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

Des atomes aux particules… et au delà: ELEMENTAIRE, MON CHER WATSON!. Préparation collective: P. Aurenche, L. Gallot, J.P. Guillet, E. Pilon, E. Ragoucy, R.Taillet Chercheurs au LAPTH. lap Th. L’élément en physique. De quoi est faite la matière ?.

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

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  1. Des atomes aux particules… et au delà:ELEMENTAIRE, MON CHER WATSON! Préparation collective: P. Aurenche, L. Gallot, J.P. Guillet, E. Pilon, E. Ragoucy, R.Taillet Chercheurs au LAPTH lapTh

  2. L’élément en physique De quoi est faite la matière ? Démocrite (400 av. J.C.): matière granulaire • indivisibles, éternels • variables en taille, masse, forme • se combinant entre eux ATOMES Vision matérialiste, mécaniste de la nature Invérifiable (à cette époque) Rejetée par Platon, Aristote

  3. 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? Premières définitions de l’élémentarité Changement de la notion d’élémentarité Une nouvelle idée de l’élémentarité

  4. l’air l’eau la terre Les 4 éléments le feu

  5. l’air l’eau la terre sel soufre éléments de contrôle mercure etc... le feu

  6. Boyle (1627 - 1691) Éléments: Substances se combinant entre elles pour former des composés mais ne pouvant êtreréduites à d’autres substances plus simples

  7. Hydrogène Oxygène BOUM! Chimie naissante (1766) Argent Azote Calcium Carbone Chlore Cuivre Étain Fer Hydrogène Iode Magnésium Or Oxygène Plomb Potassium Sodium Zinc etc…

  8. L’hypothèse atomique J. Dalton (1803): Eau = Hydrogène + Oxygène volumes = 2 1 = H2O La matière est granulaire : elle est composée d’atomes

  9. He H2 H2 masse

  10. Dmitri Ivanovitch Mendeleiev(1834-1907) Rangement des éléments selon leurs propriétés chimiques (1869)

  11. ? ? ? ? ? ? ? ? Eau = H2O ; H2S (boules puantes - œufs pourris) Sel = NaCl ; Acide chlorhydrique = HCl Le tableau périodique de Mendeleiev (1869)

  12. Germanium (1886) Gallium (1875) Scandium (1879) ? ? ? ? ? Le tableau périodique à la fin du XIXième siècle

  13. Le tableau périodique actuel

  14. L’élémentarité en chimie • Atome: l’élément chimique • Explication des propriétés chimiques ? • Explication des masses atomiques ? • Liste longue et régularité ?

  15. 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)

  16. L’expérience de Rutherford (1912) Sonder l’atome ? Résultat :

  17. e e e e e e e L’atome est composé • Un noyau central (+) • Des électrons (-1) répartis en • couches • Le tableau de Mendeleiev est • expliqué • (numéro atomique, • propriétés chimiques, …) atome : 10-10 m noyau : 10-14 m

  18. e e e e e e e Le noyau est composé noyau: 10-14 m • Deux particules ingrédients : le proton (+1)et le neutron (0) • Bonus : masses atomiques expliquées

  19. u (+ ) d (- ) u d u + - + - + - u 1 1 1 2 2 2 2 1 _ _ _ _ _ _ _ _ d 3 3 3 3 3 3 3 3 d neutron (10-15 m) Les quarks proton (10-15 m) +1 = 0 =

  20. Équivalence masse-énergie • De la masse peut donner de l’énergie • De l’énergie peut donner de la masse : mc2 = E E = mc2

  21. 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

  22. Nucléaire forte u u d e e d e d u Électromagnétique e e u e ne Nucléaire faible e d u e Interactions Gravitation ...

  23. nm ne nt 0 u u u leptons insensibles u u u d d d -1 m t e Interaction faible 210 d d d 1 3600 d d d u u u t u c + 2/3 10 350 000 3000 sensibles quarks s d b -1/3 400 9400 20 ne e ne ne ne e w w w w Particules de matière charge électrique interaction forte e Découverte du quark t (1995) Désintégration du neutron :

  24. Électromagnétisme photon g 0 bosons W+, W-, Z0 Interaction faible 200 000 8 gluons g Interaction forte 0 Particules messagères • Comment expliquer les masses ? • Pourquoi trois interactions ? • Pourquoi trois familles ?

  25. Une possibilité : les cordes Élément = corde • Particules = mode de vibration • (matière ou messagère) • Masse = fréquence de l’harmonique Bonus : interaction gravitationnelle !

  26. 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 !

  27. Conclusion Particules élémentaires (aujourd’hui) Chimie électrons Atomes neutrons protons quarks u, d - matière - interactions Autres particules : Aller au delà : une possibilité, les cordes ? Décider entre ces possibilités : besoin d’informations * accélérateurs de particules (LHC au CERN, 2007) * données cosmologiques

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