Cette page est un résumé de la physique telle qu'on l'apprend au lycée. Si vous n'êtes pas très familier avec les particules, lisez cette page avant d'entamer la physique quantique proprement dites. Si, au contraire, vous êtes déjà connaisseur, n'hésitez pas à sauter le pas.
Petit historique des connaissances et découvertes, de l'antiquité à nos jours.
Les grecs sont très certainement les premiers à s'être interrogés sur la nature de la matière. Mais dans l'antiquité, le problème est traité de manière exclusivement philosophique, avec au début également une petite dose de mysthicisme. Les différentes théories, toutes improuvables au sens où nous l'entendons aujourd'hui, fleurissent.
Ainisi :
Thalès : L'eau est la cause matérielle de toute chose.
Anaximandre : La substance primordiale, l'Etant, est infinie, éternelle, et se transforme dans les corps familiers. Le Devenir est une dégradation de l'Etant infini. Il y a mouvement éternel, création et disparition des mondes, passant de l'infinitude à l'infinitude.
Anaximène : La respiration et l'air assure la cohésion du monde.
Héraclite : Le monde est à la fois un et multiple; c'est tout simplement la "charge contraire" des contraires qui constitue l'unité de ce monde unique. Le feu, élément fondamental, est à la fois matière et force motrice.
Parménide : Seul l'Un existe; il n'y a ni devenir ni disparition.
Empédocle : Il y a quatre éléments fondamentaux dont sont faites toutes les choses : la terre, l'eau, l'air et le feu.
Anaxagore : Les choses sont composées de grains infiniments petits et se distinguent les unes des autres par la proportion relative des différents grains. On se rapproche tout doucement de la réalité.
Leucippe, Démocrite : L'atome est l'unité indivisible de la matière.
Démocrite avait, en partie, trouvé la réponse. Il fonda d'ailleurs la secte des atomistes (Chez les grecs, le terme de "secte" n'est absolument pas péjoratif. Une secte chez les grecs était un groupe assez fermé, un peu comme les clubs anglais, où l'on discutaient de sciences et de philosophie), dont le but était de démontrer l'existence de ces atomes. Le mot atome vient d'ailleurs du grec atomos, signifiant "qui ne peut être coupé". C'est faux aujourd'hui, certes, mais le terme est resté.
Cependant, Démocrite ne fut jamais pris au sérieux. De plus, Aristote, le philosophe qui fit la référence absolue jusqu'au XVIII° siècle prit partie pour la théorie des 4 éléments fondamentaux (La terre, l'eau, l'air et le feu). Ainsi, cette théorie fut considérée comme la seule vraie jusqu'au début du XVIII° siècle.
A partir des années 1800 et de la naissance d'une véritable chimie, on se rendit peu à peu compte que le modèle d'Aristote n'était pas valable. La théorie atomique moderne est née des efforts de Dalton au début du XIX° siècle pour interpréter les phénomènes quantitatifs de la chimie. Les notions d'atome et de molécule se sont imposées pour réunir en une loi cohérente plusieurs théories expérimentales : loi de conservation de la masse dans les processus chimique de Lavoisier (Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme.), loi des proportions définies, loi des proportions multiples, loi de Gay-Lussac.
Ce n'est qu'à la fin du XIX° siècle que la théorie de l'atome comme particule indivisible fut mise en doute. Certaines expériences avaient en effet mis en évidence des particules très légères et chargés négativement : les électrons. Selon Thomson, l'atome serait constitué d'une coquille sphérique chargée positivement, de la taille de l'atome ( environ 10-8 mètre ), à l'intérieur de laquelle vibreraient les électrons.
Quelques années plus tard, Rutherford démontra que les charges positives sont situées au centre de l'atome : le noyau est découvert, et les électrons deviennent de petites planètes, qui tournent autours.
Quelques années après, le proton est découvert.
Finalement, le neutron est découvert en 1932, par Chadwick.
