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Chapitre 3 : structure et organisation de la matière
1 Matière, généralités
La matière (du latin materia, apparenté à mater « mère » « celle qui produit », « cause »,« source », « origine ») est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible.
La matière occupe de l'espace et possède une masse.
Ainsi, en physique, tout ce qui a une masse est de la matière.
Mais qu’est-ce que la masse ?
2 Théories primitives de la matière et hypothèse atomique
Au VI° siècle avant J.C., Thalès de Milet suppose que la matière s'est formé à partir d'unélément primitif unique : l'eau.
Héraclite, au V° si7cle, voit dans le feu l'élément primordial, tandis que pour Empédocle, lamatière est constituée des quatre éléments : eau, feu, terre et air, dans des proportionsvariables.
Quelques années plus tard, Démocrite, disciple de Leucippe, décrit lamatière comme un assemblage de particules invisibles et éternelles : lesatomes.
La notion d'atome est formulée pour la première fois vers 450 avant J.C. Le philosophe Leucippedéveloppe une théorie selon laquelle la matière n'est pas indéfiniment divisible, et prononce lemot « atomos » : « qui ne peut être coupé » (contre l'idée d'une matière indéfiniment sécable).
Démocrite
Cette conception nouvelle ne procède ni d'observation ni d'expériences, mais plutôtd'intuitions. Elle sera développée par Epicure (341-270 avant J.C.), puis par le poète latinLucrèce, au 1er siècle avant J.C.
Il faudra ensuite attendre 2000 ans pour que la « théorie atomique » soit reprise etscientifiquement formulée.
Les solides de Platon jouent un rôle premier dans la philosophie de Platon, à partir duquel ilsont été nommés.
En géométrie euclidienne, un solide de Platon est un polyèdre régulier (un polyèdre est ditrégulier s'il est constitué de faces toutes identiques et régulières, c’est-à-dire formées depolygones réguliers, et que tous ses sommets sont identiques, c’est-à-dire qu'il y a un mêmenombre d'arêtes qui convergent à chaque sommet) et convexe (un objet géométrique est ditconvexe lorsque, chaque fois qu'on y prend deux points A et B, le segment [A, B] qui les joint yest entièrement contenu).
Entre les polygones réguliers et convexes de la géométrie plane, et les polyèdres réguliersconvexes de l’espace à trois dimensions, il y a une analogie, mais aussi une différence notable.Les polygones réguliers convexes sont en nombre infini, leur nombre de côtés est n’importequel nombre entier supérieur ou égal à trois. En revanche, il existe seulement cinq polyèdresréguliers convexes : les cinq solides de Platon.
Le tétraèdre L’hexaèdre ou cube L’octaèdre
Le dodécaèdre L’icosaèdre
Un polyèdre convexe est un solide de Platon si et seulement si :� Toutes ses faces sont des polygones réguliers convexes isométriques� Aucune de ses faces ne se coupe, excepté sur les arêtes� Le même nombre de faces se rencontrent à chacun de ses sommets.
Chaque solide de Platon peut par conséquent être noté par un symbole {p, q} où :� p = le nombre de côtés de chaque face (ou le nombre de sommets sur chaque face) et� q = le nombre de faces se rencontrant à chaque sommet (ou le nombre d'arêtes se
rencontrant à chaque sommet).
Le symbole {p, q}, appelé le symbole de Schläfli, donne une description combinatoire dupolyèdre. Les symboles de Schläfli des cinq solides de Platon sont donnés dans la table ci-dessus.
Outre les cinq solides de Platon, on peut construire quatre autres solides réguliers, deux dontles faces sont des polygones réguliers étoilés (ou croisés) : les solides de Kepler, et deux ayantdes faces régulières, mais qui peuvent s'interpénétrer : les solides de Poinsot.
Platon, dans le dialogue Timée (env. 358 av. J.-C.), associaitchacun des quatre Éléments physiques (la terre, l'air, l'eau et lefeu) avec un solide régulier. La terre était associée avec le cube,l'air avec l'octaèdre, l'eau avec l'icosaèdre et le feu avec letétraèdre.
Il existait une justification pour ces associations : la chaleur du feu semble pointue et commeun poignard (comme un peu le tétraèdre). L'air est constitué de l'octaèdre ; ses composantsminuscules sont si doux qu'on peut à peine les sentir. L'eau, l'icosaèdre, s'échappe de la mainlorsqu'on la saisit comme si elle était constituée de petites boules minuscules. Par contraste, unsolide fortement sphérique, l'hexaèdre (cube) représente la terre. Ces petits solides font de lapoussière lorsqu'ils sont émiettés et se cassent lorsqu'on s'en saisit, une grande différenceavec l'écoulement doux de l'eau.
Pour le cinquième solide de Platon, le dodécaèdre, Platon remarque obscurément, « ...le dieuutilisé pour arranger les constellations sur tout le ciel ». Platon mettait en correspondance ledodécaèdre avec le Tout, parce que c'est le solide qui ressemble le plus à la sphère. Aristote aajouté un cinquième élément, aithêr (aether en Latin, « éther » en Français) et a postulé queles cieux étaient fait de cet élément, mais il n'avait aucun intérêt à le faire coïncider avec lecinquième solide de Platon.
La théorie atomique moderne est née des travaux duphysicien et du chimiste anglais John Dalton. En 1803, Daltonprésente un mémoire sur l'absorption des gaz par lesliquides, et utilise l'hypothèse selon laquelle la matière estcomposée de particules ultimes, identiques et indivisibles : lesatomes.
En 1811, l'Italien Amedeo Avogadro (1776-1856) établit une distinction entre lesatomes et les molécules.
Il énonce la « loi » (hypothèse d’Avogadro)selon laquelle :
« des volumes égaux de gaz soumis à unepression identique renferment un mêmenombre de molécules ».
On doit à Jean Perrin plusieurs méthodes de détermination expérimentale dece nombre, dit d'Avogadro, qui est égal à 6,022 × 1023. Jean Perrin (1870-1942),prix Nobel en 1926, détermina la valeur de la constante NA, qu’il appelaconstante d’Avogadro en hommage au savant italien Avogadro, par treizeméthodes différentes.
La théorie atomiste fut disputée jusqu'à la fin du XIXe siècle, mais n'est plus au XXIe siècle l'objetde la moindre controverse.
C'est en particulier sur cette notion d'atome que reposent les sciences de la matière modernes.
A l'orée du XIXe siècle, Wilhelm Ostwald (1853-1932) qui reçut le prix Nobel de chimie en 1909affirmait que l'hypothèse atomique n'était qu'un « fatras commode pour désigner lesinteractions énergétiques » — il reviendra sur sa position — et le physicien autrichien ErnstMach (1836-1916) appuyait sa réfutation des atomes en disant « qu'on ne pouvait les voir etdonc qu'ils n'étaient pas des objets intéressant la science ».
Richard Feynman (1918-1988), un physicien théoricien américainnobelisé et l'un des physiciens les plus influents de la deuxième moitiédu XXème siècle dit, à propos de l’hypothèse atomique :
Si, dans un cataclysme, toute notre connaissance scientifique devait être détruite et qu'une seule phrase passe aux générations futures, quelle affirmation contiendrait le maximum
d'informations dans le minimum de mots ? Je pense que c'est l'hypothèse atomique (ou le fait atomique, ou tout autre nom que vous voudrez lui donner) que toutes les choses sont faites
d'atomes - petites particules qui se déplacent en mouvement perpétuel, s'attirant mutuellement à petite distance les unes les autres et se repoussant lorsque l'on veut les faire se pénétrer. Dans
cette seule phrase, vous verrez qu'il y a une énorme quantité d'information sur le monde, si on lui applique un peu d'imagination et de réflexion.
Le cours de physique de Feynman (1963), volume Mécanique 1, chapitre 1, Atomes enmouvement.
En 1905, en élaborant la théorie de la relativité restreinte, Einstein postule que la masse estune des formes que peut prendre l'énergie.
Selon Einstein, un système de masse m possède lorsqu'il est au repos, une énergie :
Mais cette équivalence n’explique pas ce que représente fondamentalement la masse et ce quidifférencie la matière des rayonnements.
3.1 Hypothèse d’Avogadro : nombre d’Avogadro
Selon Avogadro, le volume occupé par un gaz (dans des conditions fixées de température et depression) est toujours le même, quel que soit le gaz ; il est directement proportionnel aunombre de molécules présentes dans ce gaz.
Le volume qu’occupe un nombre de molécules fixé d’ungaz (par exemple une mole, qui comme nous lerappellerons correspond à ou 6,02 x 1023 molécules) nedépend pas de la nature du gaz.
Le volume molaire sera le même peu importe le type degaz, qu’il soit constitué d’atomes, de molécules ou departicules polyatomiques.
