LA MATIERELa matière dans tous ses états, c'est ainsi qu'elle existe dans l'univers. De l'atome aux quarks en passant par le muon ou le gluon, par l'antimatière et le Big bang, puis nous irons voir le neutrino et l'effet Cerenkov et bien sûr le célèbre tableau de Mendél èïev.mise à jour: 1/2/02 : tableau de Mendeleïev Pour rechercher dans cette page, sinon voir "recherche" dans le menu déroulant . L'orthographe et les accents ont de l'importance.Si le mot trouvé ne vous convient pas, appuyez à nouveau sur "rechercher". La recherche s'incrémentera sur le 2ième mot et ainsi de suite. Essayez avec matière.
Ci-dessus, une représentation schématique de la structure de l'atome. L' Univers , c'est l'infiniment grand, constitué de l'infiniment petit. La matière, la plus dure, c'est essentiellement du vide. Elle est composée de molécules, qui sont elles-mêmes composées d'atomes. Un atome étant constitué lui-même d'un noyau, autour duquel tournent des électrons. Si nous voulions représenter un atome à l'échelle humaine, le noyau serait une boule de 1m et l'électron, une bille de 1mm, qu'il faudrait placé à 100km. L'épaisseur d'un cheveu correspond à 1 000 0000 d'atomes mis les uns sur les autres et cela constitue tout de même 99,99 % de vide.
Pour connaître le monde des particules et analyser leur comportement des instruments sophistiqués furent nécessaires. La connaissance de ces petits éléments nécessita de les casser. Pour cela ils sont accélérés à très grande vitesse et projetés les uns contre les autres. C'est pour cela que ces instruments s'appellent des accélérateurs de particules. Ils permettent l'analyse très poussée de ces corpuscules. On obtient des résolutions de 1.10-18 m avec des énergies de choc de 100 GeV (milliards d'électrons-volt). Avec cette résolution, on peut décrire ce qui c'est passé 1.10-1 2s après le Big-bang.
La matière perd ses propriétés lorsqu' elle est divisée. Ainsi, prenons une molécule d'eau, nous obtiendrons, après division, 1 atome d'oxygène et 2 atomes d' hydrogène. Il existe des millions de molécules, mais seulement une centaine d'atomes, pour les fabriquer. C'est la même chose avec les lettres de l'alphabet et les mots ou bien, avec les notes de musique et la musique. C'est ainsi que l'on connaît tous les constituants de l'univers. Ils sont issus de l'assemblage de 3 particules: neutron - proton- électron Un atome est constitué , pour assurer sa neutralité, en nombre égal de :
En plus, il y a des neutrons, qui sont neutres . Aussi, ils peuvent être présents ou absents, leur charge n'interviendra pas. Leur rôle est de modifier la matière, en la transformant en isotope. C'est la masse de l'atome qui va être influencée, pas sa charge. Voici quelques exemples. Commençons par la matière la plus simple, l'hydrogène :
1 proton + 1 électron + 1 neutron 1 proton + 1 électron + 2 neutrons 2 protons + 2 électrons 3 + 3 = lithium 4 + 4 = béryllium 5 + 5 = bore 6 + 6 = carbone 7 + 7 = azote 8 + 8 = oxygène 9 + 9 = fluor 10 + 10 = néon - - - - 14 + 14 = silicium - - - - 26 + 30 = fer - - - - 100 + 100 = fermium 101 + 101 = mendélévium