En 1961, Gell-Man et Ne'eman postulent l'existence des quarks. Ils ne seront observés qu'au début des années 1990.
Nos connaissances actuelles, en physique classique.
La totalité de la matière qui nous environne et que nous connaissons (On ne parle pas ici de matière exotique!) est intégralement formée d'atomes, souvent assemblés ensemble pour former des molécules.
Un atome est constitué d'un noyau central, chargé positivement, renfermant 99,9 % de la masse de l'atome, extèmement dense. Autours de ce noyau, orbitent un nombre précis d'électron, chargés négativement.
Un atome, c'est essentiellement du vide. En effet, imaginez que le noyau de votre atome soit de la taille d'un ballon de foot. Placez ce ballon au centre de la pelouse du Stade de France. Les électrons auraient alors la taille de petits grains de sable, situés tout en haut des gradins. Ainsi, la matière que nous connaissons est essentiellement composée de ... vide. On dit que la matière a une structure lacunaire.
Notre noyau, quant à lui, est composée de 2 particules : le proton, chargé positivement et le neutron, électriquement neutre. Ces particules sont "collés" ensemble par la force forte.
Conventionnellement, le proton est représenté par une boule rouge, le neutron par une boule bleue. L'échelle n'est pas respectée sur ces 2 schémas, afin que l'on distingue quelque chose.
Par un extraordinaire hasard, la charge électrique de l'électron est exactement opposée à celle du proton. Cette charge est nommée charge élémentaire, et est notée traditionnellement e. Sa valeur est de 1,60217733 x 10-19 Coulomb. Le proton porte donc la charge électrique e et l'électron la charge électrique -e. Comme le pôle Sud d'un aimant attire le pôle Nord d'un autre aimant, le proton attire l'électron, qui se place en orbite autours du noyau. Il y a donc, au naturel, autant d'électrons que de protons dans un atome. Les charges électriques se compensent parfaitement. Cela explique l'électroneutralité de la matière. Cependant, au cours de certaines réactions chimiques, des atomes peuvent échanger des électrons. Ils vont ainsi devenir des ions. Ceux qui gagnent des électrons vont avoir plus de charges négatives que de charges positives, et vont donc se charger négativement : ce sont des anions. Au contraire, les atomes qui vont perdre des électrons vont se charger positivement et vont devenir des cations.
Le proton.
Masse du proton : 1,6726231 x 10-27 kg. Charge électrique : + e.
Le neutron est l'élement le plus important de l'atome, car il en définit les propriétés principales. Ainsi, un atome d'oxygène a exactement 16 protons dans son noyau. Si il en a 12, par exemple, ce n'est plus de l'oxygène mais du carbone. S'il en a 95, c'est de l'uranium... Chaque élément est caractérisé par un nombre exacte de proton.
Le neutron.
Masse du neutron : 1,6749286 x 10-27 kg. Le neutron est très légèrement plus lourd que le proton. Charge électrique : Aucune.
Le neutron sert essentiellement à la cohésion du noyau. Ils sont donc directement responsable de la radioactivité naturelle des éléments : trop ou trop peu de neutrons par rapport au nombre de protons dans un noyau le destabilise et peut entraîner sa "cassure" en 2 noyau différents : c'est le phénomène de fission nucléaire, ou encore de radioactivité.
Les neutrons sont également directement responsables des isotopes : nous avons vu que la nature même d'un élement dépend uniquement de son nombre de protons. Mais le nombre de neutrons peu varier : on parle alors d'isotopes. Certains sont radioactifs, d'autres non. L'uranium possède 95 protons. Mais il peut posséder soit 143 neutons, et il sera alors de l'uranium 238, non radioactif. Mais s'il possède 140 neutrons, il forme de l'uranium 235, isotope radioactif.
En règle générale, un noyau possède plus de neutrons que de protons.
Les protons et les neutrons sont des nucléons.
L'électron.
Masse de l'électron : 9,1093897 x 10-31 kg. Charge électrique : - e.
L'électron est donc plus de 1000 fois plus léger que le proton et le neutron.
