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CLASSIFICATION
Depuis le début de notre voyage nous avons déjà rencontré plusieur particules : le photon, l'électron, le proton et le neutron, mais ce ne sont que deux membres d'une grande famille dont nous ne sommes d'ailleurs toujours pas sûr de la composition exacte.
Les particules élementaires
En physique des particules il est important de distinguer les particules élementaires des autres. Les particules élementaires se veulent être les composants les plus "petits" de notre univers.
Une particule élémentaire n'est par définition composée que d'elle même, contrairement aux autres particules subatomiques telles les protons et les neutrons qui sont elles composées d'autres particules élémentaires.
Le schéma ci-dessous vous présente les étapes de notre voyage :
- la matière est composée de molécules;
- les molécules sont composées d'atomes;
- au centre de l'atome nous trouvons le noyau atomique;
- le noyau atomique est composé de nucléons (protons et neutrons);
- les nucléons sont composés de quarks;
- les quarks sont des particules élémentaires.
De notre monde aux particules élémentaires.
Propriétés invariantes
CLASSIFICATION Les particules élementaires
Propriétés invariantes
- LA MASSE -- LA CHARGE ÉLECTRIQUE -
- SPIN -
- DURÉE DE VIE -
- ETC... -
Propriétés variables - L'ÉNERGIE -
- ETC... -
Matière et forces Matière et antimatière
Pour pouvoir classifier les particules il faut commencer par décrire les caractéristiques qui nous permettrons de les différencier.
- LA MASSE -
Je commencerais par la masse parcequ'il s'agit de la caractéristique qui nous est la plus familière. L'idée de masse en physique quantique ne diffère en rien de l'idée que nous pouvons en avoir à notre échelle.
Seulement comme cela aurait été trop simple, il y a quand même une petite différence :
la masse d'une particule ne s'exprime généralement pas en grammes comme nous en avons
l'habitude mais en eV/c2 (électronvolt
Un électronvolt correspond à l'énergie cinétique acquise par un électron sous une différence de potentiel de 1V, 1eV=1,6x10-19 Joules. par célérité au carré), le plus souvent nous réduisons cette unité en
eV (électronVolt).
Ramené aux unités dont nous avons l'habitude un eV vaut 1.783.10-36 kilogramme, soit moins de deux milliardièmes de milliardième de milliardième de milliardième de kilo.
L'électronvolt comme unité de masse
CLIQUEZ- un électronvolt (ou eV) est une unité d'énergie valant approximativement 1.6x10-19 joule, soit moins d'un milliardième de milliardième de joule,
- Albert Einstein, avec sa célèbre formule E=mxc2 nous a appris que l'énergie (E) était égale à la masse (m) multipliée par la vitesse de la lumière (c) au carré (c2),
- par conséquent la masse est égale à l'énergie divisée par la vitesse de la lumière au carré soit m=E/c2
- dans cette égalité, l'énergie E varie d'une particule à l'autre et la vitesse de la lumière c est une constante
L'électronvoltUn électronvolt correspond à l'énergie cinétique acquise par un électron sous une différence de potentiel de 1V, 1eV=1,6x10-19 Joules. est initialement une unité servant à exprimer l'énergie;
mais si l'on se réfère à la célèbre équation E=mc2, il y a une stricte proportionnalité entre l'énergie d'une particule (du moins son énergie de masse)
et sa masse. Il apparaît donc logique d'utiliser la même unité pour exprimer les deux propriétés (à un coefficient près).
Nous verrons d'ailleurs un peu plus tard comment il est possible de changer de l'énergie en masse et vice versa.
- LA CHARGE ÉLECTRIQUE -
N'avez-vous jamais frotter un tissu contre une règle en plastique, et observer que celle-çi attirait alors de petits objets tels que les cheveux ou des confettis de papier ?
Si oui, vous avez alors déjà reproduit ce qui fut sans doute l'expérience révélant la charge électrique. Elle fut réalisée par les anciens grecs qui remplacèrent la règle en plastique par de l'ambre et le tissus par de la fourrure. Le terme électrictié vient d'ailleurs du mot grec utilisé pour désigner l'ambre.
La charge électrique est un concept plus difficile à appréhender que la masse, nous la cotoyons toutefois quotidiennement sous la forme d'électricité. Contrairement à la masse, la charge électrique peut prendre des valeurs négatives.
Deux particules dont les charges sont de même signe se repoussent (une charge positive repousse une charge positive), et deux particules dont les charges sont de signes différents s'attirent (une charge négative attire une charge positive).
