Les constituants élémentaires de la matière Série d’exposés - Unité "Découverte" USTHB - Licence SM - 1ère année Années universitaires 2009-2010, 2010-2011 Chafik Benchouk USTHB – Faculté de Physique Laboratoire Sciences Nucléaires et Interaction Rayonnement-Matière

Faculté de Physique, salle PH-1-34 Contact : Faculté de Physique, salle PH-1-34 email : chafik_benchouk@yahoo.fr Version : 03 (12-12-2010) Enseignements 2009-2010 : 1er semestre : sections 5,6,7,8,C (2 séances) 2ème semestre : sections 1, 3, A et B (3 séances) Enseignements 2010-2011 : 1er semestre : sections 7,8,C 2ème semestre : sections

Excursion dans l’espace et le temps (et la matière) Exposé 1 Excursion dans l’espace et le temps (et la matière)

1ère partie Evasion vers le macrocosme un monde physique assez "familier" : le monde de "l'infiniment grand"

Au centre du Monde : l’Etudiant Dimension typique : 1 m Temps typique : 1 s (mouvements périodiques typiques : marche, clin d’œil, pulsation cardiaque) Durée de vie : 75 x 365 x 24 x 3600 = 2 109 s Matière constitutive : volume "solide" d’une masse de quelques kg (eau majoritaire) Les constituants élémentaires de la matière I

(Evasion) vers "l’infiniment grand" : le macrocosme (1) Terre : Taille : 107 m (rayon : 6400 km) Temps de rotation de la Terre sur elle-même : 8.6 104 s (1 jour) Masse : 6 1024 kg Soleil (étoile la plus proche) : Taille : 109 m (rayon : 7 108 m = 100 x le rayon de la Terre) Masse : 2 1030 kg Système solaire : Orbite terrestre : rayon moyen = 1.5 1011 m (200 fois le rayon du Soleil "seulement") Temps de rotation de la Terre sur son orbite : 3.1 107 s (1 année) Les constituants élémentaires de la matière I

( Unités astronomiques (de longueur) ) Règle générale : Nouvelles unités en fonction du domaine d’étude abordé (unités mieux adaptées) unité astronomique (notée au, pour "astronomical unit") 1 au = rayon moyen de l’orbite terrestre = 150 millions de km = 1.5 1011 m parsec (notée pc) 1 pc = distance à laquelle 1 au soustend un angle d'une seconde d'arc (= distance à laquelle Terre et Soleil sont vus sous une angle d'une seconde) 1 sec = 4.8 10-6 rad g 1 pc = (1.5 1011/ 4.8 10-6) m = 3.1 1016 m Les constituants élémentaires de la matière I

Vers « l’infiniment grand » : le macrocosme (3) La Voie Lactée (Notre Galaxie): ~ disque de rayon = 15 kpc ( = 4.6 1020 m) d'épaisseur = 1 kpc Distance Soleil-centre de la Galaxie : 8 kpc L'Univers : Rayon de 3 Gpc (1026 m) ("seulement" 200 000 fois notre Galaxie) Puissances de 10 Excursion Etudiant-Galaxie : 1020 Excursion Etudiant-Univers : 1026 Les constituants élémentaires de la matière I

Les constituants élémentaires de la matière I Les temps du Cosmos (1) Un peu de Science (Physique) : ajouter une (2ème) grandeur (physique) Temps 1 (rappel) : Terre : Temps de rotation de la Terre sur elle-même : 8.6 104 s (1 jour) Système solaire : Temps de rotation de la Terre sur son orbite : 3.1 107 s (1 année) Un peu PLUS de science : trouver le lien entre les grandeurs (physiques) de dimension longueur (taille) et temps Les constituants élémentaires de la matière I

Physique 1 : mécanique (classique) Recherche du lien entre orbite terrestre et période de révolution de la Terre sur cette orbite : travail du physicien "théoricien" résultat sous forme d'équation mathématique (reliant les grandeurs physiques) [physique = le "must" des sciences expérimentales] A noter : Équation mathématique = loi physique si elle est vérifiée expérimentalement Première branche de la physique rencontrée par l'étudiant : Mécanique classique (étudiée un peu au lycée puis en 1ère année de licence) A noter (pour la suite) : Mécanique dite "classique" = Mécanique non-relativiste Mécanique non-quantique Les constituants élémentaires de la matière I

