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

lapTh

Préparation collective:

P. Aurenche, L. Gallot, J.P. Guillet, E. Pilon, E. Ragoucy, R.Taillet

Chercheurs au LAPTH

L’élément en physique

De quoi est faite la matière ?

Démocrite (400 av. J.C.): matière granulaire

Rejetée par Platon, Aristote

ATOMES• indivisibles, éternels• variables en taille, masse, forme• se combinant entre eux

Vision matérialiste, mécaniste de la natureInvérifiable (à cette époque)

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?Une nouvelle idée de l’élémentarité

Premières définitions de l’élémentarité

Changement de la notion d’élémentarité

l’eau

le feu

la terre

l’air

Les 4 éléments

l’eau

le feu

la terre

l’air

éléments

de contrôle

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)

Oxygène Hydrogène

Argent Azote Calcium Carbone ChloreCuivre

ÉtainFerHydrogèneIodeMagnésiumOr

Oxygène Plomb PotassiumSodium Zincetc…

BOUM!

L’hypothèse atomique

Eau = Hydrogène + Oxygènevolumes = 2 1

J. Dalton (1803):

La matière est granulaire : elle est composée d’atomes

= H2O

HeH2 H2

207 Plomb200,5 Mercure108 Argent65 Zinc59 Cobalt - Nickel

35,5 Chlore32 Soufre16 Oxygène14 Azote12 Carbone11 Sodium 7 Lithium1 Hydrogène

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

•Un noyau central (+)•Des électrons (-1) répartis en couches

•Le tableau de Mendeleiev est expliqué (numéro atomique, propriétés chimiques, …)

e

ee

e

e

e

e

atome : 10-10 m noyau : 10-14 m

Le noyau est composé

•Deux particules ingrédients : le proton (+1) et le neutron (0)•Bonus : masses atomiques expliquées

e

e

e

e

e

e

enoyau:10-14 m

Les quarks

13_-2

3_+

13_-

+1 = 23_+2

3_+

13_-

proton(10-15 m)

neutron(10-15 m)

0 =

u (+ )23_

d (- )13_

u

u

d

u

dd

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

e

ee

e

e

ee

ÉlectromagnétiqueNucléaire forte

u

u

d

Nucléaire faible

uu

du dd

e

ne

Gravitation ...

Particules de matière

e

Désintégration du neutron :

Découverte du quark t (1995)

uu

d uu

duu

du dd

u dd

u dd

wwwe new

e nene

ne

charge électrique

interactionforte

nenm

e t

d s

t

b

cu

0

-1

+ 2/3

- 1/3

insensibles

sensibles

leptons

quarks Inte

ract

ion

faib

le nt

m

1

10

3600210

3000

20 9400

350 000

400

Particules messagères

• Comment expliquer les masses ?• Pourquoi trois interactions ?• Pourquoi trois familles ?

Électromagnétisme photon g

Interaction faible bosons W+, W-, Z0

Interaction forte 8 gluons g

0

200 000

0

Une possibilité : les cordes

• Particules = mode de vibration (matière ou messagère)

• Masse = fréquence de l’harmonique

Bonus : interaction gravitationnelle !

Élément = corde

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

Chimie Particules élémentaires (aujourd’hui)

Atomes

Autres particules :

électrons

quarks u, d

neutronsprotons

- matière- interactions

Aller au delà : une possibilité, les cordes ?

Décider entre ces possibilités : besoin d’informations

* accélérateurs de particules (LHC au CERN, 2007)* données cosmologiques