attirent, ce qui permet la cohésion des atomes.

 

Les forces d’interaction faible agit sur toutes les particules.

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.

 

Les forces d’interaction forte assurent la cohésion et la structure des noyaux des atomes.

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.

 

Un quark est un fermion élementaire sensible à l’interaction forte. Il en existe 6 sortes. Le nom quarks à été donné à ces partyicules par Gell-Mann et vient d’un poème de James Joyce : Finnegan’s Wake.

 

Un lepton est un fermion élémentaire insensible à l’interaction forte et il en existe 6 sortes.

 

Un hadron est une particule composite formée de quarks. Il y a deux sortes de hadrons : les baryons et les mésons. Le nom hadrons vient du grec et signifie « fort », puisque les hadrons sont sensibles à l’interaction forte.

Un baryon est un hadron composé de trois quarks (exemple les nucléons). Le nom baryon vient du grec et signifie "lourd". En effet, dans les années 1950, les trois catégories de particules connues étaient les leptons, les mésons et les baryons, correspondant aux mots grecs "léger", "moyen" et "lourd". Maintenant, on connait un lepton plus lourd que certains baryons mais le nom est resté

les mésons sont composés de deux quarks avec des gluons qui les lient. Le nom méson vient du grec et signifie « moyen ».

Les vecteurs de force :

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).

Le dessin ci-dessous montre deux bateaux qui s'éloignent l'un de l'autre car leurs occupants échangent un ballon (par le principe d'action-réaction bien connu). Il y a donc interaction à distance entre les deux bateaux par échange d'un objet intermédiaire (le ballon). Cet objet est appelé le vecteur de l'interaction ou le vecteur de force.

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.

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