Les constituants

1
Les constituants élémentaires de la matière
Série dexposés - Unité "Découverte" USTHB -
Licence SM - 1ère année Années universitaires
2009-2010, 2010-2011 Chafik Benchouk USTHB
Faculté de Physique Laboratoire Sciences
Nucléaires et Interaction Rayonnement-Matière
2
Contact Faculté de Physique, salle PH-1-34
email chafik_benchouk_at_yahoo.fr Version
03 (12-12-2010) Enseignements 2009-2010 1er
semestre sections 5,6,7,8,C (2 séances) 2ème
semestre sections 1, 3, A et B (3 séances)
Enseignements 2010-2011 1er semestre
sections 7,8,C 2ème semestre sections
3
Excursion dans lespace et le temps (et la
matière)
Exposé 1
4
Evasion vers le macrocosmeun monde physique
assez "familier" le monde de "l'infiniment
grand"
1ère partie
5
Au centre du Monde lEtudiant

• Dimension typique 1 m
• Temps typique 1 s (mouvements périodiques
  typiques marche, clin dœil, pulsation
  cardiaque)
• Durée de vie 75 x 365 x 24 x 3600 2 109
  s
• Matière constitutive
• volume "solide" dune masse de quelques kg
• (eau majoritaire)

6
(Evasion) vers "linfiniment grand" le
macrocosme (1)

• Terre
• Taille 107 m (rayon 6400 km)
• Temps de rotation de la Terre sur elle-même
  8.6 104 s (1 jour)
• Masse 6 1024 kg
• Soleil (étoile la plus proche)
• Taille 109 m
• (rayon 7 108 m 100 x le rayon de la Terre)
• Masse 2 1030 kg
• Système solaire
• Orbite terrestre rayon moyen 1.5 1011 m
• (200 fois le rayon du Soleil "seulement")
• Temps de rotation de la Terre sur son orbite
• 3.1 107 s (1 année)

7
( Unités  astronomiques (de longueur) )
Règle générale Nouvelles unités en fonction du
domaine détude abordé (unités mieux adaptées)

• unité astronomique (notée au, pour "astronomical
  unit")
• 1 au rayon moyen de lorbite terrestre 150
  millions de km 1.5 1011 m
• parsec (notée pc)
• 1 pc distance à laquelle 1 au soustend un angle
  d'une seconde d'arc
• ( distance à laquelle Terre et Soleil
  sont vus sous une angle d'une seconde)
• 1 sec 4.8 10-6 rad g 1 pc (1.5 1011/ 4.8
  10-6) m 3.1 1016 m

8
Vers  linfiniment grand   le macrocosme (3)

• La Voie Lactée (Notre Galaxie)
• disque de rayon 15 kpc ( 4.6 1020 m)
• d'épaisseur 1 kpc
• Distance Soleil-centre de la Galaxie 8 kpc
• L'Univers
• Rayon de 3 Gpc (1026 m)
• ("seulement" 200 000 fois notre Galaxie)

• Puissances de 10
• Excursion Etudiant-Galaxie 1020
• Excursion Etudiant-Univers 1026

9
Les temps du Cosmos (1)

• Un peu de Science (Physique)
• ajouter une (2ème) grandeur (physique)
• Temps 1 (rappel)
• Terre Temps de rotation de la Terre sur
  elle-même 8.6 104 s (1 jour)
• Système solaire Temps de rotation de la Terre
  sur son orbite 3.1 107 s (1 année)

• Un peu PLUS de science
• trouver le lien entre les grandeurs (physiques)
  de dimension longueur (taille) et temps

10
Physique 1 mécanique (classique)

• Recherche du lien entre orbite terrestre et
  période de révolution de la Terre sur cette
  orbite
• travail du physicien "théoricien"
• résultat sous forme d'équation mathématique
  (reliant les grandeurs physiques)
• physique le "must" des sciences
  expérimentales
• A noter Équation mathématique loi
  physique
• si elle est vérifiée
  expérimentalement
• Première branche de la physique rencontrée par
  l'étudiant
• Mécanique classique (étudiée un peu au
  lycée puis en 1ère année de licence)

• A noter (pour la suite)
• Mécanique dite "classique"
• Mécanique non-relativiste
• Mécanique non-quantique