3 Du microscopique au macroscopique : notion de mole
Exemple d’application :
Quel est le volume de 2,7 mol d’oxyde nitreux NO2 à TPN?
Données : n1 = 2,7mol V1 =? n2 = 1mol V2 = 22,4L
On isole V1 dans la formule de l’hypothèse d’Avogadro :
ce qui donne :
Donc on a 60,48L d’oxyde nitreux à TPN.
L’hypothèse d’Avogadro constitue l’une des lois fondamentales des gaz :
Ainsi si des volumes égaux de gaz contiennent le même nombre de molécules, les massesrelatives des molécules devraient être les mêmes que les masses relatives des gaz. Donc si oncombine 2g de dihydrogène avec 32g de dioxygène, la masse d’une molécule de dioxygène est16 fois plus grande que celle du dihydrogène.
D'où on infère que la molécule-gramme (c’est-à-dire la quantité de substance égale au poidsmoléculaire) d'un gaz quelconque contient le même nombre de molécules.
Ce nombre est appelé le nombre d’Avogadro.
Pour une de ces mesures, Jean Perrin a eu l'idée de réaliser une« atmosphère » isotherme à l'aide d'une suspension de sphérules(toutes petites sphères) de gomme-gutte (caoutchouc végétal)dans de l'eau.
La masse des grains utilisés entraîne que la hauteurcaractéristique (cf. après) est de l'ordre du centième demillimètre.
Une goutte de la suspension est donc placée dans une cuve plateprofonde d'un dixième de millimètre et observée au microscope.
« On constate que la répartition des grains, à peu près uniforme après l'agitation qui accompagne forcément la mise en place, cesse rapidement de l'être, que les couches inférieures deviennent plus riches en grains que les couches supérieures, mais que cet
enrichissement se ralentit sans cesse, et que l'aspect de l'émulsion finit par ne plus changer. Il se réalise bien un état de régime permanent dans lequel la concentration
décroît avec la hauteur. »
3.2 Une détermination expérimentale du nombre d’Avogadro
3.3 Définition de la môle
Un échantillon de matière de taille macroscopique contient un très grand nombre d'atomes. Parexemple, 6 grammes d'aluminium contiennent environ 1,34×1023 atomes(134 000 000 000 000 000 000 000 atomes ; soit 134 mille milliards de milliards).
Pour éviter l'utilisation d'aussi grands nombres, on a créé une unité de mesure, la mole (dans lecas présent 6 g d'aluminium représentent 0,22 mole d'atomes). La masse d'une mole de matièreou masse molaire, lorsqu'elle est exprimée en grammes, correspond en première approximationau nombre de nucléons de l'élément (27 nucléons pour l'aluminium).
La mole (symbole : mol) est une unité de base du système international, apparue en 1971, quiest principalement utilisée en physique et en chimie.
La mole est la quantité de matière d'un système contenant autant d'entités élémentairesqu'il y a d'atomes dans 12 grammes de carbone 12. Une mole d’atomes contient environ6,02214179(30)×1023 atomes. Ce nombre est appelé constante d'Avogadro, son symboleest NA.
Formulé de manière plus compréhensible, la mole est une unité de comptage au même titreque la centaine, la vingtaine ou la douzaine, sauf que cette unité de comptage est immense(environ 600 000 milliards de milliards d'unités). De la même manière qu'il y a autantd'éléments dans une douzaine de pommes que dans une douzaine d'œufs, il y a le mêmenombre d'atomes dans une mole de carbone que dans une mole de plomb (c’est-à-dire 602214 milliards de milliards d'atomes).
3.4 De l'immensité cachée de la moleQue peut-on faire avec une mole de grains de sable ?
D'abord, il faut définir sa qualité : un sable ayant un grain de 0,1 mm de diamètre est un sabletrès fin et quand ce diamètre est de 1 mm, c'est un gros grain.
Ainsi avec une mole de sable fin, on pourrait recouvrir la superficie de la France (552 000 km2)d'une couche de un peu plus de un mètre. Avec du gros sable, la couche serait donc de un peuplus de un kilomètre. Mais on pourrait recouvrir la Terre entière d'une pellicule de gros sable de1 m d'épaisseur— la surface de la Terre est près de 1 000 fois celle de la France.
On pourrait peut-être aussi élever un cône de sable fin haut comme l'Everest (8 850 m) avecune base de 200 km2 à savoir deux fois la superficie de Paris département — mais il n'est pascertain qu'un tel édifice soit réalisable, la physique des tas de sable ayant aussi son mot à dire.
On pourrait également mettre les grains de sable bout à bout : on trouve alors une distance de6,02.1016 km avec du sable fin, soit plus de 6 000 années-lumière... à savoir égale au diamètredu bulbe de notre Voie Lactée. Une mole de virus du SIDA (diamètre de l'ordre de 100 nm) misbout à bout représente 6 années-lumière, ce qui nous permettrait d'atteindre l'étoile deBarnard...
Dans le même ordre d'idée, une mole de secondes représente un peu plus de... 4 millions defois l'âge de la Terre. Il n'y a enfin aucune chance que l'on atteigne une mole d'êtres humains...et c'est tant mieux.
4.1 Molécule(du latin molecula, diminutif de moles « masse »)
4.2 Atome(du grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser »)
Une molécule est formée d'atomes :
- dans un corps pur simple, la molécule est formée d'un ou plusieurs atomes semblables,- dans un corps pur composé, la molécule est formée d'atomes différents
La molécule d'eau par exemple (H2O) contient 2 atomes d'hydrogène et 1 atome d'oxygène.L’eau est donc un corps pur composé.
La molécule est la plus petite partie d'un corps pur susceptible d'exister à l'état isolé engardant les caractères de ce corps.
4 Molécules et atomes
Un atome est la plus petite partie à l’état électrique neutre d'un corps pur simple pouvantse combiner chimiquement avec une autre. Il est susceptible d'entrer dans lescombinaisons chimiques avec d'autres atomes pour constituer des molécules.
La matière est présente autour de nous sous trois formes ou plus exactement trois états :solide, liquide et gazeux.
Une substance comme l'eau par exemple pourra ainsi être de la glace, du liquide incolore ou dela vapeur d'eau selon la température et la pression exercée sur cette eau.
5 États de la matière
Mais sous n'importe quelle forme que ce soit l'eau est formée par les mêmes molécules etatomes et c'est l'organisation de ces atomes et molécules qui donnera à l'eau sa forme solide(glace), sa forme liquide (incolore) ou sa forme gazeuse (vapeur invisible).
6 Organisation de la matière
Les travaux des chimistes ont montrés que toutes les substances matérielles pouvaient seramener à des combinaisons ou mélanges d’un certain nombre de corps purs (exemples : le fer,le cuivre, le sodium, l'oxygène, le dioxygène, l’ozone, l'hydrogène...).
6.1 Corps purs et mélanges
Un corps pur est un corps ne comportant qu'une seule espèce chimique, à la différence d'unmélange qui comporte plusieurs espèces chimiques.
Une espèce chimique est une appellation générique se référant à un ensemble d'entitéschimiques identiques.
Dans le cadre de l’hypothèse atomique, chaque entité chimique est soit un atome (espècechimique atomique) soit un groupe d'atomes liés qui peut, selon sa charge électrique et saconfiguration électronique, être une molécule, un ion ou un radical.
6.2 Mélanges
Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeusesqui n'interagissent pas chimiquement.
Un mélange a une composition chimique que l’on peut faire varier de manière continue.
On distingue deux grands types de mélanges :
�les mélanges hétérogènes, qui comportent plus d'une phase visible à l'œil nu.
�les mélanges homogènes, qui ne comportent qu'une seule phase visible à l'œil nu.
Remarque : une solution est un mélange homogène de deux ou plusieurs substances,initialement dans un état (solide, liquide, gazeux).
La substance majoritaire est appelée solvant, les substances minoritaires sont les solutés.
Une solution alcoolique est un mélange homogène (5% alcool - 95% eau → 5,01% alcool -94,99% eau).
Une roche est un mélange hétérogène.
6.3 Corps purs
La réaction chimique peut décomposer un corps pur en corps plus simples : par exemple, lepassage d’un courant électrique dans l’eau la décompose en deux gaz, le dioxygène et ledihydrogène.
On distingue donc parmi les corps purs les corps purs simples et les corps purs composés.
Les corps purs simples résistent à toutes les tentatives de décomposition chimique. Ce sont lesformes les moins complexes de la matière.
Cependant un corps simple peut se transformer en un autre corps simple : diamant et graphitesont deux allotropes du carbone
Un corps pur simple est un corps constitué d'un seul type d'atomes.
Un corps pur simple peut être de deux nature différentes :
�Un corps simple élémentaire, où les atomes ne sont pas organisésen molécules. C'est le cas par exemple des métaux comme le fer, lecuivre, etc.