Equation mathématique/loi physique (1) Cours de mécanique (1er semestre de licence) : Relation (lien) entre la période de révolution T et le rayon R de l'orbite (établie, facilement, dans l'hypothèse simple d'orbite circulaire) (voir exemple du satellite géostationnaire) En plus des grandeurs R et T, il apparaît dans la relation : une grandeur M (masse de l'objet "attracteur", ie Terre pour ses satellites, Soleil pour l'étude de l'orbite terrestre) une constante G (la "constante gravitationnelle") (G = 6.67 10-11 unité SI) Un facteur numérique (2p) proche de l'unité Les constituants élémentaires de la matière I

Equation mathématique/loi physique (2) Noter : Belle équation : bon modèle physique et également choix judicieux, c'est-à-dire adapté, des unités physiques g Un facteur numérique (2p) proche de l'unité Belle équation bis : bon modèle physique g au facteur numérique près (proche de 1), la relation (entre les grandeurs physiques pertinentes ) peut être obtenue par une analyse dimensionnelle (connue des lycéens ; à vérifier par l'étudiant : dimension de G à partir de la loi de gravitation et expliciter "l'unité SI" de G. Mais attention !! quel M ??) Equation dimensionnelle de la forme générale : Tl Rm Mn Gp = 1 (l,m,n,p nbres fractionnaires) Les constituants élémentaires de la matière I

Les constituants élémentaires de la matière I Travail du physicien Physicien 2 (appelé "phénoménologiste" en physique contemporaine) observation du phénomène, analyse du problème, créativité g trouver le bon modèle physique (en appliquer un existant, ou en inventer un nouveau) g c'est-à-dire : trouver les grandeurs physiques pertinentes g c'est-à-dire : trouver la relation entre les grandeurs physiques (au facteur numérique près) Physicien 3 (appelé "théoricien" en physique contemporaine) analyse rigoureuse (mathématique) du modèle physique g trouver le facteur numérique exact (et quelle masse précisément) Physicien 1 ou physicien 4 (appelé "expérimentateur" en physique contemporaine) mise à jour (découverte = observation expérimentale) d'un phénomène intéressant mesure la plus précise des paramètres du phénomène physique pour une comparaison à la prédiction du modèle théorique (ex : facteur numérique) Les constituants élémentaires de la matière I

Un domaine de la physique classique : l'Astronomie Astronomie observationnelle : discipline ancienne (Grecs, Arabes,…) Discipline à l'origine du développement de la physique dite "moderne" , c'est-à-dire en tant que science expérimentale Domaine d'application traditionnel de la mécanique classique : calcul des trajectoires de planètes Exemple de physicien Kepler (1571-1630) : physicien"1+2" Considéré comme le fondateur de l'astronomie moderne A découvert que les orbites des planètes sont des ellipses autour du Soleil A établi la relation (au facteur numérique près) entre la période T et le rayon R de l'orbite : En restant dans une discussion simplifiée assimilant l'orbite elliptique à une orbite ciculaire (Kepler a en réalité bien analysé le cas de l'orbite elliptique) : T2 ~ R3 Les constituants élémentaires de la matière I

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Fondateur de la physique "moderne" (mécanique) Galilée (1564-1642) : physicien"1+2" Considéré comme le fondateur de la science moderne : c'est-à-dire de la démarche expérimentale (vérification des lois théoriques par l'observation expérimentale) ; auparavant "science grecque". A étudié la chute des corps et découvert de la loi Dx ~ Dt2 (mouvement rectiligne uniformément accéléré) avec des expériences sur des boules roulant sur un plan incliné A inventé une lunette astronomique avec laquelle il fit des observations sur les planètes du système solaire A énoncé le principe d'inertie ("1ère loi de Newton") et la relativité du système d'observation Condamné à la prison à vie par l'Eglise chrétienne pour avoir soutenu, après Copernic (1473-1543) que la Terre tournait autour du Soleil Les constituants élémentaires de la matière I