11
Equation mathématique/loi physique (1)

• Cours de mécanique (1er semestre de licence)
• Relation (lien) entre la période de révolution T
  et le rayon R de l'orbite
• (établie, facilement, dans l'hypothèse
  simple d'orbite circulaire)
• (voir exemple du satellite géostationnaire)

• En plus des grandeurs R et T, il apparaît dans la
  relation
• une grandeur M (masse de l'objet "attracteur",
  ie Terre pour ses satellites, Soleil pour l'étude
  de l'orbite terrestre)
• une constante G (la "constante gravitationnelle")
• (G 6.67 10-11 unité SI)
• Un facteur numérique (2p) proche de l'unité

12
Equation mathématique/loi physique (2)

• Noter
• Belle équation bon modèle physique et également
  choix judicieux, c'est-à-dire adapté, des unités
  physiques
• g Un facteur numérique (2p) proche de l'unité
• Belle équation bis bon modèle physique
• g au facteur numérique près (proche de 1), la
  relation (entre les grandeurs physiques
  pertinentes ) peut être obtenue par une analyse
  dimensionnelle
• (connue des lycéens à vérifier par l'étudiant
  dimension de G à partir de la loi de gravitation
  et expliciter "l'unité SI" de G. Mais attention
  !! quel M ??)
• Equation dimensionnelle de la forme générale
  
• Tl Rm Mn Gp 1 (l,m,n,p nbres fractionnaires)

13
Travail du physicien

• Physicien 2 (appelé "phénoménologiste" en
  physique contemporaine)
• observation du phénomène, analyse du
  problème, créativité
• g trouver le bon modèle physique (en appliquer
  un existant, ou en inventer un nouveau)
• g c'est-à-dire trouver les grandeurs
  physiques pertinentes
• g c'est-à-dire trouver la relation entre les
  grandeurs physiques (au facteur numérique près)
• Physicien 3 (appelé "théoricien" en physique
  contemporaine)
• analyse rigoureuse (mathématique) du modèle
  physique
• g trouver le facteur numérique exact (et quelle
  masse précisément)
• Physicien 1 ou physicien 4 (appelé
  "expérimentateur" en physique contemporaine)
• mise à jour (découverte observation
  expérimentale) d'un phénomène intéressant
• mesure la plus précise des paramètres du
  phénomène physique pour une comparaison à la
  prédiction du modèle théorique (ex facteur
  numérique)

14
Un domaine de la physique classique l'Astronomie

• Astronomie observationnelle discipline ancienne
  (Grecs, Arabes,)
• Discipline à l'origine du développement de la
  physique dite "moderne" , c'est-à-dire en tant
  que science expérimentale
• Domaine d'application traditionnel de la
  mécanique classique calcul des trajectoires de
  planètes

• Exemple de physicien
• Kepler (1571-1630) physicien"12"
• Considéré comme le fondateur de l'astronomie
  moderne
• A découvert que les orbites des planètes sont des
  ellipses autour du Soleil
• A établi la relation (au facteur numérique près)
  entre la période T et le rayon R de l'orbite
• En restant dans une discussion simplifiée
  assimilant l'orbite elliptique à une orbite
  ciculaire (Kepler a en réalité bien analysé le
  cas de l'orbite elliptique)
• 
  T2 R3

15
(No Transcript)
16
Fondateur de la physique "moderne" (mécanique)

• Galilée (1564-1642) physicien"12"
• Considéré comme le fondateur de la science
  moderne c'est-à-dire de la démarche
  expérimentale (vérification des lois théoriques
  par l'observation expérimentale) auparavant
  "science grecque".
• A étudié la chute des corps et découvert de la
  loi Dx Dt2 (mouvement rectiligne uniformément
  accéléré) avec des expériences sur des boules
  roulant sur un plan incliné
• A inventé une lunette astronomique avec laquelle
  il fit des observations sur les planètes du
  système solaire
• A énoncé le principe d'inertie ("1ère loi de
  Newton") et la relativité du système
  d'observation
• Condamné à la prison à vie par l'Eglise
  chrétienne pour avoir soutenu, après Copernic
  (1473-1543) que la Terre tournait autour du Soleil

17
(No Transcript)
18
(No Transcript)
19
Premier unificateur de la physique (à suivre)