�Un corps simple moléculaire, où les atomes sont organisés enmolécules. C'est le cas du dihydrogène (H2), du diazote (N2), dudioxygène (O2), de l'ozone (O3), etc.
Ces corps simples peuvent s'unir entre eux pour former d'autres corps purs : ce sont les corpspurs composés ou combinaisons.
De nombreux corps composés se trouvent dans la nature (exemples : le chlorure de sodium ousel de cuisine, le carbonate de calcium ou marbre, l’eau pure, ...).
Un corps composé est toujours constitué par les mêmes corps simples et dans les mêmesproportions.
Un corps pur composé est constitué d’un seul type de moléculesqui peuvent contenir plusieurs types d’atomes.
Une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la variationd'un paramètre extérieur particulier (température, pression, champ magnétique...).
Cette transition a lieu lorsque le paramètre atteint une valeur seuil (plancher ou plafond selon lesens de variation). La transformation est un changement des propriétés du système.
7 Transitions de phase ou changements d’états
Le point triple est un point du diagramme de phase qui correspond à la coexistence de trois états(liquide, solide et gazeux) d'un corps pur. Il est unique et s'observe seulement à une températureet une pression données. Par exemple : le point triple de l'eau est à : T = 273,16 K (soit 0,01 °C)et P = 611 Pa (soit 0,006 atm).
7.1 Chaleur latente
L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleurnécessaire à l'unité de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d'un corps pour qu'il changed'état; cette transformation ayant lieu à pression constante.
Par exemple pour le passage de l'état liquide à l'état de vapeur on parlera d'enthalpie devaporisation.
L'enthalpie échangée lors du changement d'état résulte de la modification (rupture ouétablissement) de liaisons interatomiques ou intermoléculaires.
Changements d’état et chaleurs latentes relatifs à l’eau
Les chaleurs latentes correspondent à des transformations à la pression atmosphérique (1013hPa) et à 0°C. A 100°C, le cycle condensation/évaporation requiert une chaleur latente de2250 J/g.
Courbe chaleur latente de vaporisation de l'eau L=f(T)
8 Structure de l’atome
8.1 Historique
Malgré son nom, l'atome n'est cependant plus considéré comme un grain de matière insécable,depuis les expériences de physique nucléaire ayant mis à jour sa structure au début duXXe siècle.
Notre connaissance de la structure des atomes est très récente. En effet, la structure desatomes était totalement inconnue en 1895 !
C'est la découverte des rayons X par Röntgen en 1895 puis de la radioactivité par HenriBecquerel en 1896 et Pierre et Marie Curie à partir de 1898 qui a permis de commencer àcomprendre la structure des atomes.
Les électrons ont été identifiés par J. J. Thomson en 1897, puis, en 1911, Ernest Rutherford meten évidence l'existence du noyau atomique, puis la notion de proton s'impose peu à peu.
Cependant, pendant plusieurs années, les physiciens pensaient que le noyau était formé deprotons et d'électrons.
La deuxième expérience de J.J. Thomson où il mesure la déviation du faisceau de « corpuscules » par un champ électrique appliqué entre les électrodes (D) et (E). Le faisceau est issu de la
cathode (C) et passe à travers une fente aménagée dans l’anode (A) et un cylindre porté à la masse (B). A l’extrémité du tube, une mire graduée permet de mesurer la déviation du faisceau.
Découverte de l’électron par Thomson
Découverte de l’électron par Thomson
http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/physique-chimie/decouverte-de-l-electron
Le modèle de l'atome de Thomson.
Il compare l'atome à une boule de matière de charge électrique positive, « piquée »d'électrons, particules de charge négative. Dans un matériau solide comme l'or, ces sphèresseraient empilées de façon à occuper un volume minimal.
Le rapport me / e des rayons cathodiques
• La valeur trouvée est : me/e = -5,686 x 10-12 kg/C (kilogramme parcoulomb)
• Cette valeur est environ 2000 fois plus petite que la plus petite valeurmesurée jusqu’à ce jour, qui était le rapport entre la masse et lacharge d’ions hydrogène.
• Cette observation suggère donc :– Si la charge d’une particule d’un rayon cathodique est comparable à celle
d’un ion H+, alors la masse d’une particule du rayon cathodique estbeaucoup plus petite que celle d’un ion H+;
– Si la masse d’une particule d’un rayon cathodique est comparable à celled’un ion H+, alors la charge d’une particule du rayon cathodique estbeaucoup plus grande que celle d’un ion H+.
• Thompson pensait pouvoir prouver la première hypothèse, mais n’ajamais pu mesurer précisément la masse ou la charge des particules.
Cette dernière expérience ne laissait plus de doute : l'électron existe. Thomson reçut d'ailleursle prix Nobel en 1906 pour sa découverte des électrons. Il fallut attendre 1909 pour queRobert Andrews Millikan mesure séparément la masse et la charge des électrons.
La charge de l’électron : l’expérience de la goutteletted’huile de Millikan
À l’aide de ce montage, Millikan a pu déterminer la charge de l’électron, qui est de e = -1,602.10-19 coulomb.
L'expérience consiste à sélectionner une gouttelette et à analyser son mouvement sous l'actiondes forces agissant sur elle à différentes valeurs d'ionisation :
L’expérience de la goutte d’huile, réalisée par Millikan(université de Chicago) au début du XXème siècle,consiste à pulvériser de minuscules gouttes d’huilesélectrisées entre les deux électrodes horizontales d'uncondensateur plan chargé. Les minuscules gouttessubissent plusieurs forces qui s'équilibrent rapidementet font que chaque goutte se déplace à vitesseconstante, mesurable avec une lunette de visée et unchronomètre.
� son poids vers le bas qui est constant ;� la poussée d’Archimède (puisque entre les
électrodes, il y a de l'air) qui est constante ;� la force électrostatique vers le haut
proportionnelle à sa charge électrique, et qui estproportionnelle au champ et constante dans unchamp uniforme ;
La résultante de ces trois forces est donc constante et est très rapidement compensée par lefrottement avec l’air ce qui conduit à observer un mouvement de la gouttelette à vitesselimite constante puisque la somme des forces agissantes est nulle.
Millikan, par simple mesure de vitesse par le rapport de la distance parcourue sur le temps mispour la parcourir sur une gouttelette d'huile qu'il ionisait en l'irradiant par rayons X, observaexpérimentalement que les valeurs d'ionisation étaient toutes multiples entières dee=1,592×10−19 C, constante que l’on connaît aujourd’hui sous le nom de charge élémentaire(avec une valeur mise à jour légèrement différente : e=1,60217646×10−19 C) et que l’on notetraditionnellement e ; cette expérience s'est avérée être la première preuve de la quantificationde la charge électrique qui est strictement toujours un multiple entier positif ou négatif de cettevaleur fondamentale e.
Cette expérience et ses conclusions sur la quantification des chargesvalurent à Millikan le Prix Nobel de physique en 1923.
http://www.youtube.com/watch?v=DnO3mkCLYsI
Expérience de Millikan
La masse de l’électron
• Avec la valeur de la charge de l’électron (e = -1,602 x 10-19 coulomb), Millikan a également pu déterminer la masse de l’électron à l’aide des résultats de l’expérience de Thompson.
C 10 x 1,602 ; kg/C 10 x 5,686 19-12-−== e
e
me
kg 10 x 9,109 -31=
em
Rutherford vient juste de montrer que les particules α émises par certaines sources radioactivessont des ions hélium He2+ (atomes d'hélium ayant perdu 2 électrons). Lors de son expérience, ilbombarde une feuille d'or de très faible épaisseur (0,6 µm) par des particules α émises par unesource de radium. Les taches qui apparaissent sur un écran fluorescent lui permettent deconnaître la trajectoire suivie par les particules.
Rutherford constate alors que la grand majorité d'entre elles traversent la feuille d'or sans êtredéviées, la tache lumineuse principale observée sur l'écran garde en effet la même intensitéavec ou sans feuille d'or. Quelques impacts excentrés montrent que seules quelques-unes sontdéviées. D'autres (1 sur 20 000 à 30 000) semblent renvoyées vers l'arrière.
Rutherford et la découverte du noyau
http://www.youtube.com/watch?v=kHaR2rsFNhg
Expérience de Rutherford
Expérience de Rutherford (généralités)
Expérience de Rutherford (description de l’appareillage)
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/flash/ruther14.swf
http://www.educationnumeriquepourtous.com/new/ressources/Ressources/flash_resources/edu_2.swf
En 1911, après une longue réflexion, Rutherford propose un nouveau modèle, dans lequell'atome est constitué d'un noyau chargé positivement, autour duquel des électrons, chargésnégativement, sont en mouvement et restent à l'intérieur d'une sphère. Le noyau est 104 à 105
fois plus petit que l'atome et concentre l'essentiel de sa masse. L'atome est doncessentiellement constitué de vide.
