Structure de la matière: l’atome
Structure de la matière: le noyau
Structure de la matière: isotopes
Enoncée pour la première fois en 1964 par Murray Gell-Mann et indépendamment par George Zweig, la théorie des quarks acquit ses lettres de noblesse au fur et à mesure qu'elle fut corroborée par les expériences. Ce n'est qu'en 1975 que les quarks furent détectés expérimentalement.
La taille des quarks est inférieure à 10-18 m; soit au moins mille fois plus petite que la taille d'un nucléon qui est de 10-15 m.
Les quarks sont les composants des nucléons (3 / nucléon).
Structure de la matière: quarks
La physique quantique va associer une onde et une particule, mais comment concilier le continu (ondes) avec le discontinu (particules)? C'est tout le paradoxe.
L’énergie du photon est définie par la formule de Planck :
E = hν h est la constante de Planck. h = 6,62 x 10 -34 J.s
Dualité onde-corpuscule
Modèle quantique de l’atome.
L'onde associée à l'électron correspond à une probabilité de trouver l’électron quantique en un endroit donné.
La particule n'est plus un point matériel classique mais un paquet d'ondes probabilistes, une superposition de mouvements potentiels. Les orbites électroniques (orbitales), sont des sphères floues de probilité de présence autour du noyau.
Principe d'indétermination d'Heisenberg
Cette loi aussi nommée principe d'incertitude, dit qu'il est impossible de déterminer avec précision et simultanément la position et la vitesse d'une particule comme l'électron. La notion de trajectoire exacte n'a pas de sens pour les particules.
Explication: on ne peut observer quelque chose qu'en l'éclairant avec de la lumière. Or à l'échelle de l'infiniment petit, le photon devient un projectile qui pourra déterminer la position de l'électron, mais qui aura en même temps modifié sa vitesse et sa trajectoire; celle ci ne pourra donc pas être connue en même temps. La moindre mesure interfère avec l'objet de la mesure... et la change!
Principe d’exclusion de Pauli (Wolfgang Pauli 1925)
Toutes les particules d'un même type ont une nature identique mais peuvent avoir des propriétés différentes.
Les électrons d'un même atome ont des énergies (liées à leurs orbites) différentes. Chaque particule possède ainsi un certain nombre de propriétés propres qui forment
"l'état de la particule"
Ex: position, énergie, vitesse, spin (moment angulaire), masse, charge etc…
Deux particules identiques peuvent-elles exister dans le même état physique?
NON: Fermi Enrico pour les « particules » classiques dont l’état suit la statistique de Fermi et Dirac: les FERMIONS
OUI : Satyendranath Bose pour les « ondes » dont
l’état suit la statistique de Bose et Einstein: les BOSONS
Les interactions sont expliquées en physique des particules comme l'échange, entre particules de matière, de particules de rayonnement (bosons).
Les interactions
Gravitation.
C'est en 1687 que le physicien anglais Isaac Newton fit la relation entre les astres qui s'attirent et nos objets familiers qui tombent par terre; telle la fameuse pomme qui, en tombant d'une branche sur la tête de Newton, lui donna cette révélation...
Gravitation.
Dans l'espace deux objets s'attirent d'autant plus fortement qu'ils sont massifs et qu'ils sont proches l'un de l'autre.
On peut considérer qu’un corps massique crée un champ de gravitation g = G.M / d2
Dès lors la force exercée sur une masse m est F = m. g .
Interaction électromagnétique
L'interaction électromagnétique gouverne toute la chimie. C'est elle qui attire l'électron (-) et le noyau (+) atomique.
En 1873 le physicien écossais James Clerk Maxwell unifie l'électromagnétisme et établit que la lumière (photon) est une onde électromagnétique (champ E et H croisé).
Interaction forte
L'interaction forte est responsable du confinement des protons et des neutrons dans les noyaux atomiques. Son intensité est considérable mais son rayon d'action est minuscule (10-15 mètre= noyau).
L'interaction forte s'exerce plus fondamentalement entre les constituants des nucléons: les quarks et les antiquarks. L'interaction forte s'exerce par l'intermédiaire d'un boson médiateur, le gluon (8 selon interaction quark/antiquark)
Interaction faible
Décrite en 1934 par le physicien italien Enrico Fermi la force faible maintient liés le nucléon et la paire électron (positon)-antinutrino (neutrino).
Intensité dix millions de fois plus petite que l'interaction forte et portée est la plus courte de toutes: elle agit à 10-18 mètres.
Les particules virtuelles médiatrices de l'interaction faible sont environ 100 fois plus massives que le proton! De plus, elles sont au nombre de trois: le boson Z0, les bosons W- et W+ .
Exemple d’interaction faible
Radioactivité β-
Radioactivité β+
Les Fermions
Les Bosons