Ainsi pour l'uranium 238 :
C'est ainsi que toute la matière de l'univers est connue. Grâce à ce tableau, appelé le tableau, ci-dessous, de Mendeleïev( nom du physicien Russe qui, le 1er, a découvert son principe ) des atomes inconnus sur Terre, furent recherchés et découverts aussi bien dans le Soleil, que dans les nuages moléculaires. Actuellement, les physiciens recherchent si des atomes plus complexes existent et pour cela des noms sont déjà attribués pour compléter la liste. On note ainsi l' unnilseptium (nbre atomique: 107 ) , l'unniloctium ( nbre atomique: 108 ), l' unnilennium ( nbre atomique: 109 ) , etc... Pour la petite histoire, le mendélévium de numéro atomique 101 et de masse atomique 258, a été obtenu artificiellement à partir de l'einsteinium
Voici le célèbre tableau de Mendélèïev. Cliquez sur un élément pour obtenir plus d' information: |
Période |
** |
|||||||||||||||||
1 IA 1A |
18 VIIIA 8A | |||||||||||||||||
1 | 1 H 1.008 |
2 IIA 2A |
13 IIIA 3A |
14 IVA 4A |
15 VA 5A |
16 VIA 6A |
17 VIIA 7A |
2 He 4.003 | ||||||||||
2 | 3 Li 6.941 |
4 Be 9.012 |
5 B 10.81 |
6 C 12.01 |
7 N 14.01 |
8 O 16.00 |
9 F 19.00 |
10 Ne 20.18 | ||||||||||
3 | 11 Na 22.99 |
12 Mg 24.31 |
3 IIIB 3B |
4 IVB 4B |
5 VB 5B |
6 VIB 6B |
7 |
8 | 9 | 10 | 11 IB 1B |
12 IIB 2B |
13 Al 26.98 |
14 Si 28.09 |
15 P 30.97 |
16 S 32.07 |
17 Cl 35.45 |
18 Ar 39.95 |
------- VIII ------- ------- 8 ------- | ||||||||||||||||||
4 | 19 K 39.10 |
20 Ca 40.08 |
21 Sc 44.96 |
22 Ti 47.88 |
23 V 50.94 |
24 |
25 |
26 Fe 55.85 |
27 Co 58.47 |
28 Ni 58.69 |
29 |
30 Zn 65.39 |
31 Ga 69.72 |
32 Ge 72.59 |
33 As 74.92 |
34 Se 78.96 |
35 Br 79.90 |
36 Kr 83.80 |
5 | 37 Rb 85.47 |
38 Sr 87.62 |
39 Y 88.91 |
40 Zr 91.22 |
41 Nb 92.91 |
42 Mo 95.94 |
43 Tc (98) |
44 Ru 101.1 |
45 Rh 102.9 |
46 Pd 106.4 |
47 Ag 107.9 |
48 Cd 112.4 |
49 In 114.8 |
50 Sn 118.7 |
51 Sb 121.8 |
52 Te 127.6 |
53 I 126.9 |
54 Xe 131.3 |
6 | 55 Cs 132.9 |
56 Ba 137.3 |
57 La* 138.9 |
72 Hf 178.5 |
73 Ta 180.9 |
74 W 183.9 |
75 Re 186.2 |
76 Os 190.2 |
77 Ir 190.2 |
78 Pt 195.1 |
79 Au 197.0 |
80 Hg 200.5 |
81 Tl 204.4 |
82 Pb 207.2 |
83 Bi 209.0 |
84 Po (210) |
85 At (210) |
86 Rn (222) |
7 | 87 Fr (223) |
88 Ra (226) |
89 Ac~ (227) |
104 Rf (257) |
105 Db (260) |
106 Sg (263) |
107 Bh (262) |
108 Hs (265) |
109 Mt (266) |
110 --- () |
111 --- () |
112 --- () |
114 --- () |
116 --- () |
118 --- () | |||
|
||||||||||||||||||
Séries des Lanthanides* |
58 Ce 140.1 |
59 Pr 140.9 |
60 Nd 144.2 |
61 Pm (147) |
62 Sm 150.4 |
63 Eu 152.0 |
64 Gd 157.3 |
65 Tb 158.9 |
66 Dy 162.5 |
67 Ho 164.9 |
68 Er 167.3 |
69 Tm 168.9 |
70 Yb 173.0 |
71 Lu 175.0 |
||||
Séries des Actinides~ |
90 Th 232.0 |
91 Pa (231) |
92 U (238) |
93 Np (237) |
94 Pu (242) |
95 Am (243) |
96 Cm (247) |
97 Bk (247) |
98 Cf (249) |
99 Es (254) |
100 Fm (253) |
101 Md (256) |
102 No (254) |
103 Lr (257) |