Seul le noyau restait incompris...
En 1931, Irène et Frédéric Joliot-Curie observent les neutrons mais sanscomprendre leur nature.
En 1932, James Chadwick montre que le neutron est un partenaireneutre du proton dans le noyau.
La structure de l'atome est comprise...
Histoire de la découverte de l’atome
Découverte des constituants de l’atome (en anglais)
http://www.youtube.com/watch?v=kBgIMRV895w
http://www.youtube.com/watch?v=7mbCB46oDWA
http://www.youtube.com/watch?v=HpzKinLWEJ0
C’est pas sorcier : au cœur de la matière
Problème de l’instabilité de l’atome
Le modèle de Bohr, introduisant une quantification des énergies permises
Dans le même temps, pendant les années 1924 à 1927, le développement de la mécaniquequantique permet de décrire de manière précise le comportement des électrons des atomes.
Fondements de la mécanique quantique
Jeu sur les modèles de l’atome
Chronologie des découvertes
Une moisson de prix Nobels
• Découverte de la radioactivité et isolement de deux éléments radioactifs : le radium et le polonium. (1903)
• Découverte du neutron. (1935)
• Réactions nucléaires avec des neutrons lents (1938)
• Principe d'exclusion selon lequel deux particules de spin demi entier (fermions) ne peuvent être dans le même état. (1945)
• Prédiction de l’existence des mésons. (1949)
• Transmutations nucléaires de noyaux lourds provoquées par bombardement avec des particules accélérées à l'aide d'un générateur de haute tension électrostatique (1951)
• Théorie du noyau atomique. Modèle du noyau en couches. (1963)
• Modèle collectif du noyau atomique, perfectionnement des modèles en couche et de la goutte liquide. (1975)
Le nombre de protons dans le noyau, noté Z, définit le numéro atomique de l'élément
Les propriétés chimiques sont déterminées par la configuration électronique de l'atome, quidépend directement du numéro atomique.
8.2 Structure de l’atome
Un atome est constitué d'un noyau concentrant plus de99,9 % de sa masse, autour duquel se distribuent desélectrons pour former un nuage 40 000 fois plus étendu quele noyau lui-même.
Le noyau est constitué de protons, chargés positivement, etde neutrons, électriquement neutres. Neutrons et protonsportent le nom de nucléons.
Structure atomique
http://www.youtube.com/watch?v=jAVWxPGYAu4
Les électrons occupent des orbitales atomiques en interaction avec le noyau via la forceélectromagnétique, tandis que les nucléons sont maintenus ensemble au sein du noyau par laliaison nucléaire, qui est une manifestation de l'interaction nucléaire forte.
Le nuage électronique est stratifié en niveauxd'énergie quantifiés autour du noyau définissant descouches et des sous-couches électroniques.
Les nucléons se répartissent également en couches nucléaires, bien qu'un modèle approchéassez commode popularise la structure nucléaire d'après le modèle de la goutte liquide.
Représentation d’une fission dans le modèle de la goutte liquide
Quelques chiffres…
La taille de l’atome est de l’ordre du dixième de millionième de millimètre c'est à dire : 10-10 m =0,000 000 000 1 m.
Le nombre d’atomes d'une toute petite parcelle d'un corps est si grand qu'il défie l'imagination.
Une tête d'épingle de 1 mm3 contient environ 80 000 000 000 atomes de fer.
Une goutte d'eau contient environ mille milliards de molécules d'eau qui elles-mêmescontiennent chacune 3 atomes.
Un noyau d'atome a une taille de l'ordre de 10-15 m, soit cent mille fois plus petit que l'atomelui-même.
Un électron est théoriquement une particule ponctuelle, elle ne doit donc pas avoir de taille... Entout cas, si l'électron a une taille, elle est inférieure à 10-18 m, soit au moins cent millions de foisplus petit que l'atome.
La masse d'un nucléon (les protons et les neutrons ont quasiment la même masse) est de 1,710-27 kg, soit moins de deux millièmes de milliardième de milliardième de milligramme.
La masse d'un électron est de 9,1 10-31 kg, soit environ 1840 fois moins qu'un nucléon.
Ainsi, 99,97 % de la masse d'un atome est dans son noyau.
Comme le noyau est très petit, la masse d'un atome est donc très concentrée.
Ainsi, si on supprimait le vide qu'il y a autour des noyaux des atomes, la Terre pourrait tenirdans une sphère de seulement 150 m de rayon !
8.3 Peut-on « voir » et manipuler les atomes ?
Si l'hypothèse atomique a fini par triompher des résistances par la mise en évidence de sesconséquences indirectes (mouvement brownien, diffusion, chimie,...), force est de dire quel'atome semblait inaccessible à l'observation.
Aujourd'hui, ce n'est plus vrai, mais tout d'abord il faut s'entendre sur l'expression « voir lesatomes ». Il n'est pas question de les voir directement, le rayonnement visible étant de longueurd'onde trop grande pour être optiquement perturbé par les atomes — tout comme une noix decoco ne peut perturber la progression d'un tsunami.
Il faut donc utiliser d'autres moyens : la microscopie électronique à haute résolution et lamicroscopie à effet tunnel nous les fournissent.
Les microscopes électronique à haute résolutionutilisent des faisceaux d'électrons relativistes dont lalongueur d'onde de de Broglie est de l'ordre dupicomètre — 10-12 m — soit notablement inférieureaux dimensions atomiques, ce qui permet d'utiliserces faisceaux sur le mode de l'optique géométrique(focalisation) pour « voir » les atomes.
Sur le « cliché » ci-dessous, qui résulte en fait d'unereconstitution à partir des données électriquesobtenues par le microscope, la résolution est del'ordre de 0,1 nm !
Par ailleurs, en 1981, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer des laboratoires IBM inventèrent lamicroscopie à effet tunnel, invention pour laquelle ils reçurent le prix Nobel de physique 1986.
Le principe en est relativement simple — pour la réalisation, c'est autre chose : une pointenanométrique se déplace sur l'échantillon à observer, permettant ainsi de reconstituer le «paysage » atomique grâce aux informations recueillies par effet tunnel.
Il s'agit, pour simplifier, d'un palpeur (une pointe ou sonde)qui suit la surface de l'objet. La sonde balaie (scanne) lasurface à représenter. Un ordinateur ajuste (via un systèmed'asservissement) en temps réel la hauteur de la pointepour maintenir un courant constant (courant tunnel) etenregistre cette hauteur qui permet de reconstituer lasurface.
Pour cela, avec un système de positionnement de grande précision (réalisé à l'aide depiézoélectriques), on place une pointe conductrice en face de la surface à étudier et l'on mesurele courant résultant du passage d'électrons entre la pointe et la surface par effet tunnel (lesélectrons libres du métal sortent un peu de la surface, si l'on se met très près sans pour autant latoucher, on peut enregistrer un courant électrique).
Dans la plupart des cas, ce courant dépend très rapidement (exponentiellement) de la distanceséparant la pointe de la surface, avec une distance caractéristique de quelques dixièmes denanomètres.
Ainsi, on fait bouger la pointe au-dessus de l'échantillon avec un mouvement de balayage et onajuste la hauteur de celle-ci de manière à conserver une intensité du courant tunnel constante, aumoyen d'une boucle de rétroaction. On peut alors déterminer le profil de la surface avec uneprécision inférieure aux distances interatomiques.
Et voilà ce qui put être « vu » de cette manière — bien sûr, les couleurs sont artificielles et n'ontque pour fonction de distinguer et enjoliver les objets.
On put faire mieux que « voir » les atomes ! Non seulement la pointe nanométrique permettait de les palper, mais on pouvait en plus les manipuler un à un grâce à elle.
Ainsi le physicien Donald Eigler, toujours des laboratoires IBM, réussit le 28 septembre 1989 àécrire le sigle IBM à l'aide de 35 atomes de xénon sur une surface de nickel.
Il écrivit aussi l'idéogramme japonais signifiant atome à l'aide d'atomes de fer sur un substratde cuivre.
On réalisa enfin des « corrals quantiques » — par exemple ci-dessous avec 48 atomes de ferdisposés le long d'un cercle sur un substrat de cuivre.
Les vaguelettes observées à l'intérieur du cercle mettent en évidence le caractèreondulatoire des électrons métalliques délocalisés.
9 Notions d’élément chimique et d’isotopes9.1 élément chimiqueOn définit par élément chimique, ou simplement élément, une catégorie d'atomes ayant encommun le même nombre de protons dans leur noyau atomique, c’est-à-dire le même numéroatomique Z. L'hydrogène, le carbone, l'azote, l'oxygène, sont des éléments chimiques, de mêmeque le fer, le cuivre, l'argent, l'or, etc.