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Premier unificateur de la physique (à suivre…) Newton(1642-1727) : physicien"2+3" (noter dates vs Galilée) Premier grand génie de la physique : a perçu l'unité de 2 phénomènes considérés jusque-là comme distincts : "un mouvement rectiligne uniformément accéléré" (la chute des corps sur terre, étudiée par Galilée) et "un mouvement (presque) circulaire uniforme" (mouvement des planètes, étudié par Kepler) A établi (1687) la loi de la gravitation universelle et en a déduit les lois de Kepler et la loi de la chute des corps (Galilée) A unifié la masse inertielle et la masse gravitationnelle Grâce à sa connaissance des mathématiques [calcul différentiel et intégral", c'à-d cours d'analyse de l'étudiant] – il était donc physicien "3" ("théoricien")- a établi l'équation fondamentale de la dynamique, dite 2ème loi de Newton Egalement physicien "1" (expérimentateur) : invention du télescope et travaux d'optique Les constituants élémentaires de la matière I

Une grandeur "Matière" / une "Charge" : la masse La masse des objets physiques de la mécanique : (2, 3) : lien entre grandeurs cinématiques de l'espace-temps, telles que la position, la vitesse et l'accélération (comprenant une dérivée du temps), une durée et grandeurs dynamiques, telles la force, la quantité de mouvement, l'énergie, à l'origine des grandeurs cinématiques ("cause du mouvement", par exemple) (1) la grandeur masse (propriété "intrinsèque" d'un corps de la mécanique classique) détermine de l'intensité de la force (interaction) gravitationnelle ressentie par ce corps. (1,2) égalité de la masse inertielle (2, quelle que soit la nature de la force) et de la masse gravitationnelle (1) Les constituants élémentaires de la matière I

Une (première) constante fondamentale : G Constante de gravitation G : (1) : caractérise l'intensité de la force (gravitationnelle) entre deux corps massifs (2,3) apparaît dans toutes les lois physiques des phénomènes dont l'origine est gravitationnelle : - directement (ex : 3) - indirectement (à travers des constantes dérivées ou locales) exemple : P = m g à la surface de la Terre Valeur de G déterminée expérimentalement : G = 6.67 10-11 unité SI Peut-être trouvera-t-on une théorie "au-delà" de la gravitation qui en donnera la valeur à partir de principes physiques encore plus fondamentaux (à suivre par l'étudiant futur physicien!) Les constituants élémentaires de la matière I

Une (première) interaction fondamentale : la gravitation Interaction mutuelle entre corps doués de masse non-nulle Intensité inversement proportionnelle à la distance entre les deux corps (~ 1/R2) Régit les phénomènes astronomiques jusqu'à une très grande échelle malgré la baisse de l'intensité avec la distance Régit également les problèmes de statique à la surface de la Terre (architecture, …) A noter : La lumière [constituée de particules de masse nulle (les photons, à suivre…)] est également sensible à la gravitation premier test décisif de la théorie de la relativité générale en 1919 (qui introduit une sorte de couplage espace-temps-matière) Conséquence de l'équivalence entre la grandeur masse et la grandeur énergie (introduite par la théorie de la relativité restreinte) Les constituants élémentaires de la matière I

Système (européen) de positionnement GALILEO (30 satellites) Les constituants élémentaires de la matière I

Lentille gravitationnelle ou mirage gravitationnel (tel qu'il serait vu par le télescope Hubble) Les constituants élémentaires de la matière I

Les constituants élémentaires de la matière I Les temps du Cosmos (2) Questions préliminaires : (1) La physique du cosmos a-t-elle avancé depuis trois siècles ? OUI (2) L'astronomie est-elle la seule discipline qui étudie le cosmos ? NON Temps 2 : Age de l'Univers : 13.7 milliards d'années (4 1017 s) ; "explosion initiale" (Big-Bang) Formation de la Terre et du système solaire: 4.5 milliards d'années A noter : Temps de la Biologie : Apparition de la Vie sur Terre : 3.5 milliards d'années Apparition des Mammifères : 200 millions d'années Mort du Soleil: dans env. 5 milliards d'années Autre discipline étudiant le cosmos : l'Astrophysique utilise d'autres branches de la physique que la mécanique et d'autres modes d'investigation expérimentale lien étroit avec les théories les plus récentes de la physique (obtenues dans un autre contexte que le contexte astronomique) Les constituants élémentaires de la matière I