** Les groupes sont notés avec les 3 notation conventionnelles. Une liste des noms des éléments et les symboles par ordre alphabétique Qu'est-ce qu'une table
périodique ? La table d'origine de
Mendeleiev
retour Soleil vent solaire , eau sur Mars,
retour à univers (eau)
retour à Système solaire , univers , galaxie, utopia , Sous le terme de fermions - du nom du physicien italien Enrico Fermi -, on désigne à la fois les particules élémentaires que sont, par exemple, les protons ou les électrons, mais aussi les atomes contenant un nombre impair de ces constituants. Ainsi, chaque atome de lithium 6 comporte 3 protons, 3 neutrons et 3 électrons - des éléments qui sont tous des fermions - et est lui-même appelé fermion. Les particules de matière sont décrites par des champs de spin demi-entier et elles obéissent au principe d'exclusion de Pauli, qui interdit qu'il y ait plus d'une particule d'une espèce donnée dans un état, quel qu'il soit. C'est pour cette raison que nous pouvons avoir des corps solides qui ne s'effondrent pas jusqu'à ne former qu'un point et qui ne se perdent pas non plus à l'infini sous forme de rayonnement.
Les leptons sont des particules légères: électron, neutrino, muon. Les hadrons interagissent par interaction forte et comprennent:
Les gluons unissent les quarks. Les hypérons composent une partie de 1 baryon. retour à Univers (baryons) Lorsqu' un noyau se transmute en émettant 1 électron ( radioactivité bêta ) , 1 neutron du noyau se transforme en 1 proton avec émission de 1 électron et de 1 neutrino. Ils sont ainsi créés à l'instant de la désintégration du neutron. Ils ne préexistent pas. Le proton et le neutron se ressemblent beaucoup, sauf leur charge électrique. Nous pouvons dire que le neutron est annihilé et le proton créé. Ainsi une particule n'est pas fondamentalement un objet permanent.
Pendant longtemps, les physiciens ont cru que la durée de vie du proton était de 1.1032 années. Mais une expérience spectaculaire a remis ceci en cause. Grâce à l'interaction d'un proton avec 1 000 tonnes de fer, on pensait assister à sa mort, en visualisant l'éclair produit. Or rien ne fut décelé.
Tout ceci est connu grâce aux accélérateurs de particules et qui ont pu mettre en évidence l'existence de l'antimatière prévue par les modèles mathématiques.
L'évolution des particules donne naissance, dans certains cas, à la particule la plus insaisissable: le neutrino. Sa masse n'est que la 1/100 000 de celle du proton. Si en se modifiant, un noyau émet un électron, un neutron se transforme alors en 1 proton avec émission de 1 électron et de 1 neutrino. On trouve dans la matière des systèmes de protons et de neutrons liés par l'échange de particules (mésons p) et entourés d'un nuage d'électrons. Le méson p peut se désintégrer en muon et neutrino et le muon donne 1 électron et 2 neutrinos. Ce sont les muons qui forment la composante pénétrante des rayons cosmiques. Les neutrinos sont associés à 3 particules: électron, muon et tau. Ils portent le nom de leur compagnon. On parle ainsi de neutrinos électroniques (électron), muonique (muon) et tau.
