LA MATIERE

  La 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 Mendélèïev.

mise à jour: 1/2/02 : tableau de Mendeleïev

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une représentation schématique de la structure de l'atome.

Ci-dessus, une représentation schématique de la structure de l'atome.

  1. Constitution

    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.

  1. MOLÉCULE        

  Une molécule est formée à partir de plusieurs atomes. Un ensemble  de molécules forment la matière.

  1. ATOME

  Le diamètre de l'atome est de   :       1.10- 8cm.

            "       du noyau         "       :       1.10-13 cm.

            "     de l'électron      "       :       1.10-16 cm.

  La masse de l'électron est négligeable devant celle du proton ou du neutron, qui eux, possèdent une masse à peu près identique. Ils représentent la masse de l'atome.

  L'atome est un système dans  lequel tournent, autour du noyau, les électrons qui sont des particules appelées: lepton. Dans la même famille il y a les 2 cousins de l'électron : le muon et le tau. La charge des leptons est de -1 et 0.

  Le noyau est constitué de protons et de neutrons. Il concentre toute la masse de l'atome. La différence de masse entre le proton et le neutron est environ le double de celle de l'électron. C'est grâce à cela qu'il existe 200 nucléides stables qui composent tous les éléments à la base de la chimie et de la biologie. Ce sont des particules appelées hadrons. L'unité de charge du proton est de 1,16.10-19 coulomb et sa masse de 1,67.10-27 kg. Le coulomb, c'est la quantité d'électricité transportée par un courant de 1 ampère pendant 1 seconde.

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  1. QUARKS

  Les hadrons sont eux-mêmes constitués de Quarks, qui sont actuellement l'étape ultime  de division de la matière. Pour obtenir un quark, il faut casser les particules avec des énergies très élevées. Pour les quarks d et u, il faut des collisions de 10 GeV. Pour les autres quarks, des énergies supérieures sont nécessaires.

   Il y a 6 quarks: u (up), d (down), s (strange), c (charmé), b (beauté), t (top).

    Chaque quark existe sous 3 variétés: rouge, verte, bleue. En combinant les 3 couleurs, un système neutre est réalisé: blanc. Les quarks changent sans arrêt de couleurs en échangeant des gluons. 

     La saveur des particules est repérée par leur nom: quark u, électron, etc...

      La charge du quark est de 2/3 et - 1/3

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  1. ISOTOPE

  Un atome dont le nombre de neutrons se modifie, devient un ISOTOPE, ainsi:

1 proton   +   1 électron = hydrogène
1 proton   + 1 neutron    + 1 électron = deutérium
1 proton   + 2 neutrons   + 1électron = tritium

  La matière est ainsi modifiée, par suite de la pression régnant au  cœur de l'étoile.  Celle-ci comprime les atomes, élève la température et les fait fusionner.

  1. ION

  Un atome est neutre, mais en ayant perdu ou gagné un électron, il devient un ion positif (cations ) ou négatif ( anions ). En effet, le noyau étant toujours de charge positive, c'est le nombre d'électrons qui va déterminer si l'atome est de  charge neutre, positive ou négative. 

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  1. PLASMA

  Un nuage d'ions s'appelle un plasma. C'est pour cela que le plasma est un nuage chargé.

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  1. Mesure

  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 1.10-12s après le Big-bang.

 

  1. Particularités

    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 :

  • protons ( chargés positivement ).

  • électrons ( chargés négativement ).

    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                                =  hydrogène

  • 1 proton   + 1  électron + 1 neutron             = deutérium

  • 1 proton   + 1  électron + 2 neutrons           = tritium

  • 2 protons + 2  électrons                               = hélium

  • 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

  Le numéro atomique Z : c'est le nombre d'électrons de l'atome. 
  La masse atomique : c'est la somme des protons et neutrons.

  Ainsi pour l'uranium 238 :

Symbole uranium 238

  Masse atomique N° atomique Z

23892U

Neutrons

146

238  

Protons

92

 

Electrons

92   92

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

  1. Tableau de Mendeleïev

Voici le célèbre tableau de Mendélèïev. Cliquez sur un élément pour obtenir plus d' information:

Période

**
Groupe

1
IA
1A
18
V
IIIA
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
VIIB
7B

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
Cr
52.00

25
Mn
54.94

26
Fe
55.85
27
Co
58.47
28
Ni
58.69

29
Cu
63.55

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

Fichiers à charger 

Qu'est-ce qu'une table périodique ?