• Newton(1642-1727) physicien"23" (noter dates
  vs Galilée)
• Premier grand génie de la physique
• a perçu l'unité de 2 phénomènes considérés
  jusque-là comme distincts
• "un mouvement rectiligne uniformément
  accéléré" (la chute des corps sur terre, étudiée
  par Galilée) et
• "un mouvement (presque) circulaire uniforme"
  (mouvement des planètes, étudié par Kepler)
• A établi (1687) la loi de la gravitation
  universelle
• et en a déduit les lois de Kepler et la loi
  de la chute des corps (Galilée)
• A unifié la masse inertielle et la masse
  gravitationnelle
• Grâce à sa connaissance des mathématiques calcul
  différentiel et intégral", c'à-d cours d'analyse
  de l'étudiant il était donc physicien "3"
  ("théoricien")- a établi l'équation fondamentale
  de la dynamique, dite 2ème loi de Newton
• Egalement physicien "1" (expérimentateur)
  invention du télescope et travaux d'optique

20
Une grandeur "Matière" / une "Charge" la masse

• La masse des objets physiques de la mécanique
• (2, 3) lien entre grandeurs cinématiques de
  l'espace-temps, telles que la position, la
  vitesse et l'accélération (comprenant une dérivée
  du temps), une durée et grandeurs dynamiques,
  telles la force, la quantité de mouvement,
  l'énergie, à l'origine des grandeurs cinématiques
  ("cause du mouvement", par exemple)
• (1) la grandeur masse (propriété "intrinsèque"
  d'un corps de la mécanique classique) détermine
  de l'intensité de la force (interaction)
  gravitationnelle ressentie par ce corps.
• (1,2) égalité de la masse inertielle (2, quelle
  que soit la nature de la force) et de la masse
  gravitationnelle (1)

21
Une (première) constante fondamentale G

• Constante de gravitation G
• (1) caractérise l'intensité de la force
  (gravitationnelle) entre deux corps massifs
• (2,3) apparaît dans toutes les lois physiques des
  phénomènes dont l'origine est gravitationnelle
• - directement (ex 3)
• - indirectement (à travers des constantes
  dérivées ou locales)
• exemple P m g à la surface de la
  Terre

• Valeur de G déterminée expérimentalement G
  6.67 10-11 unité SI
• Peut-être trouvera-t-on une théorie "au-delà" de
  la gravitation qui en donnera la valeur à partir
  de principes physiques encore plus fondamentaux
  (à suivre par l'étudiant futur physicien!)

22
Une (première) interaction fondamentale la
gravitation

• Gravitation
• Interaction mutuelle entre corps doués de masse
  non-nulle
• Intensité inversement proportionnelle à la
  distance entre les deux corps ( 1/R2)
• Régit les phénomènes astronomiques jusqu'à une
  très grande échelle malgré la baisse de
  l'intensité avec la distance
• Régit également les problèmes de statique à la
  surface de la Terre (architecture, )

• A noter
• La lumière constituée de particules de masse
  nulle (les photons, à suivre) est également
  sensible à la gravitation
• premier test décisif de la théorie de la
  relativité générale en 1919 (qui introduit une
  sorte de couplage espace-temps-matière)
• Conséquence de l'équivalence entre la grandeur
  masse et la grandeur énergie (introduite par la
  théorie de la relativité restreinte)

23
Système (européen) de positionnement GALILEO (30
satellites)
24
Lentille gravitationnelle ou mirage
gravitationnel (tel qu'il serait vu par le
télescope Hubble)
25
Les temps du Cosmos (2)

• Questions préliminaires
• (1) La physique du cosmos a-t-elle avancé depuis
  trois siècles ? OUI
• (2) L'astronomie est-elle la seule discipline
  qui étudie le cosmos ? NON
• Temps 2
• Age de l'Univers 13.7 milliards d'années (4
  1017 s) "explosion initiale" (Big-Bang)
• Formation de la Terre et du système solaire 4.5
  milliards d'années
• A noter Temps de la Biologie
• Apparition de la Vie sur Terre 3.5 milliards
  d'années
• Apparition des Mammifères 200 millions d'années
• Mort du Soleil dans env. 5 milliards d'années