Au total, 118 éléments chimiques ont été observés à ce jour, de numéros atomiques allant de 1 à118.
Les éléments chimiques sont communément classés dans une table issue des travaux duchimiste russe Dimitri Mendeleïev et appelée « tableau périodique des éléments » :
Chaque élément chimique présente en général plusieurs isotopes.
9.2 Isotopes
En physique nucléaire et en chimie, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre deprotons mais un nombre de neutrons différent.
Le nombre de protons dans le noyau d'un atome étant désigné par le numéro atomique Z, deuxisotopes ont le même nombre Z.
Ce qui distingue deux isotopes est qu'ils ont un nombre de masse A différent. Le nombre demasse d'un atome est le nombre de nucléons que contient le noyau de cet atome. La différencede nombre de masse est donc due à une différence dans le nombre de neutrons N.
En mots plus simples, ce sont des atomes qui se différencient uniquement par leur nombre deneutrons, exception faite des cas d'ionisation (où on a aussi des nombres d'électrons différents).
On définit l’unité de masse atomique (uma., ou Dalton Da) (masse atomique relative) comme étant 1/12 de la masse atomique de l’isotope 12C du carbone.
Parmi les éléments chimiques, 94 éléments se rencontrent dans le milieu naturel, et 80éléments ont au moins un isotope stable : tous ceux de numéros atomiques inférieur ou égal à82 excepté les éléments 43 (technétium) et 61 (prométhéum).
Un élément chimique ne peut pas se transformer en un autre élément par une réactionchimique, seule une réaction nucléaire appelée transmutation peut y parvenir. Cette définitionmoderne a été formulée en substance pour la première fois par le chimiste français AntoineLavoisier en 1789.
Commentaires :
Pour les noyaux stables :
�L’ensemble des noyaux stables (en rouge) forme sur la représentation graphique la vallée destabilité.
�Les noyaux légers stables se répartissent au voisinage de la première bissectrice (N = Z
autant de protons que de neutrons).
�Les noyaux lourds stables s’écartent de la bissectrice. Ils ont plus de neutrons que deprotons.
Pour les noyaux instables :
� En bout de la vallée de stabilité, ils se désintègrent en émettant des particules alpha : ilssont radioactifs alpha.
�Au-dessus de la vallée de stabilité, ils sont émetteur β -.
�Au-dessous du domaine de stabilité, ils sont émetteurs β +.
L'univers est principalement constitué d'atomes d'hydrogène et d'hélium. Les autres élémentsreprésentent moins de 1% de la matière visible.
Les atomes les plus légers, l'hydrogène (H), l'hélium (He), ainsi qu'un petit peu de lithium (Li) etbéryllium (Be), se sont créés au cours du Big Bang.
Au sein des étoiles, les premières réactions thermonucléaires forment du carbone (C), de l'azote(N), de l'oxygène (O), du fluor (F).La vie des étoiles est constituée de plusieurs étapes et lacréation de chaque atome est associée à une des étapes.
9.3 Abondance des éléments
Abondances des éléments chimiques dans le Système solaire ; sur la figure, notezque l'échelle est logarithmique, il y a 3 intervalles entre H(hydrogène) et O(oxygène), ce qui veut dire qu'il y a =1000 fois plus de H que de O.
9.4 Origine des éléments chimiques : nucléosynthèse
9.5 Histoire et étymologie du nom des éléments chimiques.
La science étymologique, qui s’est largement développée au XXèmesiècle, permet de comprendrela formation des noms et en étudiant celle des éléments chimiques du tableau de Mendeleiev,on découvre l’histoire de ce tableau et les caractéristiques de chaque éléments.
En effet l’origine du nom d’un atome nous donne parfois des informations sur les propriétés decette atome, au travers de sa couleur par exemple ou de sa réactivité.
Après un rappel historique du tableau périodique, nous nous intéresserons à la formation desnoms des éléments les plus connus.
9.5.1 Historique du tableau périodique
Le tableau a été publié pour la première fois en 1869 par DimitriIvanovitch Mendeleiev (1834-1907) et regroupe les 63 élémentschimiques connus à l’époque. Le savant a découvert qu’en les rangeantselon leur masse atomique croissante, des similitudes existaientconcernant leurs propriétés.
Dans ce premier tableau, les éléments sont classés verticalement (horizontalementaujourd’hui) et dans chaque rangée, on retrouve des ressemblances dans les propriétésphysiques et chimiques.
Ce tableau comporte des cases vides. Il était persuadé que l’on finirait par découvrir leséléments manquants, mais n’avait prévu aucune place pour les gaz rares, éléments de grandesstabilités, découverts par le chimiste écossais William Ramsay en 1895. On a donc inséré unecolonne entre les halogènes et les alcalins, place qui convient à leur masse atomique.
9.5.2 Etymologie des éléments
�Hydrogène : c’est le 2 mai 1787, q’un chimiste français Guyton de Morveau (fondateur etenseignant de l’Ecole Polytechnique) emploie pour la première fois le terme d’ hydrogène. Tirédu grec gen-, qui engendre et de udôr, l’eau. Vient du fait que l’on prépare ce gaz à partir del’eau.
�Les gaz rares : après l’hydrogène, l’Hélium est le second élément en abondance dans l’univers.Découvert par Jules Janssen, l’Hélium, du grec hélios, soleil, a d’abord été caractérisé parl’analyse spectrale dans l’atmosphère du soleil, puis fut retiré de certains minéraux par lechimiste anglais William Ramsay. Ce chimiste a d’abord découvert l’Argon en 1894, confondujusque-là avec l’azote de l’air atmosphérique où il n’est qu’en petite quantité. Gaz incolore etinodore, l’argon est très inerte, c’est à dire que comme les autres gaz rares, sa couchepériphérique contient le maximum d’électrons , il est donc très peu réactif. D’ou son nom,emprunté au grec argos, inactif, paresseux. Il trouva ensuite dans l’air les autres gaz rares, leNéon (du grec néos, nouveau) le Xénon (du grec xénos, étranger), et le Krypton en 1898 (du greckruptos, caché, en lien avec la difficulté à repérer et isoler cet élément rare). Le Radon a étédécouvert en 1900 par le chimiste Allemand Friedrich Dorn et vient du latin radius, rayon, parréférence au rayonnement et à la radioactivité qu’émet cet élément.
Certains éléments sont en rapport avec les minerais dont ils sont issus .
�Aluminium : du latin alumen, signifiant amer. Provient du goût amer de la pierre d’Alun.�Arsenic : du grec arsenikon, qui dompte le mâle, en raison de sa forte toxicité; du latinarsenicum, pigment jaune; origine du minerai orpiment (As2S3), utilisé comme pigment jaunecitron.�Bore : de l'arabe buraq, brillant; nom anglais boron origine de borax et carbon qui indiqueaussi bien sa provenance (minerai de borax cristaux brillants) que sa ressemblance avec lecarbone.�Cadmium : du grec kadmeia et du latin cadmia, calamine, ancien nom donné au carbonatede zinc (le cadmiun était extrait de ce minerai aux environs de la ville de Thèbes créée parKadmos) ; du grec cadmios, minerai de zinc dans lequel le cadmium a été découvert.�Carbone : du latin carbo, charbon, en lien avec sa provenance.�Cobalt : de l'allemand kobold (lutin), d'où provient le nom de Kobolden, démons desmontagnes et des mines dans les légendes germaniques; la production de ce métal étantimpossible à réaliser à partir du procédé de production usuel, on croyait que cetteimpossibilité provenait des mauvais esprits qui sabotaient le travail des mineurs encorrompant le bon minerai.�Cuivre : du latin Cupreum et du grec Kupros, dérivant de Chypre, île où l'on a trouvé lespremières traces du minerai de cuivre il y a 6000 ans. L’île doit son nom aux nombreux cyprèsqui y sont présents.�Lithium : du grec lithos, pierre, par référence à son origine minérale.�Magnésium : emprunté au latin médiéval magnesia, pierre de Magnésie, province d’Asiemineure.
�Manganèse : du grec magnès, pierre d’aimant en lien avec les propriétés magnétiques de lapyrolysite, minerai utilisé par les pharaons pour fabriquer le verre.�Nickel : d’après l’allemand kupferNickel, faux cuivre, Nickel étant un génie des mines dans lacroyance populaire. En rapport avec la difficulté d’extraire le cuivre du minerai de cuivre, oncroyait que ce minerai avait été empoisonné par les démons. En réalité, c’était du Nickel.�Silicium : du latin Silex, roche siliceuse très dure essentiellement formé de SiO2 (dioxyde desilicium).�Tungstène : dénommé ainsi en 1784 par Guyton de Morveau et isolé en 1783 par les frèresd’Elhuyar, emprunté au suédois tungsten, proprement « pierre lourde », en lien avec la grandedensité du minerai scheelite dans lequel on a trouvé le tungstène.
