De l’atome aux particules Interactions Fondamentales en Physique et en Astrophysique Département d’Astrophysique, de Géophysique et d’Océanographie Université de Liège Jean-René Cudell Alice Dechambre Denis Fontaine Jérémie Gillet Cédric Lorcé Alexandre Payez Sophie Pedoux

Atomes

Atomes : découverte Si on coupe des molécules : On ne perd pas de masse (Lavoisier) On garde les mêmes proportions qui sont des rapports d’entiers (Proust) Dalton (1803): les substances chimiques sont constituées d’entités universelles et un nombre entier d’atomes forme les molécules

L’atome contemporain Na, Xe sur Cu Palladium 1980 Gerd Bining Heinrich Rohrer 1980 Na, Xe sur Cu Palladium

Electron : découverte Thomson (1897): mH/me=2000

Noyaux : découverte Rutherford (1909)

L’atome planétaire Bohr (1913)

Noyaux Protons? Électrons? Par ex. : pour H, noyau=1 proton

Les rapports de masse ne sont pas constants. Piste : les isotopes Les rapports de masse ne sont pas constants. Beaucoup d’éléments correspondent à des atomes de masses différentes avec les mêmes propriétés chimiques : isotopes

Découverte du neutron Chadwick (1932)

Les isotopes sont des noyaux qui n’ont pas le même nombre de neutrons ! Nombre de protons=nombre d’électrons Les neutrons servent à éloigner les protons Trop de neutrons, trop de protons, ou des noyaux trop gros mène à une instabilité

Expérience 1

Radioactivités Une particule bêta est un électron : Q=-1 Une particule alpha est un noyau d’hélium : Q=+2 Le rayonnement gamma est similaire aux rayons X : Q=0

La radioactivité quotidienne Un rayonnement qui interagit fort n’est pas dangereux s’il est à l’extérieur. C’est l’absorption de substances radioactives (comme le césium et le strontium) qui est dangereuse. Notre corps contient environ 500000 désintégrations/heure

Alpha Un noyau qui est trop gros peut devenir plus stable en éjectant autant de neutrons que de protons (noyaux d’hélium)

Bêta moins neutron → proton+électron+antineutrino Pauli (1930) Un noyau qui a trop de neutrons les change en protons par désintégration beta -

Bêta plus proton lié → neutron+positon+neutrino Un noyau qui a trop de protons les change en neutrons par désintégration bêta +

excité et perde son énergie sous forme de rayonnement gamma Lors d’une désintégration, il arrive que le noyau fille se trouve dans un état excité et perde son énergie sous forme de rayonnement gamma

Particules et antiparticules (1931) P.A.M. Dirac Electron et Positon Neutrino et Antineutrino Photon P.A.M. Dirac (1931) Toutes identiques, de taille <1/1000 celle du noyau, universelles, sans états excités. Leurs interactions forment tout.

Forces Forte Les forces entre particules résultent de l’échange de particules virtuelles Forte Electromagnétique Faible Gravitation

Désintégration bêta, cycle du soleil, force médiateur agit sur explique _ p p e+ e- Chimie, biologie, physique atomique électricité… g électromagnétique _ _ p p n n _ e+ e- n n Désintégration bêta, cycle du soleil, traitements radiomédicaux W+, W- Z0 faible

Microscope inélastique Les quarks ont 3 charges fortes différentes Les médiateurs de l’interaction forte sont les gluons

Les extra-terrestres

Rayons cosmiques = protons, noyaux, gammas, neutrinos Au niveau du sol, on détecte surtout des muons, mais aussi des protons et des neutrons

Expérience 2

Le principe : la sursaturation

En pratique Une particule chargée qui passe perturbe le nuage et crée des gouttes