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| La répartition des charges électriques dans l'atome |
Nous avons au cours de notre voyage déjà rencontré deux particules chargées :
- le proton, composant du noyau de l'atome, est chargé positivement;
- l'électron, autre composant de l'atome est lui chargé positivement;
Le proton et l'électron, de part leurs charges opposées s'attirent donc, assurant ainsi la cohérence de l'atome.
- SPIN -
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| Wolfgang E. Pauli (1900 - 1958) |
Historiquement, la notion de spin a d'abord été introduite pour les électrons, par George Eugene Uhlenbeck et Samuel Abraham Goudsmit en 1925. Mais c'est Wolfgang Ernst Pauli qui en donna le premier une formulation conforme à la physique quantique.
Le spin a été découvert dans l'optique d'expliquer l'effet Zeeman anormal, qui ne collait pas avec la théorie quantique de l'époque.
L'effet Zeeman, découvert par Pieter Zeeman en 1896, consiste en la subdivision d'un spectre atomique lorsque sa source est soumise à un champ magnétique.
Je ne rentrerais pas ici dans les détails de ce qu'est un champ magnétique, je dirais simplement qu'il s'agit d'un champ invisible entourant par exemple un aimant.
Le spectre atomique
CLIQUEZNous avons vu dans le premier chapitre qu'un atome pouvait émettre des photons.
Nous avons également vu que l'énergie des photons émis par un atome donné ne pouvait pas prendre n'importe quelle valeur; l'ensemble des valeurs que peut prendre l'énergie d'un photon émis par un atome donné est le spectre atomique de cet atome.
A ceci près que le spectre n'étudie pas l'énergie mais la fréquence des photons, ce qui nous l'avons vu, est équivalent à un coefficient près (voir la constante de Planck).
Ci-dessus est présenté le spectre d'émission d'un atome de Cadmium. Chaque raie représente une fréquence spécifique. Nous voyons bien ici que l'atome n'émet qu'à certaines fréquence définies.
Chaque type d'atome a un spectre bien défini, ce qui nous permet de connaître la composition d'un objet en observant simplement la lumière qu'il émet. Ce procédé est notamment utilisé en astrophysique pour déterminer la composition de corps célèstes.
Le spin est souvent présenté comme l'expression de la rotation d'une particule sur elle même (plus exactement son moment angulaire)
Cette propriété à l'échelle quantique est tout autre que celle que nous pouvons imaginer à notre échelle, il est inconcevable que les particules tournent sur elles-mêmes de la même manière qu'une balle de tennis le ferait.
Le spin peut prendre des valeurs entières ou demi-entières (0, 1/2, 1, 2), nous n'avons prouvé à ce jour que l'existence de particules de spin 1/2 et 1, les particules de spin 0 (le boson de Higgs) et de spin 2 (le graviton) sont encore hypothétiques.
Les particules ayant un spin demi-entier s'appellent fermions, celles ayant un spin entier sont les bosons
. Nous verrons
dans un prochain chapitre les "rôles" respectifs de ces deux famille de particules.
- DURÉE DE VIE -
On peut classer les particules en deux catégories suivant leurs durées de vie :
- les particules stables ayant une durée de vie moyenne de de l'ordre de l'âge de l'univers ou même nettement supérieure ;
- les particules non stables ayant une duré de vie moyenne relativement courte (de quelques picossecondes à plusieurs secondes.
Les particules stables sont celles sue nous cotoyons le plus souvent et qui constituent en très grandes majorité l'univers nous entourant. Le proton le neutron et l'électron en font partie.
Nous ne pouvons parler pour un type de particule que d'une durée de vie moyenne. En effet si un type de particule a une durée de vie moyenne de l'ordre de l'âge de l'univers, il n'est toutefois pas impossible qu'une particule de ce type ne "vive" que quelques secondes.
- ETC... -
Il existe encore d'autre propriétés dont les implications sont moins évidentes et qui seront abordées dans un prochain chapitre.
Propriétés variables
CLASSIFICATION Les particules élementaires Propriétés invariantes - LA MASSE -
- LA CHARGE ÉLECTRIQUE -
- SPIN -
- DURÉE DE VIE -
- ETC... -
Propriétés variables
- L'ÉNERGIE -- ETC... -
Matière et forces Matière et antimatière
- L'ÉNERGIE -
Si l'énergie de masse est fixe pour une particule donnée, il n'en est pas de même pour les autres énergies. Parmi les formes d'énergie d'une particule on peut distinguer :
- l'énergie cinétique : elle correspond à l'énergie dûe à la vitesse de la particule, plus une particule va vite plus son énergie cinétique est grande;
- l'énergie potentielle : elle est l'énergie qu'un système est susceptible de délivrer, par exemple une balle de tennis tenu à un mettre du sol possède une énergie potentielle qu'elle délivrera sous forme d'énergie cinétique lorsque nous la lâcherons.