• Autre discipline étudiant le cosmos
  l'Astrophysique
• utilise d'autres branches de la physique que la
  mécanique
• et d'autres modes d'investigation expérimentale
• lien étroit avec les théories les plus récentes
  de la physique (obtenues dans un autre contexte
  que le contexte astronomique)

26
"Souvenir" du Big-Bang (en fait 400 000 années
après) "Anisotropies" du fond diffus
cosmologique ("rayonnement à 3 K") (image du
satellite WMAP, 2008)
27
( Masse (et énergie) de l'univers )

• Matière visible / Matière noire
• Seulement 20 de la masse de l'univers serait de
  la matière "habituelle" dite "visible" matière
  des étoiles (qu'il faut savoir "compter"), des
  planètes et des gaz interstellaires
• L'étude la dynamique de rotation des galaxies
  (dépendant de leur masse) suggère qu'il manque
  80 de la masse de l'univers
• Sujet récent en astrophysique recherche de
  cette masse ou matière "manquante", appelée,
  dans la littérature scientifique récente
  matière noire, ou matière sombre (de l'anglais
  "dark matter")

• Energie visible / Energie noire
• g "Rappel" masse énergie (en théorie de la
  relativité)
• Observations récentes sur l'expansion de
  l'univers (étude expérimentale d'étoiles en fin
  de vie dites "supernovae" lointaines) cette
  expansion est accélérée
• Ces observations suggèrent que plus de 70
  l'énergie de l'univers n'est pas de l'énergie
  liée à sa matière (même en tenant compte de la
  matière noire).
• Dénomination en littérature scientifique récente
  énergie noire

• lien avec les théories les plus récentes de la
  physique (microscopique)

28
Observation astronomique

• Instrument scientifique (1)
• Lunette astronomique (Galilée, etc)
• Télescope (Newton, etc) observatoire terrestre,
  télescope spatial
• Instrument scientifique (2)
• Radiotélescope (antenne)
• Objet physique permettant l'observation
• Lumière "visible" (1) ou "invisible" (2)
• g branche de la physique classique étudiant les
  phénomènes de lumière optique (optique
  "géométrique", optique "ondulatoire")

29
Projet de l'ESO EELT (European Extremely Large
Telescope) "Miroir" de 42 m de diamètre
Télescope Hubble
30

• Radiotélescope d'Arecibo (Porto Rico, 1963)
• (antenne sphérique de 300 m de diamètre)

• Radiotélescope de Nançay (sud de Paris,
  1953)
• (460 x 300 m2 )

31
Les 2 objets fondamentaux de la physique classique

• Point matériel
• Modèle-limite des corps doués de masse de la
  mécanique classique
• Des objets comme la Terre, le Soleil (et
  l'Etudiant) peuvent être assimilés à des points
  matériels (situés en leurs centres de gravité)
  pour une grande partie des problèmes de la
  mécanique classique
• g Objet sans extension spatiale (mais avec une
  masse)

• Onde
• g Objet avec une extension spatiale infinie (et
  une périodicité)
• Exemple de la lumière (se propageant dans le
  vide)
• Exemple des vibrations mécaniques (sous-entendu
  "matérielles" )
• Produit des phénomènes d'interférences, de
  diffraction,
• g Questions - grandeurs transportées dans une
  onde mécanique (onde sonore, vague,) ?
• - grandeurs transportées
  dans une onde lumineuse (se propageant dans le
  vide) ?

32
(No Transcript)
33
(No Transcript)
34
Une propriété de la lumière sa vitesse (à
suivre)
c 300 000 km/s 3 108 m/s

• Très grande vitesse mais FINIE
• À suivre
• vitesse-limite de la nature aucun objet
  physique ne la dépasse (certains objets, comme la
  lumière, l'atteignent)
• Les observations sur les objets physiques
  transmises par la lumière arrivent à sa vitesse
  (finie) donc en un temps fini
• - ex 1 regard entre 2 étudiant(e)s dans l'amphi
  (10 m) t 30 ns
• - ex 2 temps d'arrivée de la lumière du Soleil
  sur Terre (1.5 1011 m) 8 mn
• g ex 3 voyage de la lumière depuis les confins
  de l'Univers (1026 m)
• 3 1017 s 1010 10 milliards
  d'années
• (c'-à-d presque l'âge de l'univers ! La
  vitesse d'expansion de l'Univers est donc très
  grande !)

