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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
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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)
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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
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l’eau
le feu
la terre
l’air
Les 4 éléments
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l’eau
le feu
la terre
l’air
éléments
de contrôle
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Boyle (1627 - 1691)
Éléments: Substances se combinant entre elles pour former des composés mais ne pouvant être réduites à d’autres substances plus simples
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Chimie naissante (1766)
Oxygène Hydrogène
Argent Azote Calcium Carbone ChloreCuivre
ÉtainFerHydrogèneIodeMagnésiumOr
Oxygène Plomb PotassiumSodium Zincetc…
BOUM!
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L’hypothèse atomique
Eau = Hydrogène + Oxygènevolumes = 2 1
J. Dalton (1803):
La matière est granulaire : elle est composée d’atomes
= H2O
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HeH2 H2
207 Plomb200,5 Mercure108 Argent65 Zinc59 Cobalt - Nickel
35,5 Chlore32 Soufre16 Oxygène14 Azote12 Carbone11 Sodium 7 Lithium1 Hydrogène
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Dmitri Ivanovitch Mendeleiev (1834-1907)
Rangement des éléments selon leurs propriétés chimiques(1869)
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Le tableau périodique de Mendeleiev (1869)
?
?
?
??
?? ?
Sel = NaCl ; Acide chlorhydrique = HCl
Eau = H2O ; H2S (boules puantes - œufs pourris)
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Le tableau périodique à la fin du XIXième siècle
?
?
?? ?
Scandium (1879)
Germanium (1886)
Gallium(1875)
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Le tableau périodique actuel
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L’élémentarité en chimie
• Atome: l’élément chimique
• Explication des propriétés chimiques ?
• Explication des masses atomiques ?
• Liste longue et régularité ?
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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)
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L’expérience de Rutherford (1912)Sonder l’atome
?
Résultat :
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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
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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
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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
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Équivalence masse-énergie•De la masse peut donner de l’énergie
•De l’énergie peut donner de la masse :
mc2 = E
E = mc2
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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
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Interactions
e
ee
e
e
ee
ÉlectromagnétiqueNucléaire forte
u
u
d
Nucléaire faible
uu
du dd
e
ne
Gravitation ...
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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
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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
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Une possibilité : les cordes
• Particules = mode de vibration (matière ou messagère)
• Masse = fréquence de l’harmonique
Bonus : interaction gravitationnelle !
Élément = corde
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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 !
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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