Comment utiliser la table périodique

La table d'origine de Mendeleiev

Chimie en 2 mots


Noms des nouveaux éléments

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  1. Usine à matière

  1. L'ÉTOILE

     Ce sont les réactions thermonucléaires qui régissent la vie d'une étoile. Elles sont générés par la force de gravitation, qui est l'une des 4 forces qui gouvernent l'univers. A l'intérieur d'une étoile, le Soleil par exemple, la gravitation transforme l'hydrogène en hélium par la fusion du deutérium et du tritium au rythme de 596 000 000 tonnes par seconde d'hydrogène, pour produire 592 000 000. La différence génère le rayonnement.

  1. L' HYDROGÈNE

   Le cosmos est rempli de l'élément le plus simple de la matière, celui qui est constitué de 1 proton et de 1 électron: l'hydrogène. Il représente 78% de l'univers. Puis,  viennent ensuite, les 21% formés de l'hélium et le reste, 1%, représentant l'ensemble des autres constituants de la matière, existants dans l'univers et que nous connaissons en les ayant soit observés ou soit créés dans les accélérateurs de particules.

 

  1. ATOME D' HYDROGÈNE

   L'atome se réduit à 2 particules: 1 proton et 1 électron. L'électron tourne très vite autour du noyau constitué de 1 proton. Le proton et l'électron pivotent sur eux-mêmes dans le même sens ou en sens inverse. Cela autorise 2 états de l'atome, selon le SPIN ou sens de rotation. Lorsque l'électron se retourne, tous les 11 millions d'années, une radiation est émise ( création d'une autre particule : le photon ), dont la longueur d'onde se situe à 21 cm. Mais puisque dans un nuage d'hydrogène, il y a des milliards et des milliards d' atomes, on entendra ce nuage à l'aide d'un récepteur radio spécial, calé sur cette fréquence, tout comme nous le faisons avec une émission de radio. L'analyse spectrale pourra interpréter le contenu du nuage.

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  1. L' EAU LOURDE D2O

    En ajoutant un neutron avec le proton, l'atome d'hydrogène se transforme en atome de deutérium . C'est un isotope de l'hydrogène. Notons que la masse de l'électron est négligeable face à celle du proton ou du neutron. Il faut noter que le proton est la particule lourde fondamentale du cosmos. Les masses de ces 2 particules étant presque similaires, le deutérium est 2 fois plus lourd eau lourde et fut utilisée pour fabriquer les bombes A ( bombes atomiques ).

  1. Le deutérium et l'énergie propre

   Les réactions thermonucléaires au sein des étoiles sont une source d'énergie par réaction de fusion. La transformation de 4 noyaux d'atomes d'hydrogène qui fusionnent pour fournir 1 noyau d'atome d'hélium avec la libération d'une énergie de 25 000 mégawatts par gramme et par seconde

    La maîtrise de cette fusion ( ne pas confondre avec la fission, qui casse les particules) promet une source d'énergie inépuisable pour l'homme. Pendant des décennies des recherches ont tenté de la maîtriser. C'est en fusionnant le deutérium, que l'homme espère un jour obtenir de l'énergie propre. Cet isotope de l'hydrogène est issu de l'adjonction d'un neutron au noyau. Il fut créé quelques minutes après le Big-bang et ne peut pas être fabriqué au sein des étoiles, les températures nécessaires ne sont pas assez élevées. Il se trouve dilué dans l'eau de mer à raison de 1 atome pour 6500 d'hydrogène. La quantité contenue dans 1 litre d'eau peut produire autant d'énergie que 300 litres de pétroles. 

    En fusionnant un mélange deutérium-tritium, on obtient du lithium et de l'énergie. Le tritium est aussi un isotope de l'hydrogène.

  Jusqu'à maintenant, seules des études de faisabilité ont été réalisées. La difficulté se trouve dans la réalisation de la bouteille devant contenir cette énergie. Seul le confinement magnétique a de l'avenir. Mais diverses méthodes pour arriver au confinement sont à l'étude, le Tokamak des USA est un des moyens. C'est un concept russe. Il y a aussi le Jet (Joint European Torus). Des températures de 300 millions de degrés ont été atteintes pendant un temps très court. Le but du jeu consiste à obtenir des durées très longues.

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  1. LES PARTICULES

  L' univers est régi par 4 forces fondamentales :

  1. l' interaction forte maintient la cohésion du noyau.

  2. l' interaction faible ou désintégration radioactive.

  3. la force électromagnétique qui maintient l'atome.

  4. la force de gravitation maintient les astres.