35
Plongée dans le microcosmeen chemin vers
"l'infiniment petit" de nouveaux mondes
2ème partie
36
Au centre du monde létudiant (bis)

• Dimension typique 1 m
• Temps typique 1 s (mouvements périodiques
  typiques marche, clin dœil, pulsation
  cardiaque)
• Durée de vie 75 x 365 x 24 x 3600 2 109
  s
• Matière constitutive
• volume "solide" dune masse de quelques kg
• (eau majoritaire)

37
(Plongée) vers "linfiniment petit" le
microcosme (1)

• Pouce de l'étudiant et puce (insecte) et puce
  (téléphone)
• Taille 10-2 m (unité pouce"inch" 2.5 cm)
• Cheveu de l'étudiant
• Taille 10-4 m ( 0.1 mm 100 mm)
• g limite de résolution de l'œil humain (en
  fonction de l'éclairage)
• g objet physique permettant la vision humaine
  lumière "visible" ("médiateur")
• Bactérie
• Taille 10-7 m à 10-5 m (0.1 à 10 mm)
• g instrument d'observation microscope
  (accomplit un "agrandissement")
• g objet physique utilisé pour l'observation au
  microscope lumière "visible"

• Une caractéristique physique d'une onde ayant la
  dimension longueur
• 
  longueur-d'onde
• lumière visible "longueurs d'onde optiques"
• 0.39 mm lt lopt lt 0.76 mm

38
Sang

• Microscope optique couplé à une caméra vidéo

39
(Plongée) vers "linfiniment petit" le
microcosme (2)

• Virus
• Taille 10 à 100 nm en général (10-8 m à 10-7 m)
  
• Taille du plus gros virus connu 400 nm (plus
  gros qu'une bactérie)

? culture de virus H1N1 et structure du virus de
la grippe ?

structure d'un virus ?
2 filament d'acide
nucléique (ADN ou ARN)
40
(Plongée) vers "linfiniment petit" le
microcosme ()

• Macromolécules ("polymères")
• Taille 1 à 10 nm en général (10-9 m à 10-8 m)

PET (poly-ethylène téréphtalate) ("bouteille
plastique d'eau minérale")
molécule d'ADN
41
Observation du "microscopique" (2)

• Instrument d'observation des virus
• Microscope électronique
• Principe des faisceaux d'électrons remplacent
  les faisceaux de lumière visible.
• Observation des macromolécules (et des cristaux)
  
• Diffusion de Rayons X
• Rayons X rayons de "lumière" invisible (à
  l'œil) , de longueur d'onde plus courte que la
  lumière visible
• Principe la lumière (visible ou invisible)
  révèle des structures de dimension proche de sa
  longueur d'onde (se rappeler phénomènes
  d'interférences et de diffraction)

• A suivre les électrons ont également une
  caractéristique physique s'exprimant sous forme
  de longueur-d'onde (pour révéler des structures
  de dimension égale à cette longueur d'onde), et
  un comportement d'onde (diffraction,
  interférences)

42
( Les différents noms de la lumière )
Nom physicien de la lumière Rayonnement
électromagnétique

• Vers les grandes longueurs d'ondes
• infrarouge 10-6 m à 10-3 m
• micro-ondes, ondes radar 10-3 m à 10-1 m
• ondes radio au-dessus de 10-1 m
• Lumière "visible" 0.4 10-6 m lt l lt 0.8 10-6 m
• Vers les petites longueurs d'ondes
• ultraviolet 10-6 m à 10-8 m
• rayons X 10-8 m à 10-11 m
• rayons g (gamma) au-dessous de 10-11 m

• Remarque
• Noms utiles aux spécialistes ("jargon") pour
  résumer certaines propriétés du rayonnement
  électromagnétique.
• Retenir plutôt l'unité de la description de ce
  rayonnement sur toute l'étendue de son spectre

43
Vers "linfiniment petit" molécules

• Molécule d'eau (H2O)
• Taille 1 Å (angström) 1 Å 10-10 m
• (distance entre le noyau d'oxygène et
  chaque noyau d'hydrogène 0.96 Å)