D’autres noms d’éléments évoquent une personne réelle ou mythique et les dieux ou déessesgrecques et romaines ont beaucoup inspirés les chimistes.
�Titane : ce corps chimique a été découvert par William Grégor en 1791 dans des terresargileuses. Le nom vient du grec titanos et est en rapport avec les dieux géants de lamythologie gréco-latine, fils de la terre (Gaïa) et du ciel (Uranus). En lien avec la résistance dece métal.�Palladium : ce métal a été découvert en 1803, deux ans après une nouvelle planète que l’onavait dénommée Pallas. La statue de Pallas à Troie était considérée comme assurant lasauvegarde de la ville. Pallas Athena représentait la déesse grecque de la sagesse.�Tantale : dans la mythologie grecque, Tantale est le roi légendaire de Lydie, fils du dieusuprême Zeus et père de Niobé. Il servit son fils aux dieux, qui en châtiment, le précipitèrentdans le Tartare (lieu où les hommes coupables sont châtiés selon leurs crimes). Là, il voyait dela nourriture à profusion, sans jamais parvenir à atteindre quoi que ce soit, comme le Tantalefuit les acides avec lesquels on cherche à le mettre en contact.�Niobium : du grec Niobé, fille du demi-dieu Tantale, l'un des héros de la mythologie grecque;en lien avec la découverte du tantale, qui en fait, comportait deux éléments, le niobium et letantale aux propriétés chimiques très semblables.�Vanadium : Vanadis est la divinité scandinave de l’amour et de la beauté, dénommé ainsi parun chimiste suédois Sefstroem en 1830.�Thorium : le thorium est un métal argenté, qui a la particularité de provoquer des étincellesquand on le frappe avec de l’acier, d’ou son nom en rapport avec le dieu scandinave de laguerre et du tonnerre Thor.
Et enfin, certains éléments tirent leurs noms de leurs propriétés chimiques, ou de leursréactions.
�Argent : du grec arguros, exprime l’éclat, la blancheur. Ce métal est très anciennement connu,puisqu’on en a trouvé à Our datant du IIIème millénaire. Les alchimistes l’appelaient « métal de lalune » ou « de diane », car c’est le plus blanc de tous les métaux, d’ou son emploi dans lesmiroirs d’optique.�Azote : formé d’après le grec, a privatif et zoê vie, c’est à dire qui n’entretient pas larespiration, en référence aux êtres vivants qui sont asphyxiés par ce gaz.�Brome : du grec bromos, puanteur, en lien avec l'odeur piquante et irritante de ses vapeurs.�Fer : du latin ira, la colère en relation à la force de ce métal.�Fluor : du latin fluere, écoulement.�Or : du latin aurum, or. Il s’agit du métal le plus anciennement connu et employé depuis leVème millénaire avant J.-C.�Oxygène : le mot est tiré par Lavoisier du grec oxus, acide et gennan, engendrer, c’est à direqui engendre les acides.�Phosphore : emprunté au grec phôs, la lumière et phoros, porter. Découvert en 1669 parHennig Brand, alchimiste Hambourgeois, qui le retira de l’urine, le Phosphore existe sousplusieurs formes allotropiques (jaune, rouge et violet). Exposé à l’air, il s’enflammespontanément. Le phosphore blanc en présence d’oxygène éclaire dans le noir, d’ou son nom(phosphorescence).�Platine : le Platine a l’éclat de l’argent et se trouve en petites quantités. Le nom vient del’espagnol Platina, diminutif de Plata, argent (petit argent) et a été donné par le découvreur DonAntonio de Ulloa (1716-1795).
�Plomb : du latin plumbum, lourd, en lien avec la grande masse volumique de cet élément.�Potassium : le mot a été créé en 1807 par le chimiste Anglais H.Davy, par latinisation del’anglais Potasse, lui-même dérivant de l’allemand Potasche, c’est à dire « cendres en pot » , enrapport avec le carbonate de potassium qui se retrouve sous forme solide, en cendre, dans lebrasier.�Sodium : de l'arabe sod ou souwad, plante contenant beaucoup de carbonate de sodium(soude).�Soufre : de la racine indo-européenne suelf ou swel, signifiant « brûler sous forme de feu quicouve» comme le fait un morceau de soufre; du latin sulphurium, pierre qui brûle.
La couleur ou khrôma en grec, est omniprésente en chimie et explique notamment l’origine del’élément Chrome.
�Chlore : emprunté au grec khlôros, vert en lien avec la couleur de ce corps.�Etain : son symbole « Sn » provient du latin stannum, fer blanc, nom utilisé pour un mélanged'argent et de plomb qui avait la même apparence que l'étain, soit d'un blanc brillant.�Indium : du latin indicum, bleu, d'après la brillante ligne bleue de son spectre atomique.�Iode : du grec ioeidès, violet, en lien avec la couleur violette des vapeurs d'iode.�Iridium : du latin iridos, arc-en-ciel, par référence aux couleurs variées des sels d'iridium.
Parfois c’est l’emprunte de grands chimistes qui explique le nom, comme pour le Mendélévium,le Nobélium, ou le Polonium en l’honneur de Marie Curie.
Le Gallium est ainsi issu du latin gallus, coq, en lien avec celui qui l'a découvert, P.E. Lecoq deBoisbaudran.
L’étymologie en chimie nous en apprend d’avantage dans la connaissance des éléments et deleurs caractéristiques, voire dans la circonstance de leurs découvertes.
10 États de la matière et organisation atomique
10.1 État solide
L’état solide est un des états de la matière caractérisé par l'absence de liberté entre les atomes,molécules ou les ions (métaux par exemple).
Les critères macroscopiques de la matière à l'état solide sont :
�le solide a une forme propre,�le solide a un volume propre.
Si un objet solide est ferme, c'est grâce aux liaisons entre les atomes, ions ou moléculescomposants du solide.
Les liaisons qui solidifient la matière à température normale sont covalentes, ioniques oumétalliques.
Certaines liaisons encore plus faibles, comme les liaisons de Van der Waals ne rendent lamatière solide qu'à de très basses températures (exemple dioxygène).
Des liaisons plus faibles (vingt fois plus faible que liaison covalenteclassique) comme les liaisons hydrogène ou ponts hydrogènes (detype dipôle-dipôle) rendent la matière solide à des températurespeu élevées (exemple : la glace).
La plupart des solides sont des cristaux : les atomes sont disposés dans l'espace de manièrerégulière et ordonnée. Les distances entre les atomes restent constantes. On parle d'ordre àlongue distance.
Cependant, certains solides comme le verre sont amorphes : ils n'ont pas d'atomes rangésrégulièrement comme dans un cristal.
Silice SiO2 sous forme cristallisée et amorphe
10.2 État liquide
La phase liquide est un état de la matière facilement déformable mais difficilementcompressible.
Le liquide est une forme de fluide : les molécules sont faiblement liées, ce qui rend les liquides parfaitement déformables.
Mais, à l'inverse du gaz, elles sont tout de même liées : une molécule ne peut s'éloignerbeaucoup d'une autre, ce qui fait que la matière liquide a une cohésion que ne possède pas legaz (et comme dans les solides, les molécules sont très proches les unes des autres, ce qui rendles liquides difficilement compressibles).
La forme liquide correspond à une forme de moindre énergie que le gaz (l'énergie cinétique desmolécules d'un liquide est insuffisante pour rompre les forces qui se matérialisent par la tensionsuperficielle) mais d'énergie supérieure à la forme solide (contrairement au solide, l'énergiecinétique des molécules suffit à les faire se déplacer spontanément les unes par rapport auxautres).
À l'état macroscopique, on caractérise l'état liquide par lescritères suivants :
�le liquide n'a pas de forme propre, il prend celle durécipient sous l'effet de la gravité ;
�sa surface libre au repos est plane et horizontaledans un champ de gravité uniforme (bords mis à part,en raison de la tension superficielle) ; en fait, la surfaceadopte une surface d'égale énergie potentielle dans lechamp de gravité ; en l’absence de gravité, c’est lephénomène de tension superficielle qui dicte la formeprise par le liquide (une sphère).
�le liquide possède un volume propre, qui ne changequ'avec la température et, en général, peu.
10.3 État gazeux
Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants.
Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend àoccuper tout le volume disponible. Il est facilement compressible.
10.4 L’état de la matière le plus fréquent dans l’Univers
En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions etd'électrons).
Cet état est le plus commun dans l‘Univers (plus de 99% de la matière connue), car il se retrouvedans les étoiles, le milieu interstellaire et aussi l'ionosphère terrestre.