Il permet de connaître la matière et de voir son comportement dans le plus grand accélérateur que nous puissions construire: l'Univers. Les étoiles, et le Soleil en est une, sont de gigantesques machines à produire les neutrinos qui sont les enfants de la fusion de l'hydrogène ( représentant 75% du Soleil et 78% de l'univers). L' hydrogène est transformé en hélium, qui composent 21% de l'univers, en fusionnant avec 4 protons. Cela donne: 1 noyau d'hélium 4 + 2 positrons + 2 neutrinos. Le positron ou anti-électron, est une particule d' antimatière. C'est le contraire de l'électron. retour à univers La luminosité d'une étoile dépend du nombre de neutrinos émis. Ce sont les informateurs de ce qui se passe dans les entrailles de l'étoile. Ainsi, les neutrinos fabriqués dans le Soleil, sortent immédiatement après leur naissance, tandis que les photons issus du même processus ne sortiront que 2 millions d'années plus tard. En étudiant les neutrinos, nous découvrons l'avenir du Soleil . C'est aussi de l'étude fondamentale. Pour l'instant nous ne savons pas l'utiliser. Mais l'électricité fut elle aussi dans ce cas, à ses débuts. Pour 1 proton, il y a 10 milliards de neutrinos. Rien ne peut les arrêter. Il est très difficile de les étudier, car ils sont insaisissables. Ils traversent tout, sans pouvoir être arrêtés. Pour les stopper, un mur de plomb de 1 année-lumière d'épaisseur serait nécessaire. 65 milliards de neutrinos traversent 1 cm² de notre peau par seconde.
1 neutrino sur 10 milliards peut être arrêté en traversant la Terre. Un chiffre fera comprendre la difficulté de détection. Une masse de 600 tonnes de tétrachlorure de carbone a été enfermée au fond d'une mine afin d'être protégée des rayons cosmiques. Les 65 milliards de neutrinos qui bombardent chaque cm² de notre Terre par seconde, n'y produisent qu' ½ atome d'argon par jour, atomes que l'on compte tous les 3 mois, soit: 505 millions de milliards de neutrinos pour 45 atomes d'argon. L'événement du siècle se produisit le 23-2-87 à 7h36 TU : SN1987A naissait dans le Grand Nuage de Magellan (ci-contre) et 11 neutrinos furent découverts. C'est la première fois que les scientifiques purent suivre l'évolution d'une supernova en direct.
supérieur à celui dans le vide. Dans ce cas, la vitesse de la lumière est inférieure à celle dans le vide. Une particule peut, et seulement dans ce cas, dépasser la vitesse de la lumière.
Pendant longtemps les physiciens ont désespérément recherché la masse du neutrino. Or, quelles que soient les méthodes utilisées, rien ne permettait de dire qu'il avait une masse. Un jour pourtant, on pensa à un changement d'identité de la particule. Arrivé sous forme de neutrino muonique de l'espace et il est mesuré sous forme de neutrino tau. Lors de leur voyage vers la Terre, les neutrinos oscilleraient entre 3 états différents indétectables. La théorie quantique impose une masse à la particule et donne le nom d'oscillation à ce changement d'identité. C'est ainsi que les Japonais mirent en évidence cette oscillation plusieurs fois, confirmant de ce fait la solidité du résultat: le neutrino à une masse. Mais cette dernière n'est pas facile à estimer. L'oscillation donne une indication sur la différence des 2 masses, celle du neutrino muonique et celle du tau. Hélas cela ne donne pas la valeur de chacune. Celle du neutrino électronique est tout de même estimée inférieure à 0,1 eV. Cela ne représente que le dix millionième de l'électron. Or l'on sait que le neutrino muonique a une masse pas trop éloignée de celle du tau. Il faut attendre la suite des expérimentations qui clore définitivement le dossier. Pour ceux que cela passionne:
et sachant que:
dans le cas où la masse est au repos, la formule d'Einstein (E = mc2) donne l'équivalent énergie-masse:
