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1 Introduction 2 Les molécules 3 Les atomes 4 Les électrons 5 Le noyau atomique 6 Les quarks 7 Conclusion 7.1 Ce que nous n'avons pas vu 7.2 À propos de la nature ponctuelle de l'électron
Jamais rien compris aux particules ? Ce cours est fait pour vous ! Nous allons revoir (ou voir, pour certains) tout ce monde fascinant dans le détail.
Pour le commun des mortels, il est bien évident que la matière est faite d'atomes, même si tous ne comprennent pas exactement ce mot (nous reverrons cela plus en détail). Cependant, il n'en a pas toujours été ainsi. Certains philosophes grecs de l'antiquité pensaient que la matière était constituée des quatre éléments : l'eau, la terre, le feu, et l'air. Le premier à penser que la matière était faite d'atomes est Démocrite, un philosophe grec du siècle avant Jésus Christ. Il a l'intuition que la matière est composée de grains indivisibles. Le mot atomos, en grec, signifie que l'on ne peut pas diviser. En est-il vraiment ainsi ? N'existe t-il pas de grain de matière encore plus petit que l'atome ? C'est ce que nous allons découvrir.
Je vous propose de descendre l'échelle des dimensions, en commençant, bien sur, par l'homme. L'échelle de grandeur des hommes est de un mètre. Descendons un peu. Nous rencontrons les premières cellules à environs mètres (soit 0,0001 mètre). Chacune de ces cellules est composée de milliards de molécules, que nous trouvons à environ mètre (soit 0,000000001 mètre). Mais qu'est-ce au juste qu'une molécule ?
Les molécules font mètres, elles sont des groupements d'atomes. Par exemple, une molécule d'eau est composée d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène. Chaque molécule a un symbole, qui nous informe sur les atomes qu'elle contient. Ce symbole est composé de celui de chaque atome qu'elle contient (en règle générale, le symbole d'un atome est la première lettre de son nom. Par exemple, le symbole de l'hydrogène est H). Par exemple, le monoxyde de carbone, qui est composé d' un atome d'oxygène et d' un atome de carbone est noté CO, C pour le carbone et O pour l'oxygène. Mais alors, me diriez vous, la molécule d'eau, qui est composée d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène, est notée HHO ? Que nenni . Pour montrer qu'il y a plusieurs mêmes atomes dans la molécule, on indique en indice (vous savez, le petit chiffre en dessous de la lettre) le nombre de ces atomes. Ce qui nous donnes . Un petit exercice, pour que vous ayez bien compris : de quoi est composée la molécule de méthane notée ? Réponse : d'un atome de carbone et de quatre atomes d'hydrogène !
Les atomes font mètres. Comme nous l'avons vu, chaque atome porte un symbole, qui est généralement la première lettre de son nom.
...etc,.. Mais, me diriez vous, de quoi sont composés ces atomes ? Sont-t-ils la plus petite unité de matière, Comme le pensait Démocrite ? La réponse est : non ! Un atome est composé d'électrons qui gravitent autour d'un noyau. Imaginez plein de petites billes, qui tournent comme des folles autour d'un ballon : vous avez notre atome oO. Cependant, ces billes sont si éloignées du noyau qu'un grand vide les sépare : la matière est composée de 99.9999999 percent_signe de vide ! C'est fou non ? C'est ce qu'on appelle la nature lacunaire de la matière. (lacunaire vient du mot lacune)
Nos électrons gravitent donc autour du noyau de l'atome. Chaque électron est un petit point sans dimensions, mais qui a une masse, et une charge électrique ! Sans dimensions oO ? Je sais que c'est un peu difficile à admettre, mais il en est ainsi. L'électron est si petit qu'il ne possède pas de dimensions. La charge d'un électron est la charge électrique la plus petite que l'on puisse atteindre, c'est ce que l'on appelle la charge élémentaire. La charge élémentaire est de Coulombs et est notée e. Un Coulomb est simplement une des unités utilisées pour mesurer la charge d'un corps. Mais comme notre électron est chargé négativement, sa charge est de -e, c'est à dire Coulombs. Et sa masse alors ? Presque négligeable : Kilogrammes ! Est ce que l'électron est composé d'autre chose, lui ? Non l'électron est in-di-vi-si-ble !