La transformation d'un gaz en plasma (gaz ionisé) ne s'effectue pas à température constantepour une pression donnée, avec une chaleur latente de changement d'état, comme pour lesautres changements d’états, mais il s'agit d'une transformation progressive.
Lorsqu'un gaz est suffisamment chauffé, les électrons des couches extérieures peuvent êtrearrachés lors des collisions entre particules, ce qui forme le plasma. Globalement neutre, laprésence de particules chargées donne naissance à des comportements inexistants dans lesfluides, en présence d'un champ électromagnétique par exemple.
Un plasma peut également se former à basse température si la source d'ionisation lui estextérieure. C'est le cas des écrans à plasma et de l'ionosphère, cette couche élevée del'atmosphère terrestre qui, bien que froide, subit en permanence un intense bombardementionisant de particules venant du soleil. Les aurores polaires sont l'une des manifestations de ceplasma.
11 Vers l’infiniment petit : physique des particules « élémentaires »
À l’inverse de l’électron, le proton et le neutron, ainsi que la plupart des autres particules« élémentaires » possèdent une structure interne.
Le modèle standard de la physique des particules
Ce modèle standard explique de quoi la matière est faite et comment ses constituantsinteragissent.
Dans le modèle standard, il existe trois grandes catégories de particules élémentaires :
� les quarks,� les leptons� les bosons de jauge.
Toutes les particules connues (comme les protons, neutrons, électrons) sont composées dequarks et de leptons (collectivement nommés fermions), et elles interagissent en échangeantdes bosons de jauge.
Ainsi, toute la matière de l'Univers, des molécules d'eau aux galaxies en passant par lesorganismes vivants, est formée de quarks et de leptons. Les quarks ont des propriétés biendifférentes des leptons ; et de plus, pour chaque sorte de particule, il existe une particuled'antimatière correspondante.
L’antimatière
Pour chaque type de particule, il y a une antiparticule (symétrie matière-antimatière). Lesantiparticules sont en tous points semblables aux particules correspondantes, excepté quetoutes leurs caractéristiques physiques (sauf la masse), comme la charge électrique sont designes opposés. Par exemple, un proton est chargé positivement alors qu'un antiproton estchargé négativement.
La première particule d'antimatière fut découverte en 1933. Il s'agissait d'un positron (anti-électron) produit par la rencontre entre un rayon cosmique et un noyau atomique del'atmosphère.
En combinant des antiprotons, des antineutrons et des anti-électrons, il est possible de créerdes anti-atomes. Les physiciens se sont déjà appliqués à construire des atomes d'anti-hydrogène, plus récemment en quantités importantes (50 000 atomes) dans les laboratoires duCERN.
Lorsqu'une particule de matière et son antiparticule se rencontrent, elless'annihilent complètement et se transforment en énergie. Les collisionsentre particules et antiparticules produisent donc beaucoup d'énergie etsont couramment utilisées dans des expériences au sein des accélérateurs.
L'antimatière a donc une durée de vie très courte dans notreenvironnement : à moins qu'elle ne soit isolée par des champsmagnétiques, elle rencontre rapidement la matière ordinaire et s'annihilealors.
Les quarks
En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig découvrirent indépendamment que des centainesde particules élémentaires pouvaient être expliquées par des combinaisons de seulement troiséléments constitutifs. Gell-Mann choisit le nom « quarks » pour désigner ces éléments.
Ce mot fut inventé par James Joyce dans son roman Finnegans Wake (ce roman regorge de mots imaginaires et viole volontairement les règles linguistiques). « Three Quarks for Muster Mark ! »
Ce n'est qu'au début des années 70 que la réalité physique de ces quarks fut prouvée, et qu'ilsaccédèrent au rang de particules.
Nous savons maintenant qu'il y a sixsortes ou saveurs de quarks. Ils furentjoliment baptisés, par ordre de massescroissantes : up, down, strange, charm,bottom et top. De plus, pour chacun deces quarks, il y a un antiquarkcorrespondant.
Les quarks ont la propriété d'avoir unecharge électrique fractionnaire. Cettecharge est de 2/3 pour les quarks up,charm et top et de –1/3 pour les quarksdown, strange et bottom.
Les quarks sont des particules sociables : on n'en trouve jamais un qui soit seul. Ils se tiennent enpaquets de deux ou trois. Cette propriété fait que les particules observées à l'état libre onttoutes une charge électrique entière ou nulle.
Les particules formées de quarks et d'antiquarks sont appelées hadrons. Elles se répartissent endeux classes :
�les baryons, formés de trois quarks, comme les neutrons (n) ou les protons (p),�les mésons, formés d'un quark et d'un antiquark.
Par exemple, le proton (à gauche) est un hadron composé de deux quarks up et d'un quarkdown. Quant au neutron (à droite), il est formé de deux quarks down et d'un quark up.
Schématisation du noyau du Bore 12, formé de 4 protons et 8 neutrons
Principaux hadrons
Les leptons
Les autres particules élémentaires formant la matière sont les leptons. Il y a aussi six sortes, ousaveurs de leptons, dont trois ont une charge électrique négative et trois sont neutres. Mais, à ladifférence des quarks, un lepton peut se retrouver seul. On ne sait pas à ce jour si des liensfondamentaux relient les 6 saveurs de leptons et celles de quarks.
Le lepton le plus connu est l'électron (e ). Les deux autres leptons chargés sont le muon (μ) et letau (τ). Ils sont beaucoup plus massifs que l'électron.
Les trois leptons sans charge électrique sont les neutrinos (ν). Il y a une saveur de neutrinoassociée à chacun des leptons chargés : un neutrino électronique (νe ), un neutrino muonique(νμ ) et un neutrino tauonique (ντ ).
Les bosons de jauge
Un boson de jauge est une particule élémentaire de la classe des bosons qui agit comme porteurd'une interaction élémentaire. Plus spécifiquement, les particules élémentaires dont lesinteractions sont décrites par une théorie de jauge exercent l'une sur l'autre des forces paréchange de bosons de jauge, généralement sous forme de particules virtuelles.
Le modèle standard décrit trois sortes de bosons de jauge : les photons, les bosons W et Z et les gluons.
Chacun correspond à l'une des trois interactions élémentaires du modèle standard :
�les photons sont les bosons de jauge de l'interaction électromagnétique,�les bosons W et Z ceux de l'interaction faible,�les gluons ceux de l'interaction forte.
Les gravitons (particules supposées porteuses de l'interaction de gravitation) formeraient, si leurexistence est démontrée en tant que particule quantifiée, une quatrième catégorie de bosonsde jauge.
Boson de Higgs
Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 parGerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom Kibble, Robert Brout et François Englert (et nommé « bosonscalaire massif » par ceux-ci) ainsi que par Peter Higgs pour expliquer la brisure de l'interactionunifiée électrofaible en deux interactions par l'intermédiaire du mécanisme de Higgs. Il seraitaussi le quantum du champ de Higgs.
Le boson de Higgs aurait donné une masse non nulle à certains bosons de jauge (bosons W etboson Z) de l'interaction électrofaible leur conférant des propriétés différentes de celles duboson de l'électromagnétisme, le photon.
Le champ de Higgs permet de préserver la symétrie à haute énergie et d'expliquer la brisure dela symétrie à basse énergie. Il est responsable de la masse des bosons électrofaibles, maisinteragit aussi avec les fermions (quarks et leptons). Ils acquièrent ainsi une masse. Les pluslégers sont les neutrinos (jusqu'à récemment, nous les croyions de masse nulle), vient ensuitel'électron avec une masse de 0,511 MeV⋅c-2. Tout en haut de l'échelle vient le quark top, qui estde loin la particule élémentaire la plus lourde avec ses 175 GeV⋅c-2.
Sa découverte sera une confirmation du modèle standard qui le prédit et dont la cohérencedépend de son existence. Le boson de Higgs n'apparaîtrait qu'à des énergies supérieures ouégales à 115 GeV.
Les lauréats 2010 du Prix JJ Sakurai de théorie physique des particules ou J. J. Sakurai Prize forTheoretical Particle Physics. Ce prix, considéré comme l'un des plus prestigieux en physique , estprésenté par l'American Physical Society, lors de sa réunion annuelle et honore les réalisationset recherches en physique des particules.
Expériences en cours et problèmes ouverts en physique des particules
Observation des neutrinos
Super-Kamiokande est un observatoire de neutrinos. Il est situé au Japon près de la ville de Mozumi et consiste en un immense cylindre de 40 mètres de haut
et 40 mètres de diamètre rempli de plus de 50 000 tonnes d'eau.
Les neutrinos ont été très difficiles à voir car ilsn'interagissent presque pas avec la matière.