- ETC... -
Matière et forces
CLASSIFICATION Les particules élementaires Propriétés invariantes - LA MASSE -
- LA CHARGE ÉLECTRIQUE -
- SPIN -
- DURÉE DE VIE -
- ETC... -
Propriétés variables - L'ÉNERGIE -
- ETC... -
Matière et forces
Matière et antimatière
La physique des particules, de part le modèle standard, tente d'expliquer de manière exhaustive l'univers dans lequel nous vivons.
Pour définir complètement notre univers il faut définir la matière le composant mais également les forces qui animent cette matière.
C'est pourquoi dans notre univers composé (du moins nous le supposons) exclusivement de particules élémentaire, il faut en distinguer deux types :
- les particules composant la matière : les fermions (de spin 1/2);
- les particules responsables des interactions entres les fermions : les bosons (de spin 1).
Nous ne parlons ici que de particules élémentaires, ce que ne sont pas les protons et les neutrons qui sont eux même composés de particules élémentaires : les quarks.
Matière et antimatière
Qui n'a jamais entendu parler d'antimatière ? Cette substance mystérieuse qui selon les auteurs de StarTrek nous permetterait de traverser l'univers.
Chaque particule connue possède son antiparticule équivalente, ainsi à un électron nous pouvons associer un anti-électron (ou positon), à un neutron un antineutron ... C'est l'ensemble de ces antiparticules que nous appelons communément l'antimatière
Les antiparticules possèdent exactementles mêmes propriétés mécaniques que leurs équivalents standards, une particule a donc exactement la même masse que son antiparticule. Il n'en est pas de même des propriétés non mécaniques, puisqe celles-ci ont des prennent des valeurs exactement opposées. Ainsi si on notre la charge d'une particule +1, son antiparticule aura une charge de -1.
Le concept d'antimatière ne s'applique pas seulement au particules élémentaires, les antiparticules s'assemblent exactement de la même manière que les particules ordinaires pour former des antiatomes, des antimolécules ... on peut ainsi facilement imaginer qu'il puisse exister une "anti-Terre" faite d'antimatière mais fonctionnant d'une manière exactement similaire à la notre.
Croiser de l'antimatière dans notre quotidien est très difficile, voir impossible, dans la mesure où celle-ci s'annihile dès qu'elle rencontre de la matière. Quand une particules et son antiparticule se rencontrent, elles se transforment en énergie dégagée sous forme de photons. L'énergie dégagée se calcule alors facilement suivant la célèbre formule d'Einstein E=mc2, où m est la somme des masses de la particule et de son antiparticule (soit deux fois la masse de la particule). On arrive alors à la conclusion que du point de vue énergétique, 1 gramme d'antimatière est équivalent à plusieurs kilogrammes de plutonium, ou encore à plusieurs tonnes de charbon.
Les quantités astronomiques d'énergie dégagées lorsqu'une particule rencontre son anitparticule, ont amené de nombreux auteurs de science fiction à la présenté comme l'énergie idéale de propulsion des engins spciaux. Ce scénario n'est qu'utopie, car pour créer une antiparticule il faut dépenser au minimum deux fois l'énergie qu'elle nous rendrait sous forme de photon (beaucoup plus à l'heure actuelle).
Il est toutefois vrai que stocker l'antimatière nous permetterai d'avoir d'immense réservoir d'énergie dans des volumes très réduit.
Le mystère de notre existence
CLIQUEZNous avons vu dans le premier chapitre qu'un atome pouvait émettre des photons.
Nous avons également vu que l'énergie des photons émis par un atome donné ne pouvait pas prendre n'importe quelle valeur; l'ensemble des valeurs que peut prendre l'énergie d'un photon émis par un atome donné est le spectre atomique de cet atome.
Une des application les plus courante de l'antimatière sont les système d'imagerie TEP que l'on trouve dans les hôpitaux. L'imagerie TEP consiste à observer le cheminement d'atome radioactifs dans le corps humaines. Pour ce faire le patient absorbe des atomes radioactifs, ceux ci en se désintégrant émettent des positons, l'émission est continue tout au long de l'examen. Lorsqu'un positon est émis il rencontre presque immédiatement un électron, une paire de photons se produit lors de cette rencontre, ils sont émis dans dse sens opposé, détecter ses photons pemet de localiser précisément l'endroit où la désintégration a eu lieu. Meme s'ils sont en parti résolu l'antimatière n'a pas été sans poser de problèmes aux physiciens. Notamment à ceux qui étudient plus particulièrement la formation de l'univers; car selon la théorie il devait avoir à l'origine autant de matière que d'antimatière dans l'univers.