Le noyau atomique fait mètres. Et le noyau atomique, autour duquel nos électrons gravitent, est-il, lui, indivisible ? Pas du tout ! Le noyau atomique est lui composé de neutrons et de protons. Sous ces noms barbares se cachent ce que l'on a longtemps cru être les constituants les plus petits de la matière (vous verrez, ce n'est pas terminé ). Les neutrons et les protons sont appelés des nucléons.
Nous entrons maintenant dans la partie la plus intéressante : les quarks. Vous l'avez deviné, ce sont les composants les plus petits de la matière. Il existe en tout et pour tout 6 quarks différents, avec qui on peut tout faire : des protons, des neutrons, et bien d'autre choses.
Comment ça, tu nous as menti ? Il existe d'autres choses que les protons, les neutrons, et tout le tralala ? Effectivement. Il existe en fait trois générations de matière. La première génération est celle que nous avons vue, composée de protons, de neutrons, et d'électrons. Nous n'avons pas vu les deux autres générations car ces dernières sont extrêmement rares dans la nature. Si vous voulez du rab, sachez que les équivalents des électrons s'appellent les muons et les tau, mais je ne vous en dirais pas plus Il y a donc 6 quarks différents, mais ces derniers sont eux aussi répartis en trois familles. Les deux de la première famille permettent de créer des protons et des neutrons. Les deux de la seconde famille permettent de créer leurs équivalents dans la seconde génération de la matière. Les deux de la troisième famille permettent de créer leurs équivalents dans la troisième génération de la matière. Comme vous l'aurez deviné, c'est au deux quarks de la première famille que nous allons nous intéresser. Ces deux quarks s'appellent up et down, haut et bas en anglais. Les quarks se groupent par trois : → Prenez deux up et un down et vous avez un proton. → Prenez deux down et un up et vous avez un neutron. Et la charge dans tout ca ?! Comme les quarks vont par trois, leur charge est une fraction de trois multipliée par la charge élémentaire de la matière. La charge du up est de 2/3e et la charge du down est de -1/3e. Vérifiez ! Notre proton est composé de deux up et un down, donc sa charge est de 2/3e + 2/3e -1/3e, ce qui nous donne 3/3e, soit 1e, le compte est bon ! Le neutron contient lui deux down et un up, sa charge est donc -1/3e -1/3e + 2/3e, soit 0, le neutron est bien neutre !
Quoi, on a pas tout vu ? Même avec les 3 générations de la matière, il reste autre chose ?
En effet ! Nous avons vu les particules qui composent la matière, mais pas celles grâce auxquelles la matière est liée ! Ces particules transportent les 4 forces fondamentales de la nature.
J'ai dit plus haut que l'électron était un point sans dimension (un point est bien de dimension 0, c\'est la droite qui est de dimension 1), ce qui peut prêter à confusion. Le fait est qu'il y a débat dans la communauté scientifique, mais que le modèle standard (c'est à dire le modèle physique le plus vraisemblable) considère bien l'électron comme un point. Mais même si on acquiert un jour la certitude que l'électron n'est pas un point, il n'est pas faux de le modéliser par un point.
Remarque Le nouvel accélérateur de particules du CERN est prévu pour atteindre (bientôt) la capacité de fabriquer des micro-trous noirs par collisions de faisceaux. Le principe est "simple" : en théorie relativiste de la gravitation, si l'on concentre une masse suffisante dans un volume sphérique de rayon suffisamment petit (rayon de Schwarzschild), la matière contenue s'effondre indéfiniment sur elle-même, créant un trou noir. Ce peut être un trou noir stellaire ou galactique, mais aussi un micro-trou noir bien plus petit qu'un atome : en fait, selon la relation exprimant l'équivalence de la masse et de l'énergie, il est prévu que cet accélérateur sera capable de concentrer une énergie suffisante dans un très petit rayon, produisant les premiers trous noirs artificiels (du moins, on l'espère). Si l'électron était vraiment ponctuel, du seul fait qu'il a une masse finie, cela impliquerait qu'il s'effondrerait instantanément en micro-trou noir, au lieu d'être stable depuis le premier instant de l'Univers jusqu'à nos jours... Donc le caractère ponctuel de l'électron n'est qu'une modélisation pour un corps suffisamment petit pour être représenté simplement par trois coordonnées d'espace.