"Anisotropies" du fond diffus cosmologique ("rayonnement à 3 K") "Souvenir" du Big-Bang (en fait 400 000 années après) : "Anisotropies" du fond diffus cosmologique ("rayonnement à 3 K") (image du satellite WMAP, 2008) Les constituants élémentaires de la matière I

( Masse (et énergie) de l'univers ) Matière visible / Matière noire : Seulement 20% de la masse de l'univers serait de la matière "habituelle" dite "visible": matière des étoiles (qu'il faut savoir "compter"), des planètes et des gaz interstellaires L'étude la dynamique de rotation des galaxies (dépendant de leur masse) suggère qu'il manque 80% de la masse de l'univers Sujet récent en astrophysique : recherche de cette masse ou matière "manquante", appelée, dans la littérature scientifique récente : matière noire, ou matière sombre (de l'anglais "dark matter") Energie visible / Energie noire : g "Rappel" : masse = énergie (en théorie de la relativité) Observations récentes sur l'expansion de l'univers (étude expérimentale d'étoiles en fin de vie dites "supernovae" lointaines) : cette expansion est accélérée Ces observations suggèrent que plus de 70% l'énergie de l'univers n'est pas de l'énergie liée à sa matière (même en tenant compte de la matière noire). Dénomination en littérature scientifique récente : énergie noire lien avec les théories les plus récentes de la physique (microscopique) Les constituants élémentaires de la matière I

Observation astronomique Instrument scientifique (1) : Lunette astronomique (Galilée, etc) Télescope (Newton, etc): observatoire terrestre, télescope spatial Instrument scientifique (2) : Radiotélescope (antenne) Objet physique permettant l'observation : Lumière : "visible" (1) ou "invisible" (2) g branche de la physique classique étudiant les phénomènes de lumière : optique (optique "géométrique", optique "ondulatoire") Les constituants élémentaires de la matière I

Les constituants élémentaires de la matière I Projet de l'ESO EELT (European Extremely Large Telescope) "Miroir" de 42 m de diamètre Télescope Hubble Les constituants élémentaires de la matière I

Radiotélescope d'Arecibo (Porto Rico, 1963) (antenne sphérique de 300 m de diamètre) Radiotélescope de Nançay (sud de Paris, 1953) (460 x 300 m2 ) Les constituants élémentaires de la matière I

Les 2 objets fondamentaux de la physique classique Point matériel : Modèle-limite des corps doués de masse de la mécanique classique Des objets comme la Terre, le Soleil (et l'Etudiant) peuvent être assimilés à des points matériels (situés en leurs centres de gravité) pour une grande partie des problèmes de la mécanique classique g Objet sans extension spatiale (mais avec une masse) Onde : g Objet avec une extension spatiale infinie (et une périodicité) Exemple de la lumière (se propageant dans le vide) Exemple des vibrations mécaniques (sous-entendu "matérielles" ) Produit des phénomènes d'interférences, de diffraction, … g Questions : - grandeurs transportées dans une onde mécanique (onde sonore, vague,…) ? - grandeurs transportées dans une onde lumineuse (se propageant dans le vide) ? Les constituants élémentaires de la matière I

Les constituants élémentaires de la matière I

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Une propriété de la lumière : sa vitesse (à suivre…) c ~ 300 000 km/s = 3 108 m/s Très grande vitesse mais FINIE À suivre : vitesse-limite de la nature : aucun objet physique ne la dépasse (certains objets, comme la lumière, l'atteignent) Les observations sur les objets physiques transmises par la lumière arrivent à sa vitesse (finie) ; donc en un temps fini - ex 1 : regard entre 2 étudiant(e)s dans l'amphi (10 m) : t = 30 ns - ex 2 : temps d'arrivée de la lumière du Soleil sur Terre (1.5 1011 m) : 8 mn g ex 3 : voyage de la lumière depuis les confins de l'Univers (1026 m) : 3 1017 s = 1010 = 10 milliards d'années (c'-à-d presque l'âge de l'univers ! La vitesse d'expansion de l'Univers est donc très grande !) Les constituants élémentaires de la matière I

2ème partie Plongée dans le microcosme en chemin vers "l'infiniment petit" : de nouveaux mondes