C'est une particule élémentaire, c'est à dire qu'elle n'est pas composée d'autres particules.
Les quarks.
Au début des années 1990, on a découvert que les 2 composants du noyau, (c'est à dire les protons et les neutrons) sont eux-même composés de particules plus petites encore : les quarks.
Le proton est ainsi constitué de 2 quarks "up" ( = "haut") et d'un quark "down" ( = "bas").
Au contraire, le neutron est constitué de 2 quarks "down" et d'un quark "up".
Les quarks ont "collés" entre eux par la force forte.
Ici, un exemple avec le proton.
En fait, il existe 6 quarks différents, répartis en 3 familles :
QUARKS
up
charme
top
down
strange
beauté
Chacun de ces quarks existe en 3 "couleurs" : bleu, rouge et vert. Il ne faut pas penser ici que les quarks ont une couleur au sens ou nous l'entendons : ils sont bien trop petits pour cela. Ces 3 couleurs ne servent qu'à nommer des propriétés physiques passablement compliquées. Les 3 quarks constituants les protons et les neutrons doivent obligatoirement être de 3 couleurs différentes.
Voici un tableau présentant les masses de ces différentes particules :
Particule
Masse (Gev/c2)
Charge Elec.
U (up)
0,005
+2/3
D (down)
0,01
-1/3
C (charme)
1,5
+2/3
S (strange)
0,2
-1/3
T (top)
180
+2/3
B (beauté)
4,7
-1/3
On remarque tout de suite que la paire de quarks formant la matière ordinaire (C'est à dire la paire up-down) est la plus légère de toute : cela fait de ces 2 particules des particules extrèmement stables. Au contraire, les autres particules, plus voire beaucoup plus lourdes, sont également très instables, et leur durée de vie est extrèmement courte. De plus, elles ne peuvent se former que lors de chocs à très hautes énergies. (Si ce n'est déjà fait, faire un petit tour vers la relativité).
Les leptons.
Il existe une 2° famille, également très importante en physique : les leptons.
Particule
Masse (Gev/c2)
Charge Elec.
électron
0,000511
-1
neutrino-électron
Quasi-nulle
0
muon
0,106
-1
neutrino-muon
Quasi-nulle
0
tau
1,7771
-1
neutrino-tau
Quasi-nulle
0
Les 3 leptons élémentaires sont l'électron, le muon et la particule tau. A chacune de ces particules, on associe un type de neutrino. L'existence de cette particule avait été prévue dans les années 30, par le physicien Pauli. Les neutrinos sont des particules "fantômes", car elles interéagissent très peu avec la matière. A chaque instant, des milliards de ces petits fantômes traversent votre corps, sans que cela ne vous gêne le moins du monde. Pour ces particules, traverser le Terre de part en part n'est pas très différent que traverser du vide. A titre d'exemple, si vous vouliez avoir 1 chance sur 2 d'arrêter un neutrino venant du soleil, il faudrait mettre sur son chemin un "feuille" de plomb ayant l'épaisseur ... du système solaire !
Longtemps, on s'est demandé si les neutrinos avaient une masse ou pas. Ce n'est qu'il y a quelques mois que des chercheurs ont pu observé que le neutrino était capable d'oscillations : cela signifie qu'un neutrino-électron (ou neutrino électronique) peut spontanément se changer en neutrino muonique ou en neutrino tauique. Or, la théorie prévoyait que si les neutrinos étaient capable d'une telle chose, c'est qu'ils avaient une masse. Cependant, cette masse est extrèmement faible par rapport à celle de toutes les autres particules, elle est quasi-nulle.
Petite synthèse.
Un atome est donc constitué d'un noyau, autours duquel orbitent un nombre précis d'électrons. Le noyau est lui-même constitué de 2 particules, le proton et le neutron. Au contraire de l'électron, particule élémentaire, les 2 composants du noyau sont eux-même formés de quarks, plus petites particules connues à ce jour.
