De l’atome aux particules

1. De l’atome aux particules Interactions Fondamentales en Physique et en Astrophysique Département d’Astrophysique, de Géophysique et d’Océanographie Université de Liège Jean-René Cudell Alice Dechambre Denis Fontaine Jérémie Gillet Cédric Lorcé Alexandre Payez Sophie Pedoux

4. Atomes

5. Atomes : découverte Si on coupe des molécules : • On ne perd pas de masse (Lavoisier) • On garde les mêmes proportions qui sont des rapports d’entiers (Proust) Dalton (1803): les substances chimiques sont constituées d’entités universelles et un nombre entier d’atomes forme les molécules

6. L’atome contemporain Gerd Bining Heinrich Rohrer 1980 Na, Xe sur Cu Palladium

7. Electron : découverte Thomson (1897): mH/me=2000

8. Noyaux : découverte Rutherford (1909)

9. L’atome planétaire Bohr (1913)

10. Noyaux Protons? Électrons? Par ex. : pour H, noyau=1 proton

11. Piste : les isotopes Les rapports de masse ne sont pas constants. Beaucoup d’éléments correspondent à des atomes de masses différentes avec les mêmes propriétés chimiques : isotopes

12. Découverte du neutron Chadwick (1932)

13. Les isotopes sont des noyaux qui n’ont pas le même nombre de neutrons ! • Nombre de protons=nombre d’électrons • Les neutrons servent à éloigner les protons • Trop de neutrons, trop de protons, ou des noyaux trop gros mène à une instabilité

14. Expérience 1

15. Radioactivités Une particule bêta est un électron : Q=-1 Une particule alpha est un noyau d’hélium : Q=+2 Le rayonnement gamma est similaire aux rayons X : Q=0

16. La radioactivité quotidienne • Un rayonnement qui interagit fort n’est pas dangereux s’il est à l’extérieur. • C’est l’absorption de substances radioactives (comme le césium et le strontium) qui est dangereuse. • Notre corps contient environ 500000 désintégrations/heure

17. Alpha Un noyau qui est trop gros peut devenir plus stable en éjectant autant de neutrons que de protons (noyaux d’hélium)

18. Bêta moins Pauli (1930) neutron → proton+électron+antineutrino Un noyau qui a trop de neutrons les change en protons par désintégration beta -

19. Bêta plus proton lié → neutron+positon+neutrino Un noyau qui a trop de protons les change en neutrons par désintégration bêta +

20. Gamma Lors d’une désintégration, il arrive que le noyau fille se trouve dans un état excité et perde son énergie sous forme de rayonnement gamma

21. Particules et antiparticules • Electron et Positon • Neutrino et Antineutrino • Photon P.A.M. Dirac (1931) P.A.M. Dirac (1931) Toutes identiques, de taille <1/1000 celle du noyau, universelles, sans états excités. Leurs interactions forment tout.

22. Forces Les forces entre particules résultent de l’échange de particules virtuelles Forte Electromagnétique Faible Gravitation

23. force médiateur agit sur explique _ p p e+ e- Chimie, biologie, physique atomique électricité… g électromagnétique _ _ p p n n _ e+ e- n n Désintégration bêta, cycle du soleil, traitements radiomédicaux W+, W- Z0 faible

24. Microscope inélastique Les quarks ont 3 charges fortes différentes Les médiateurs de l’interaction forte sont les gluons

26. Les extra-terrestres

28. Rayons cosmiques = protons, noyaux, gammas, neutrinos Au niveau du sol, on détecte surtout des muons, mais aussi des protons et des neutrons

29. Expérience 2

30. Le principe : la sursaturation

31. En pratique Une particule chargée qui passe perturbe le nuage et crée des gouttes