Des atomes aux particules… et au delà: ELEMENTAIRE, MON CHER WATSON!

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1 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

2 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

3 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

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

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

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

7 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…

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

9 He H2 masse

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

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

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

13 Le tableau périodique actuel

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

15 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 = m (il faut 10 millions atomes côte-à-côte pour faire 1 mm) (Remarque: la tome de Savoie = 102 mm)

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

17 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 : m noyau : m

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

19 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 =

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

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

23 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 400 e Découverte du quark t (1995) u d w e ne Désintégration du neutron :

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

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

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 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