La molécule d'eau comme dipôle électrique Note
(2ème semestre) usage four à micro-ondes
44
Vers "linfiniment petit" molécules (2)

• Molécules diatomiques
• Oxygène O2 taille 1.2 Å
• (distance entre les deux noyaux)
• Hydrogène H2 taille 0.75 Å
• (distance entre les deux protons)

• Noyaux, protons
• Proton noyau le plus simple (atome d'hydrogène)

45
Vers "linfiniment petit" cristaux

• Structure cristalline simple
• Sel de cuisine Na Cl-
• "taille" 2.8 Å
• (distance entre un ion Na et un ion Cl-
  )

46
Vers "linfiniment petit" atomes

• Atome le plus simple
• Hydrogène H taille 0.53 Å ("rayon")
• atome H un proton un électron
• exemples Oxygène O, Azote N
• atome noyau électrons
• atome XAZ contient Z protons et Z
  électrons
• taille proche de la taille de l'atome
  d'hydrogène

47
"Nouvelle" grandeur "Matière" / "Charge" la
charge électrique

• Rappel masse des objets physiques de la
  mécanique (page 19)
• (la grandeur masse (propriété "intrinsèque" d'un
  corps de la mécanique classique) détermine de
  l'intensité de la force (interaction)
  gravitationnelle ressentie par ce corps.
• Autre propriété que peuvent posséder les objets
  physiques
• charge électrique
• (voir cours électricité au 2ème semestre)
• Au contraire de la masse (toujours positive), la
  charge électrique peut avoir une valeur négative
  (ou nulle)

48
Charge électrique élémentaire
Electron qe - 1.6 10-19 C unité de
charge électrique le coulomb (C) charge
"négative" (signe pris par convention,
"coïncidence historique") Proton qp 1.6
10-19 C charge "positive" (c'est-à-dire
opposée à celle de l'électron)

• (1) Egalité qe qp
• Cette égalité semble rigoureuse (à la précision
  expérimentale actuelle)
• Conséquence assemblages atomiques neutres (du
  point de vue électrique) à grande distance
• g Mais existence de structures en dipôles
  électriques (ex molécule d'eau), aux effets
  observables à distance "modérée" (c-à-d au-delà
  de la distance atomique)

• (2) qe charge élémentaire ("discrétisation"
  de la charge électrique)
• Tous les objets physiques observés dans la nature
  ont une charge multiple de qe (au signe près)
• Il ne semble pas exister de charge électrique
  infiniment petite (plus petite que qe )
• g MAIS existence de sous-constituants du proton
  (appelés QUARKS) dont la charge est 1/3 qe
  (A suivre !...)

49
"Nouvelle" interaction fondamentale
l'interaction électrique

• Rappel interaction gravitationnelle (page 21)
• Loi de Newton
• Interaction électrique
• Loi de Coulomb
• (établie en 1785, un siècle après la loi de
  Newton)

• Remarquable même dépendance en 1/R2 des deux
  forces !
• (vérifiée aux distances
  accessibles à l'expérience)
• Question 1 (que l'on doit se poser) ces deux
  lois seront-elles valables pour R infiniment
  petit ?
• Question 2 (que l'on doit se poser) la même
  dépendance en 1/R2 est-elle une coïcidence ?
• Réflexe (en attendant réponses) comparer les
  deux forces (voir plus loin)

50
Portée des interactions gravitationnelle et
électrique
Portée distance à laquelle l'interaction peut
être ressentie

• Autre propriété remarquable portée infinie
  des deux forces !
• (à distance infinie,
  intensités des deux forces faibles mais non
  nulles)
• Question l'architecture des systèmes
  astronomiques est pourtant régie ("seulement")
  par l'interaction gravitationnelle. Pourquoi ?
• Réponse matière neutre du point de vue
  électrique à grande distance donc force
  électrique nulle
• (alors que l'interaction électrique est
  "intrinsèquement" plus forte que l'interaction
  gravitationnelle, voir pages suivantes)

51
Une (nouvelle) constante fondamentale k

• Constante de l'interaction électrique k
• caractérise l'intensité de la force (électrique)
  entre deux corps chargés (statiques)
• Valeur de k déterminée expérimentalement k 9
  109 unité SI