Au centre du monde : l’étudiant (bis) Dimension typique : 1 m Temps typique : 1 s (mouvements périodiques typiques : marche, clin d’œil, pulsation cardiaque) Durée de vie : 75 x 365 x 24 x 3600 = 2 109 s Matière constitutive : volume "solide" d’une masse de quelques kg (eau majoritaire) Les constituants élémentaires de la matière I

(Plongée) vers "l’infiniment petit" : le microcosme (1) Pouce de l'étudiant et puce (insecte) et puce (téléphone) : Taille : 10-2 m (unité pouce="inch" : 2.5 cm) Cheveu de l'étudiant : Taille : 10-4 m (= 0.1 mm = 100 mm) g limite de résolution de l'œil humain (en fonction de l'éclairage) g objet physique permettant la vision humaine : lumière "visible" (~"médiateur") Bactérie : Taille : 10-7 m à 10-5 m (0.1 à 10 mm) g instrument d'observation : microscope (accomplit un "agrandissement") g objet physique utilisé pour l'observation au microscope : lumière "visible" Une caractéristique physique d'une onde ayant la dimension longueur : longueur-d'onde lumière visible : "longueurs d'onde optiques" 0.39 mm < lopt < 0.76 mm Les constituants élémentaires de la matière I

Microscope optique couplé à une caméra vidéo Sang Microscope optique couplé à une caméra vidéo Les constituants élémentaires de la matière I

(Plongée) vers "l’infiniment petit" : le microcosme (2) Virus : Taille : 10 à 100 nm en général (10-8 m à 10-7 m) Taille du plus gros virus connu : 400 nm (plus gros qu'une bactérie)  culture de virus H1N1 et structure du virus de la grippe  structure d'un virus → 2 : filament d'acide nucléique (ADN ou ARN) Les constituants élémentaires de la matière I

(Plongée) vers "l’infiniment petit" : le microcosme (…) Macromolécules ("polymères"): Taille : 1 à 10 nm en général (10-9 m à 10-8 m) PET (poly-ethylène téréphtalate) ("bouteille plastique d'eau minérale") molécule d'ADN Les constituants élémentaires de la matière I

Observation du "microscopique" (2) Instrument d'observation des virus : Microscope électronique Principe : des faisceaux d'électrons remplacent les faisceaux de lumière visible. Observation des macromolécules (et des cristaux) : Diffusion de Rayons X Rayons X : rayons de "lumière" invisible (à l'œil) , de longueur d'onde plus courte que la lumière visible Principe : la lumière (visible ou invisible) révèle des structures de dimension proche de sa longueur d'onde (se rappeler phénomènes d'interférences et de diffraction) A suivre : les électrons ont également une caractéristique physique s'exprimant sous forme de longueur-d'onde (pour révéler des structures de dimension égale à cette longueur d'onde), et un comportement d'onde (diffraction, interférences)… Les constituants élémentaires de la matière I

( Les différents noms de la lumière ) Nom physicien de la lumière : Rayonnement électromagnétique Vers les grandes longueurs d'ondes : infrarouge : 10-6 m à 10-3 m micro-ondes, ondes radar : 10-3 m à 10-1 m ondes radio : au-dessus de 10-1 m Lumière "visible" : 0.4 10-6 m < l < 0.8 10-6 m Vers les petites longueurs d'ondes : ultraviolet : 10-6 m à 10-8 m rayons X : 10-8 m à 10-11 m rayons g (gamma) : au-dessous de 10-11 m Remarque : Noms utiles aux spécialistes ("jargon") pour résumer certaines propriétés du rayonnement électromagnétique. Retenir plutôt l'unité de la description de ce rayonnement sur toute l'étendue de son spectre Les constituants élémentaires de la matière I

Vers "l’infiniment petit" : molécules Molécule d'eau (H2O): Taille : 1 Å (angström) ; 1 Å = 10-10 m (distance entre le noyau d'oxygène et chaque noyau d'hydrogène = 0.96 Å) La molécule d'eau comme dipôle électrique Note (2ème semestre) : usage four à micro-ondes Les constituants élémentaires de la matière I