Lorsque Paul Dirac, en 1930, trouva 2 solutions à une équation quantique, il élimina la plus invraisemblable, celle d'une énergie négative. Un an plus tard, il se ravisa en pensant que l' électron pouvait avoir une charge positive. Il poursuivi ses calculs et s'aperçut que tout un monde opposé au nôtre, pouvait exister. Tout y était identique, sauf qu'au contact du nôtre, il y avait annihilation des 2. C'est en 1932 que Carl Davies découvrit l'anti-électron ou positron. En 1955 l'antiproton est découvert par Emilio Segre et Owen Chamberlain. L'antimatière est presque trouvée, il fallait découvrir l'antiproton. Aujourd'hui, il est fréquent d'observer l'antiparticule dans les grands accélérateurs. Or une question vient tout de suite à l'esprit: où trouver de l'antimatière ailleurs qu'en laboratoire ? L'univers est le seul endroit, où la réponse peut exister. Mais un problème de taille s'oppose à l'observation directe. En effet, il n'existe qu'un seul moyen de l'étudier: la lumière. Hélas, le photon est sa propre antiparticule. Il n'y a donc pas de moyen d'analyse par la lumière. Photon et antiphoton ne font qu'un. D'autre part, l'antimatière n'existe pas à proximité du Système solaire et encore moins à l'intérieur. Nous ne serions pas là pour en parler. Mais tout n'est pas perdu. Depuis quelques années, l'étude du rayonnement gamma a fait des progrès. Des satellites découvrent tous les jours de nouvelles sources. C'est ainsi qu'une découverte fondamentale a révolutionné la détection d'antimatière. En disparaissant, la paire électron - positron émet un rayonnement d'une énergie très précise: 511 keV. C'est ainsi que fut débusqué le Grand Annihilateur, près du centre de la Voie Lactée. C'est une fontaine d'antimatière qui émet le rayonnement gamma à 511 keV. Ce flot de positrons ne vit que sur un trajet de 3 al. Ils sont très vite désintégrés. Après avoir trouvé les antiparticules, les chercheurs voudraient trouver des antiprotons. Par opposition à la matière, l'antimatière est constituée de positrons et d'antiprotons. Mais le proton possède une énergie beaucoup plus importante: >100 MeV (100 millions d'électron-volts). En laboratoire, il faut 2 millions de protons pour faire un antiproton. L'ennui, c'est que le ciel est bien pâle en rayonnement gamma. Cela exclut la possibilité de trouver des antiprotons dans notre Galaxie et celles qui nous entourent. Cela repousse la quête au-delà des amas galactiques, à plusieurs centaines de millions d'années-lumière. Pourtant, selon la théorie du Big-bang, l'antimatière existait à des températures supérieures à 2000 milliards de degrés. Alors où sont passés les antiprotons ? Les chercheurs n'ont toujours pas la réponse.
Avant de penser à son utilité les chercheurs aimeraient trouver un moyen de la stocker. A l'heure actuel, la bouteille électrostatique fonctionne en laboratoire. Les antiparticules sont maintenues, loin des parois, par de puissants champs magnétiques. Des durées d'un mois de stockage ont été obtenues. Mais voilà, l'énergie considérable que l'on peut tirer est à double tranchant. Tout d'abord le bon côté de la chose, nous aurions trouvé une source propre et inépuisable, utilisable sur Terre et aussi dans l'espace, pour les futurs transports spatiaux. Le mauvais côté, c'est sa force destructrice considérable. 1 mg d'antimatière libère l'équivalent de 44 tonnes de TNT. Les militaires montrent un intérêt croissant à cette nouvelle énergie. Heureusement qu'il y a encore loin du laboratoire aux applications industrielles. Le CERN de Genève produit 100 milliards d'antiprotons par jour. Mais cela ne représente que 6.10-11 g par an. A ce rythme, on atteint le milligramme (1/1000e de g) en 10 millions d'années. , sommaire formulaireextrait de C&E n° 277 - Mr Jean-Marc BONNET-BIDAUD - astrophysicien au CEA. |
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