52
Intensité de la force gravitationnelle exemples

• Domaine astronomique
• Exercice utilisant les données astronomiques
  (début de l'exposé masses et distances Terre,
  Soleil,)
• Fg entre la Terre et le Soleil 3.5 1022 N
• Fg entre la Terre et la Lune 2 1020 N

• Domaine "macroscopique"
• Fg entre 2 étudiant(e)s de 60 kg distants de 1
  m 2.4 10-7 N
• Fg entre un étudiant de 60 kg (à la surface de
  la Terre) 600 N
• 
  (évidemment, c'est son
  poids P mg)
• rapport entre la force (gravitationnelle)
  mutuelle de 2 étudiant(e)s et leur poids 4
  10-10

• Domaine atomique
• Nouvelles données
• masse de l'électron me 9.1 10-31 kg
• masse du proton mp 1.67 10-27 kg
  ( retenir mp / me 2000)
• Fg entre l'électron et le proton dans l'atome
  d'hydrogène 4 10-47 N
• 
  (électron et proton
  proches mais de petites masses)

53
Interaction électrique architecte du monde
atomique

• Fe entre l'électron et le proton dans l'atome
  d'hydrogène 8 10-8 N
• (comparer à Fg entre 2 étudiants ! )
  
• Rapport Fe/ Fg pour l'électron et le proton de
  l'atome d'hydrogène 2 1041 !
• 
  

• A l'échelle atomique
• Interaction gravitationnelle négligeable
• Tous les phénomènes atomiques (et
  moléculaires) sont dus à l'effet de l'interaction
  électrique
• Phénomènes atomiques dérivés
• Chimie
• Biologie (les 5 sens, )
• Électricité, magnétisme (unifiés ?
  électromagnétisme)
• Electronique
• Physique des matériaux (propriétés électriques,
  thermiques, mécaniques)

54

55
Les constituants élémentaires des chimistes
les "éléments"

• Recherche d'unité, de symétrie
• Classification de Mendeleiev (tableau périodique
  des "éléments" , 1869)
• Obtenu par comparaison des propriétés chimiques
  des éléments, antérieurement à la découverte des
  atomes
• À suivre démarche tout à fait féconde pour
  anticiper ordre sous-jacent
• ? exemple plus récent classification des
  "hadrons" par leurs propriétés avant l'invention
  et la découverte des "quarks" qui les composent
  (Gell-Mann et Neeman, 1961, à suivre)

56
Histoire des constituants élémentaires

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L'intérieur des atomes électrons et noyaux

• Noyau atomique
• Assemblage de protons et de neutrons
• noyau XAZ contient Z protons et (A-Z) neutrons
• Taille rA r0 A1/3
• r0 1.2 10-15 m 1.2 fm
• Nouvelle unité fm femto-m (ou fermi)
• Ex noyau de carbone (A12) rayon 2.7 fm
• noyau de plomb (A208) rayon 7 fm

• Noter le vide atomique
• Rappel rayon orbite terrestre / rayon du Soleil
  200 ("seulement", voir plus haut)
• Rayon atome d'hydrogène R1 0.53 Å
• Atome de numéro atomique Z les électrons sont
  entre r R1/Z et r R1
• (rayon nuage d'électrons)/(rayon noyau) 103
  -105
• encore plus de vide dans l'atome que dans le
  système solaire !
• ( vide atomique vs vide sidéral )

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Expérience de diffusion de Rutherford-Geiger-Mars
den

• Expérience de Geiger et Marsden (en
  collaboration avec Rutherford (1910)
• expérience de diffusion de particules d'un
  faisceau par des particules d'une cible
  expérience typique pour l'étude des constituants
  élémentaires, toujours utilisée (de nos jours,
  avec des faisceaux de très haute énergie auprès
  des accélérateurs de particules)
• Expérience historique de 1910
• - faisceau particules a (noyaux d'hélium)
  produits par une source radioactive et
  "collimées" par un système de blindage (en plomb)
• - cible feuille d'or
• - détecteur des particules après diffusion
  plaques scintillantes (sulfure de zinc)

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Découverte du noyau (et du "vide atomique")
interprétation de Rutherford

• Observation expérimentale
• La plupart des particules a du faisceau
  traversent la cible sans déviation notable
• MAIS
• Quelques particules déviées à grand angle, et
  même à 180
• Interprétation
• - atomes essentiellement "vides" mais centres
  "très" diffuseurs concentrés dans l'atome les
  noyaux

