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Des atomes aux particules… et au delà: ELEMENTAIRE, MON CHER WATSON! lapTh Préparation collective: P. Aurenche, L. Gallot, J.P. Guillet, E. Pilon, E. Ragoucy,

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1 Des atomes aux particules… et au delà: ELEMENTAIRE, MON CHER WATSON! lapTh Préparation collective: P. Aurenche, L. Gallot, J.P. Guillet, E. Pilon, E. Ragoucy, R.Taillet Chercheurs au LAPTH

2 Lélément en physique De quoi est faite la matière ? Démocrite (400 av. J.C.): matière granulaire Rejetée par Platon, Aristote ATOMES indivisibles, éternels variables en taille, masse, forme se combinant entre eux Vision matérialiste, mécaniste de la nature Invérifiable (à cette époque)

3 Plan de lexposé Des « quatre éléments » à latome et au tableau périodique De latome aux particules élémentaires Au delà: la théorie des cordes? Une nouvelle idée de lélémentarité Premières définitions de lélémentarité Changement de la notion délémentarité

4 leau le feu la terre lair Les 4 éléments

5 leau le feu la terre lair éléments de contrôle

6 Boyle ( ) Éléments: Substances se combinant entre elles pour former des composés mais ne pouvant être réduites à dautres substances plus simples

7 Chimie naissante (1766) Oxygène Hydrogène Argent Azote Calcium Carbone Chlore Cuivre Étain Fer Hydrogène Iode Magnésium Or Oxygène Plomb Potassium Sodium Zinc etc… BOUM!

8 Lhypothèse atomique Eau = Hydrogène + Oxygène volumes = 2 1 J. Dalton (1803): La matière est granulaire : elle est composée datomes = H 2 O

9 He H2H2 H2H2

10 Dmitri Ivanovitch Mendeleiev ( ) Rangement des éléments selon leurs propriétés chimiques (1869)

11 Le tableau périodique de Mendeleiev (1869) ? ? ? ? ? ? ? ? Sel = NaCl ; Acide chlorhydrique = HCl Eau = H 2 O ; H 2 S (boules puantes - œufs pourris)

12 Le tableau périodique à la fin du XIX ième siècle ? ? ? ? ? Scandium (1879) Germanium (1886) Gallium (1875)

13 Le tableau périodique actuel

14 Lélémentarité en chimie Atome: lélément chimique Explication des propriétés chimiques ? Explication des masses atomiques ? Liste longue et régularité ?

15 Puissances de 10 1 mm (millimètre) = m (mètre) 1 cheveu = mm = m (il faut 100 cheveux côte-à-côte pour couvrir 1 mm) 1 atome dhydrogène = mm = m (il faut 10 millions atomes côte-à-côte pour faire 1 mm) (Remarque: la tome de Savoie = 10 2 mm)

16 Lexpérience de Rutherford (1912) Sonder latome ? Résultat :

17 Latome est composé Un noyau central (+) Des électrons (-1) répartis en couches Le tableau de Mendeleiev est expliqué (numéro atomique, propriétés chimiques, …) e e e e e e e atome : m noyau : m

18 Le noyau est composé Deux particules ingrédients : le proton (+1) et le neutron (0) Bonus : masses atomiques expliquées e e e e e e e noyau: m

19 Les quarks 1 3 _ _ _ - +1 = 2 3 _ _ _ - proton ( m) neutron ( m) 0 = u ( + ) 2 3 _ d ( - ) 1 3 _ u u d u d d

20 Équivalence masse-énergie De la masse peut donner de lénergie De lénergie peut donner de la masse : mc 2 = E E = mc 2

21 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

22 Interactions e e e e e e e Électromagnétique Nucléaire forte u u d Nucléaire faible u u d u d d e nene Gravitation...

23 Particules de matière e Désintégration du neutron : Découverte du quark t (1995) u u d u u d u u d u d d u d d u d d w w w e nene w e nene nene nene charge électrique interaction forte nene nmnm e t d s t b cu / 3 - 1/3- 1/3 insensibles sensibles leptons quarks Interaction faible ntnt m

24 Particules messagères Comment expliquer les masses ? Pourquoi trois interactions ? Pourquoi trois familles ? Électromagnétisme photon g Interaction faible bosons W +, W -, Z 0 Interaction forte 8 gluons g

25 Une possibilité : les cordes Particules = mode de vibration (matière ou messagère) Masse = fréquence de lharmonique Bonus : interaction gravitationnelle ! Élément = corde

26 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 !

27 Conclusion Chimie Particules élémentaires (aujourdhui) Atomes Autres particules : électrons quarks u, d neutrons protons - matière - interactions Aller au delà : une possibilité, les cordes ? Décider entre ces possibilités : besoin dinformations * accélérateurs de particules (LHC au CERN, 2007) * données cosmologiques


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