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

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

Plan de l’exposé Des « quatre éléments » à l’atome et au tableau périodique De l’atome aux particules élémentaires Au delà: la théorie des cordes? Premières définitions de l’élémentarité Changement de la notion d’élémentarité Une nouvelle idée de l’élémentarité

l’air la terre Les 4 éléments l’eau le feu

soufre mercure éléments de contrôle sel l’air la terre etc... l’eau le feu

Boyle (1627 - 1691) Éléments: Substances se combinant entre elles pour former des composés mais ne pouvant être réduites à d’autres substances plus simples

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

L’hypothèse atomique J. Dalton (1803): Eau = Hydrogène + Oxygène = H2O volumes = 2 1 = H2O La matière est granulaire : elle est composée d’atomes

He H2 masse

Dmitri Ivanovitch Mendeleiev (1834-1907) Rangement des éléments selon leurs propriétés chimiques (1869)

Le tableau périodique de Mendeleiev (1869) ? Sel = NaCl ; Acide chlorhydrique = HCl Eau = H2O ; H2S (boules puantes - œufs pourris)

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

Le tableau périodique actuel

L’élémentarité en chimie Atome: l’élément chimique Explication des propriétés chimiques ? Explication des masses atomiques ? Liste longue et régularité ?

Puissances de 10 1 mm (millimètre) = 10-3 m (mètre) 1 cheveu = 10-2 mm = 10-5 m (il faut 100 cheveux côte-à-côte pour couvrir 1 mm) 1 atome d’hydrogène = 10-7 mm = 10-10 m (il faut 10 millions atomes côte-à-côte pour faire 1 mm) (Remarque: la tome de Savoie = 102 mm)

L’expérience de Rutherford (1912) Sonder l’atome ? Résultat :

L’atome est composé e Un noyau central (+) Des électrons (-1) répartis en couches Le tableau de Mendeleiev est expliqué (numéro atomique, propriétés chimiques, …) atome : 10-10 m noyau : 10-14 m

Le noyau est composé e noyau: 10-14 m Deux particules ingrédients : le proton (+1) et le neutron (0) Bonus : masses atomiques expliquées

Les quarks d u u d u (+ ) d (- ) proton (10-15 m) +1 = neutron 2 3 _ d (- ) 1 u d proton (10-15 m) +1 = 2 3 _ + 2 3 _ + 1 3 _ - neutron (10-15 m) u d 2 3 _ + 1 3 _ - 1 3 _ - 0 =

Équivalence masse-énergie De la masse peut donner de l’énergie De l’énergie peut donner de la masse : mc2 = E E = mc2

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

Interactions u d Électromagnétique Nucléaire forte e Nucléaire faible ne Gravitation ...

Particules de matière -1 - 1/3 ne nm e t d s b c u + 2/3 nt m charge électrique interaction forte ne nm e t d s b c u -1 + 2/3 - 1/3 insensibles sensibles leptons quarks Interaction faible nt m 1 10 3600 210 3000 20 9400 350 000 400 e Découverte du quark t (1995) u d w e ne Désintégration du neutron :

Particules messagères Électromagnétisme photon g Interaction faible bosons W+, W-, Z0 Interaction forte 8 gluons g 200 000 Comment expliquer les masses ? Pourquoi trois interactions ? Pourquoi trois familles ?

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

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 !

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