60
Un compagnon du proton le neutron

• Le neutron
• Masse proche de la masse du proton
• Charge électrique nulle

Conséquence 1 la masse de l'atome est
concentrée dans le noyau ( rappel mp / me
2000 et mn mp )

• Conséquence 2
• Fg entre proton/neutron et proton/neutron dans
  le noyau (distance d'env. 1 fm) 2 10-34 N
• La force gravitationnelle (attractive) reste
  négligeable devant la force électrique (répulsive
  entre protons, nulle entre neutrons)
  
  

61
Une nouvelle interaction l'interaction
nucléaire

• Force attractive entre protons et neutrons
  (nucléons) compensant la force répulsive
  entre protons et assurant la cohésion des noyaux
  atomiques
  

62
Portée et intensité de l'interaction nucléaire

• Interaction nucléaire
• Expression de l'intensité
• Cn équivalent des constantes d'interaction G et
  k
• Cn 10-24 unité SI
• Courte portée de l'interaction (ressentie
  seulement à l'intérieur du noyau)
• l 1.4 fm

63
Comparaison des intensités de la force nucléaire
et de la force électrique pour deux protons

• A des distances inférieures ou proches de la
  taille des noyaux
• à r 0.5 fm Fn / Fe 3000
• à r 1 fm Fn / Fe 2000
• à r 1.4 fm Fn / Fe 1500

• A des distances supérieures à la taille des
  noyaux
• à r 10 fm Fn / Fe 3
• à r 102 fm Fn / Fe 10-27

• Courte portée de l'interaction nucléaire
• Prédominance aux petites distances
• Evanescence aux grandes distances

64
Il y a également une "charge nucléaire"

• protons et neutrons sont appelés nucléons et
  portent la même charge nucléaire (égale à
  l'unité, par convention). La force nucléaire
  entre nucléons est attractive.
• L'électron a une charge nucléaire nulle (de même
  que le photon). Il ne ressent pas l'interaction
  nucléaire

65
A l'intérieur des nucléons les quarks (1)

• Les quarks, d'abord invention théorique
• 1961 (Gell-Mann et Neeman) invention d'un
  schéma de classification (mathématique, théorie
  des groupes) des nouvelles "particules
  élémentaires" ("trop nombreuses") les hadrons
  (particules de la famille du proton et du
  neutron)
• Se rappeller démarche de Mendeleiev un
  siècle plus tôt !
• 1964 confirmation expérimentale de certaines
  prédiction du schéma (découverte de la particule
  W)
• 1964-bis invention des quarks (Gell-Mann et
  Zweig) comme constituants des hadrons (à l'époque
  3 quarks, actuellement 6).

66
A l'intérieur des nucléons les quarks (2)

• Les quarks, réalité expérimentale
• 1969 (Accélérateur d'électrons de Stanford)
  expérience de diffusion d'électrons par des
  cibles de protons (semblable à l'expérience de
  Rutherford)
• Mesures expérimentales (distribution des angles
  de diffusion) interprétées par l'existence de
  centres diffuseurs à l'intérieur du proton de
  charges 2/3 qe et -1/3 qe (charges
  "fractionnaires) , exactement comme les quarks de
  la théorie !

67
A l'intérieur des nucléons des quarks très liés

• Dans les hadrons (comme les protons) les quarks
  existent toujours par triplet (ou "doublet")
• Une interaction "forte" les lie à l'intérieur des
  nucléons
• L'interaction "nucléaire" (celle ressentie par
  les nucléons) est une conséquence
  ("réminescence") de cette interaction
  "d'origine".

68
Et à l'intérieur des électrons (et des quarks) ?

• Avec les moyens d'observation actuels
• L'électron (et les quarks) semblent plus petits
  que 10-18 m
• L'électron (et les quarks) ont peut-être des
  sous-constituants mais on ne peut pas les voir

• Puissances de 10
• Excursion Etudiant-Galaxie 1020 (Excursion
  Etudiant-Univers 1026)
• Excursion Etudiant-Electron/Quark 1018 ?
  MEME VERTIGE ?!

69
Fin de l'exposé 1