Vers "l’infiniment petit" : molécules (2) Molécules diatomiques : Oxygène O2 : taille = 1.2 Å (distance entre les deux noyaux) Hydrogène H2 : taille = 0.75 Å (distance entre les deux protons) Noyaux, protons : Proton : noyau le plus simple (atome d'hydrogène) Les constituants élémentaires de la matière I

Vers "l’infiniment petit" : cristaux Structure cristalline simple : Sel de cuisine Na+ Cl- : "taille" = 2.8 Å (distance entre un ion Na+ et un ion Cl- ) Les constituants élémentaires de la matière I

Vers "l’infiniment petit" : atomes Atome le plus simple: Hydrogène H : taille = 0.53 Å ("rayon") atome H : un proton + un électron exemples : Oxygène O, Azote N : atome = noyau + électrons atome XAZ : contient Z protons et Z électrons taille proche de la taille de l'atome d'hydrogène Les constituants élémentaires de la matière I

"Nouvelle" grandeur "Matière" / "Charge" : la charge électrique Rappel : masse des objets physiques de la mécanique (page 19) : (la grandeur masse (propriété "intrinsèque" d'un corps de la mécanique classique) détermine de l'intensité de la force (interaction) gravitationnelle ressentie par ce corps. Autre propriété que peuvent posséder les objets physiques : charge électrique (voir cours électricité au 2ème semestre) Au contraire de la masse (toujours positive), la charge électrique peut avoir une valeur négative (ou nulle) Les constituants élémentaires de la matière I

Charge électrique élémentaire Electron : qe = - 1.6 10-19 C ; unité de charge électrique : le coulomb (C) charge "négative" (signe pris par convention, "coïncidence historique") Proton : qp = + 1.6 10-19 C charge "positive" (c'est-à-dire opposée à celle de l'électron) (1) Egalité |qe | = |qp | Cette égalité semble rigoureuse (à la précision expérimentale actuelle) Conséquence : assemblages atomiques neutres (du point de vue électrique) à grande distance g Mais : existence de structures en dipôles électriques (ex : molécule d'eau), aux effets observables à distance "modérée" (c-à-d au-delà de la distance atomique) (2) |qe | : charge élémentaire ("discrétisation" de la charge électrique) Tous les objets physiques observés dans la nature ont une charge multiple de qe (au signe près) Il ne semble pas exister de charge électrique infiniment petite (plus petite que |qe |) g MAIS : existence de sous-constituants du proton (appelés QUARKS) dont la charge est ±1/3 |qe | (A suivre !...) Les constituants élémentaires de la matière I

"Nouvelle" interaction fondamentale : l'interaction électrique Rappel : interaction gravitationnelle (page 21) : Loi de Newton : Interaction électrique : Loi de Coulomb : (établie en 1785, un siècle après la loi de Newton) Remarquable : même dépendance en 1/R2 des deux forces ! (vérifiée aux distances accessibles à l'expérience) Question 1 (que l'on doit se poser) : ces deux lois seront-elles valables pour R infiniment petit ? Question 2 (que l'on doit se poser) : la même dépendance en 1/R2 est-elle une coïcidence ? Réflexe (en attendant réponses) : comparer les deux forces (voir plus loin) Les constituants élémentaires de la matière I

Portée des interactions gravitationnelle et électrique Portée : distance à laquelle l'interaction peut être ressentie Autre propriété remarquable : portée infinie des deux forces ! (à distance infinie, intensités des deux forces faibles mais non nulles) Question : l'architecture des systèmes astronomiques est pourtant régie ("seulement") par l'interaction gravitationnelle. Pourquoi ? Réponse : matière neutre du point de vue électrique à grande distance donc force électrique nulle (alors que l'interaction électrique est "intrinsèquement" plus forte que l'interaction gravitationnelle, voir pages suivantes…) Les constituants élémentaires de la matière I

Une (nouvelle) constante fondamentale : k Constante de l'interaction électrique k: caractérise l'intensité de la force (électrique) entre deux corps chargés (statiques) Valeur de k déterminée expérimentalement : k = 9 109 unité SI Les constituants élémentaires de la matière I