 

   Pour simplifier, les particules peuvent être classées en 2 catégories:

    Ces 2 catégories diffèrent par leur spin ( rotation ) qui peut être sur lui-même ou autour du centre de gravité. C'est le moment cinétique propre des particules, qui, selon les calculs, a une valeur entière ou ½ entière en relation avec la constante de Planck:

  • Valeur entière ( 1 - 2 - 3 etc... ) : les bosons

    On y trouve :

    • les bosons W

    • les bosons Z

    • les photons

    • les mésons.

  • Valeur ½ entière ( ½ - 3/2 - etc...) : - etc...) : les fermions

    On y trouve:

    • les nucléons ( protons et neutrons )

    • les baryons

    • les électrons

    • les neutrinos

    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.

retour à univers , Soleil

  1. PARTICULARITÉS

   Les leptons sont des particules légères: électron, neutrino, muon.

   Les hadrons interagissent par interaction forte et comprennent:

  • les baryons,  particules lourdes: neutron, proton, etc. 

  • les baryons sont formés de 3 quarks, pas les leptons.

  • les mésons sont formés de 1 quark + 1 antiquark.

  Les gluons unissent les quarks.

  Les hypérons composent une partie de 1 baryon.

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  1. Evolution

  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.

  1. Vie des particules

   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.

Conclusion:

  • Durée de vie du proton = 1.1032 siècles ?

  • Durée de vie du neutron: 15 minutes.

  • Durée de vie de l' hypéron : 6.10- 20 seconde.

  • Durée de vie de l'univers jusqu'à nos jours : 15.109 années.

  • Combien lui en reste-t-il ? La durée de vie du proton ?...

 

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.

  1. Naissance du neutrino

   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.

  1. Rôle du neutrino

     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. 

En 1987 SN1987A naissait dans le Grand Nuage de Magellan      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.

 

 

une étoile explosa dans le Grand Nuage de MagellanIls provenaient d'une étoile qui explosa dans le Grand Nuage de Magellan ( la galaxie sœur de la Voie Lactée ), située à 170 000 al. L'étoile a projeté dans le cosmos 1.1058 neutrinos en quelques secondes. Ils ont mis 170 000 ans pour nous parvenir. Seulement 11 furent piégés dans la cuve. La petite photo ci-contre est un agrandissement  du centre  de la photo du dessus. L'étoile en cause, c'est le petit point, au centre. 

 

 

  1. L'expérience japonaise

  1. Détection    

Les Japonais ont annoncé le 5 juin 1998, qu'ils avaient réussi à piéger avec leur détecteur de Kamiokande, des neutrinos dans une piscine contenant 50 000 m³ d'eau pure, enterrée au fond d'une mine. Les neutrinos ont une chance sur 100 milliards de percuter un atome d'oxygène de l'eau. Si c'est un neutrino électronique, un électron et des particules sont récupérés. Dans le cas d'un muonique ou d'un tau, on récupère un muon ou un tau. Grâce à l'effet de Cerenkov, car ces particules se déplacent plus vite que la lumière dans l'eau, il est possible de les détecter, par l'observation du déplacement du cône lumineux créé. L'électron et le muon ayant des masses différentes, ils ne se déplacent pas à la même vitesse. Quant au tau, sa durée de vie est si faible, qu'il disparaît avant d'avoir été détecté.

  1. Effet Cerenkov

    Si la vitesse d'une particule chargée dépasse, dans un milieu autre que le vide, la vitesse de la lumière , des photons sont émis dans un cône dont l'angle d'ouverture sera dépendant de sa vitesse. C'est l'effet Cerenkov. Calculer l'angle revient à calculer la vitesse de la particule et en utilisant sa quantité de mouvement, son énergie peut être déduite. Ceci est valable dans un milieu où l'indice de réfraction est 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.

  1. La découverte de la masse du neutrino

    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:

(masse du tau)2 - (masse du mu)2 = (1.10-3)2 eV

et sachant que:

1 ev = 1,6.10-19 joule

 dans le cas où la masse est au repos, la formule d'Einstein (E = mc2) donne l'équivalent énergie-masse:

1 eV = 1,8.10-39 g

  1. Découverte du Neutrino-Tau

   Après le neutrino-électron (1956), le neutrino-mu (1962), voici le neutrino - tau, dernière particule élémentaire prévue par la théorie. Découverte par le Fermilab de Chicago, il fallut 1.1014 particules pour en obtenir 4, tellement ce neutrino est insaisissable.

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  1.  Antimatière

   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.

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  1. Utilité de l'antimatière

    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.

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 extrait de C&E n° 277 - Mr Jean-Marc BONNET-BIDAUD - astrophysicien au CEA.

 

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