Intensité de la force gravitationnelle : exemples Domaine astronomique : Exercice utilisant les données astronomiques (début de l'exposé : masses et distances Terre, Soleil,…) : Fg entre la Terre et le Soleil : 3.5 1022 N Fg entre la Terre et la Lune : 2 1020 N Domaine "macroscopique" : Fg entre 2 étudiant(e)s de 60 kg distants de 1 m : 2.4 10-7 N Fg entre un étudiant de 60 kg (à la surface de la Terre) : 600 N (évidemment, c'est son poids P= mg) rapport entre la force (gravitationnelle) mutuelle de 2 étudiant(e)s et leur poids : 4 10-10 Domaine atomique : Nouvelles données : masse de l'électron : me = 9.1 10-31 kg masse du proton : mp = 1.67 10-27 kg ( retenir : mp / me ≈ 2000) Fg entre l'électron et le proton dans l'atome d'hydrogène : 4 10-47 N (électron et proton proches mais de petites masses) Les constituants élémentaires de la matière I

Interaction électrique : architecte du monde atomique Fe entre l'électron et le proton dans l'atome d'hydrogène : 8 10-8 N (comparer à Fg entre 2 étudiants ! ) Rapport Fe/ Fg pour l'électron et le proton de l'atome d'hydrogène : 2 1041 ! A l'échelle atomique : Interaction gravitationnelle négligeable Tous les phénomènes atomiques (et moléculaires) sont dus à l'effet de l'interaction électrique Phénomènes atomiques dérivés : Chimie Biologie (les 5 sens, …) Électricité, magnétisme (unifiés → électromagnétisme) Electronique Physique des matériaux (propriétés électriques, thermiques, mécaniques) Les constituants élémentaires de la matière I

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Les constituants élémentaires des chimistes : les "éléments" Recherche d'unité, de symétrie : Classification de Mendeleiev (tableau périodique des "éléments" , 1869) Obtenu par comparaison des propriétés chimiques des éléments, antérieurement à la découverte des atomes À suivre : démarche tout à fait féconde pour anticiper ordre sous-jacent → exemple plus récent : classification des "hadrons" par leurs propriétés avant l'invention et la découverte des "quarks" qui les composent (Gell-Mann et Neeman, 1961, à suivre…) Les constituants élémentaires de la matière I

Histoire des constituants élémentaires Les constituants élémentaires de la matière I

L'intérieur des atomes : électrons et noyaux Noyau atomique: Assemblage de protons et de neutrons noyau XAZ : contient Z protons et (A-Z) neutrons Taille : rA= r0 A1/3 r0 = 1.2 10-15 m = 1.2 fm Nouvelle unité : fm = femto-m (ou fermi) Ex : noyau de carbone (A=12) : rayon ≈ 2.7 fm noyau de plomb (A=208) : rayon ≈ 7 fm Noter : le vide atomique Rappel : rayon orbite terrestre / rayon du Soleil = 200 ("seulement", voir plus haut) Rayon atome d'hydrogène : R1 = 0.53 Å Atome de numéro atomique Z : les électrons sont entre r = R1/Z et r = R1 (rayon nuage d'électrons)/(rayon noyau) ≈ 103 -105 : encore plus de vide dans l'atome que dans le système solaire ! ( « vide atomique » vs « vide sidéral » ) Les constituants élémentaires de la matière I

Expérience de diffusion de Rutherford-Geiger-Marsden Expérience de Geiger et Marsden (en collaboration avec Rutherford (1910) expérience de diffusion de particules d'un faisceau par des particules d'une cible : expérience typique pour l'étude des constituants élémentaires, toujours utilisée (de nos jours, avec des faisceaux de très haute énergie auprès des accélérateurs de particules) Expérience historique de 1910 : - faisceau : particules a (noyaux d'hélium) produits par une source radioactive et "collimées" par un système de blindage (en plomb) - cible : feuille d'or - détecteur des particules après diffusion : plaques scintillantes (sulfure de zinc) Les constituants élémentaires de la matière I

Les constituants élémentaires de la matière I Découverte du noyau (et du "vide atomique") : interprétation de Rutherford Observation expérimentale : La plupart des particules a du faisceau traversent la cible sans déviation notable MAIS Quelques particules déviées à grand angle, et même à 180° Interprétation : - atomes essentiellement "vides" mais centres "très" diffuseurs concentrés dans l'atome : les noyaux Les constituants élémentaires de la matière I

Un compagnon du proton : le neutron Masse proche de la masse du proton Charge électrique nulle Conséquence 1: la masse de l'atome est concentrée dans le noyau ( rappel : mp / me ≈ 2000 et mn ≈ mp ) Conséquence 2 : Fg entre proton/neutron et proton/neutron dans le noyau (distance d'env. 1 fm) : 2 10-34 N La force gravitationnelle (attractive) reste négligeable devant la force électrique (répulsive entre protons, nulle entre neutrons) Les constituants élémentaires de la matière I

Une nouvelle interaction : l'interaction nucléaire Force attractive entre protons et neutrons (nucléons) compensant la force répulsive entre protons et assurant la cohésion des noyaux atomiques Les constituants élémentaires de la matière I

Portée et intensité de l'interaction nucléaire Expression de l'intensité : Cn : équivalent des constantes d'interaction G et k Cn ≈ 10-24 unité SI Courte portée de l'interaction (ressentie seulement à l'intérieur du noyau) : l = 1.4 fm Les constituants élémentaires de la matière I

Comparaison des intensités de la force nucléaire et de la force électrique pour deux protons A des distances inférieures ou proches de la taille des noyaux : à r = 0.5 fm : Fn / Fe ≈ 3000 à r = 1 fm : Fn / Fe ≈ 2000 à r = 1.4 fm : Fn / Fe ≈ 1500 A des distances supérieures à la taille des noyaux : à r = 10 fm : Fn / Fe ≈ 3 à r = 102 fm : Fn / Fe ≈ 10-27 Courte portée de l'interaction nucléaire : Prédominance aux petites distances Evanescence aux grandes distances Les constituants élémentaires de la matière I

Il y a également une "charge nucléaire" protons et neutrons sont appelés nucléons et portent la même charge nucléaire (égale à l'unité, par convention). La force nucléaire entre nucléons est attractive. L'électron a une charge nucléaire nulle (de même que le photon). Il ne ressent pas l'interaction nucléaire Les constituants élémentaires de la matière I

A l'intérieur des nucléons : les quarks (1) Les quarks, d'abord invention théorique : 1961 (Gell-Mann et Neeman) : invention d'un schéma de classification (mathématique, théorie des groupes) des nouvelles "particules élémentaires" ("trop nombreuses") : les hadrons (particules de la famille du proton et du neutron) Se rappeller démarche de Mendeleiev un siècle plus tôt ! 1964 : confirmation expérimentale de certaines prédiction du schéma (découverte de la particule W) 1964-bis : invention des quarks (Gell-Mann et Zweig) comme constituants des hadrons (à l'époque 3 quarks, actuellement 6). Les constituants élémentaires de la matière I

A l'intérieur des nucléons : les quarks (2) Les quarks, réalité expérimentale : 1969 (Accélérateur d'électrons de Stanford) : expérience de diffusion d'électrons par des cibles de protons (semblable à l'expérience de Rutherford) Mesures expérimentales (distribution des angles de diffusion) interprétées par l'existence de centres diffuseurs à l'intérieur du proton de charges +2/3 |qe | et -1/3 |qe | (charges "fractionnaires) , exactement comme les quarks de la théorie ! Les constituants élémentaires de la matière I

A l'intérieur des nucléons : des quarks très liés Dans les hadrons (comme les protons) les quarks existent toujours par triplet (ou "doublet") Une interaction "forte" les lie à l'intérieur des nucléons L'interaction "nucléaire" (celle ressentie par les nucléons) est une conséquence ("réminescence") de cette interaction "d'origine". Les constituants élémentaires de la matière I

Et à l'intérieur des électrons (et des quarks) ? Avec les moyens d'observation actuels : L'électron (et les quarks) semblent plus petits que 10-18 m L'électron (et les quarks) ont peut-être des sous-constituants mais on ne peut pas les voir… Puissances de 10 Excursion Etudiant-Galaxie : 1020 (Excursion Etudiant-Univers : 1026) Excursion Etudiant-Electron/Quark : 1018 → MEME VERTIGE ?! Les constituants élémentaires de la matière I

Les constituants élémentaires de la matière I Fin de l'exposé 1 Les constituants élémentaires de la matière I