Il faut construire des observatoires souterrains,loin de toute perturbation, pour pouvoir détecterquelques neutrinos par jour. Pourtant, le Soleilémet une énorme quantité de neutrinos. Desmilliards de neutrinos solaires traversent votrecorps à chaque seconde !
L'Observatoire de Neutrinos de Sudbury entre en fonction en 1999, à 2070 mètres sous terre,dans la mine Creighton, près de Sudbury, en Ontario. L'objectif de l'observatoire est de détecteret d'étudier les neutrinos émis par le Soleil et d'autres objets célestes.
Le but du SNO est non seulement de les détecter mais aussi de mettre à jour le phénomèned'oscillation des ces derniers. Pour cela on se propose de mesurer le flux des neutrinosélectroniques.
Depuis le début des années 70, plusieurs expériences ont été mises en place afin de mesurer ceflux, mais manifestement sans pouvoir le vérifier dans les proportions prédis par la théorie. Eneffet, les neutrinos détectaient, ne représentaient qu'une fraction des neutrinos prédit par lathéorie de la production d'énergie dans le Soleil.
L'idée de Herb Chen est des plus judicieuse, en évaluant le nombre de neutrinos électronique etle nombre de neutrinos total, il va être capable de quantifier le flux des non-électron-neutrinospar simple différence et ainsi avec l'aide des résultats antérieurs obtenus à Kamiokande, pouvoircertifier la théorie selon laquelle il y a oscillation de la saveur des neutrinos.
Le 18 juin 2001, M. Art McDonald, directeur de projet du SNO et professeur de physique àl'Université Queen, déclara ouvertement :
« Nous sommes maintenant presque certains que les écarts ne sont pas dus à des erreurs dansles modèles du Soleil mais à la transformation que les neutrinos eux-mêmes subissent au coursde leur voyage depuis le noyau du Soleil jusqu'à la Terre. Les mesures antérieures n'ont paspermis de prouver cette mutation des neutrinos solaires. Les nouveaux résultats du SNO,combinés aux travaux précédents, montrent clairement cette transformation et confirment quele nombre de neutrinos électroniques produits par le Soleil correspond à celui prédit par lesthéories. »
Le détecteur du SNO est composé de 1 000 tonnes d'eaulourde ultra-pure enfermée dans un récipient de plastiquetransparent de 12 mètres de diamètre. Le récipient est lui-même entouré de 7 000 tonnes d'eau ordinaire ultra-purelogée dans une immense cavité de 22 mètres de largeur par34 mètres de hauteur (soit l'équivalent d'un édifice de 10étages). Il s'agit de la plus grande cavité réalisée à deuxkilomètres de profondeur au monde.
À l'extérieur du récipient acrylique se retrouve une sphèregéodésique de 17 mètres de diamètre munie de 9 600détecteurs qui décèlent la présence de neutrinos.
Malgré le très grand nombre de neutrinos bombardant laTerre, la fréquence de détection n’est que de un neutrino àl'heure.
La nécessité de construire le détecteur sous terre provient du fait qu'il faut le protéger desradiations micro-onde émanant du rayonnement de fond cosmologique qui pourraient affecterla détection de neutrinos solaires.
L’expérience SNO
1 ktonne eau lourde (puis eau salée NaCl)
2 km sous Terre
12 m diamètre
9600 PM
Ice Cube est un autre observatoire de neutrinos d'un kilomètre cube situé sous le Pôle Sud. Saconstruction a débuté en 2005 et devrait se terminer en 2011. Ce sera le plus grand détecteurde neutrinos au monde. Il succède à AMANDA situé lui aussi au pôle Sud, et va même l’englober.
Ice Cube sera constitué de 80 lignes dedétecteurs répartis dans un hexagonesur un kilomètre carré.
Chaque ligne d'un kilomètre de long, estcomposée de 60 sphères de verre de 50centimètres de diamètre, contenantchacun un photomultiplicateur orientévers le bas. Cette ligne est placée dansun puits entre 1450 mètres et 2450mètres de profondeur.
Pour installer chaque ligne dedétecteurs, il faut forer un puits de 60centimètres de diamètre surune profondeur de 2450 mètres. Cepuits est foré avec de l'eau chaude souspression (61 000 litres).
Les neutrinos galactiques et extragalactiques, provenant de l'hémisphère céleste Nord,traversent la terre, cette traversée permet d'éliminer les autres particules.
Il y a plus de soixante milliards de neutrinos par seconde qui traversent chaque centimètre carréde la Terre. Amanda en capture seulement six à sept cents par an.
Un des neutrinos interagit avec un proton. Cetteinteraction produit un muon qui va poursuivre sacourse dans la même direction.
Dans son voyage dans la glace, le muon produit uncône de lumière par effet Tcherenkov visible surenviron 250 mètres.
C’est cette lumière qui est détectée par lesdifférents photomultiplicateurs d’Ice Cube.
Large Hadron Collider ou LHC
Le Large Hadron Collider (LHC, ou Grand collisionneur de hadrons) est un accélérateur departicules mis en fonctionnement le 10 septembre 2008 au CERN. Situé à la frontière franco-suisse, c'est le plus puissant accélérateur de particules au monde construit à ce jour, dépassanten termes d'énergie le Tevatron aux États-Unis. Il est même présenté comme le plus granddispositif expérimental jamais construit pour valider des théories physiques.
Le LHC a été construit dans le tunnel circulaire (26,659 km de circonférence) de sonprédécesseur, le collisionneur LEP (Large Electron Positron).
À la différence de ce dernier, ce sont des protons — de la famille des hadrons — qui sontaccélérés pour produire des collisions, en lieu et place des électrons ou des positrons pour leLEP.
Ces protons seront accélérés jusqu'à une énergie de 7 TeV, soit près de 7 500 fois leur énergiede masse. L'énergie totale de deux protons incidents sera ainsi de 14 TeV. Le LHC seraégalement utilisé pour accélérer des ions lourds comme le plomb avec une énergie totale decollision de 1 150 TeV pour le noyau dans son ensemble soit un peu plus de 2,75 TeV parnucléon qu'il contient.
Objectifs du LHC
Les physiciens espèrent apporter des éléments de réponse à plusieurs questions concernant laphysique des particules et la cosmologie à l’aide de ces détecteurs :
�Le modèle standard décrit de façon remarquablement précise la physique des particules. Ilprédit l'existence d'une particule, appelée boson de Higgs, dont la détection est un des objectifsprioritaires du LHC.
�Des modèles de physique des hautes énergies, notamment la théorie des cordes, prédisentl'existence de dimensions supplémentaires en sus des trois dimensions d'espace que nousconnaissons. Certaines collisions réalisées au LHC pourraient indirectement les mettre enévidence, notamment par la formation de trous noirs microscopiques.
�De nombreux arguments théoriques privilégient l'existence de ce que l'on appelle lasupersymétrie, qui prédit que chaque type de particule connue possède un alter-ego appelésuperpartenaire. La mise en évidence de la supersymétrie est le second enjeu du LHC.
De plus, de très nombreux modèles de supersymétrie existent. Si la supersymétrie est détectée, le LHC sera en mesure de faire le tri entre les modèles viables.
�Les observations cosmologiques indiquent qu'une grande partie (96 %) de la masse del'univers est sous forme de constituants inconnus en laboratoire. L'un de ces constituants,appelé, faute de mieux le connaître, la « matière noire », pourrait être mis en évidence au LHC.
�Il semble probable que matière et antimatière existaient en quantités égales lors du Big Bang.Par la suite, un phénomène très mal connu a vraisemblablement généré un léger surplus dematière sur l'antimatière (ce phénomène est appelé baryogénèse). Matière et antimatière sesont ensuite annihilées en quantités strictement égales, ne laissant au final que l'infime surplusde matière. Le LHC pourrait être en mesure de mieux expliquer cette asymétrie.
�Les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons, chacun étant composéd'entités plus élémentaires appelées quarks. Les quarks n'existent aujourd'hui pas isolément,mais uniquement par groupes de 2 ou 3 particules (3 dans le cas des neutrons et des protons).Cette propriété est appelée confinement des quarks. Selon toute vraisemblance, à très hautetempérature, les quarks peuvent exister isolément. Le LHC tentera de mettre en évidence cette« transition de déconfinement », et les propriétés de ce nouvel état de la matière appelé plasmaquark-gluon.
Annexe : notion de masse en physique
Introduction
La masse d’un corps est une notion théorique correspondant à l’idée intuitive et floue de« quantité de matière » contenue dans un corps.
Elle se manifeste d’abord par la force de gravitation qui s’exerce universellement entre corpsmassifs. Cette « masse pesante » est directement liée au poids d’un corps et mesure l’action dela pesanteur sur celui-ci.
La masse, par ailleurs, caractérise la résistance d’un corps à la modification de son mouvement :c’est le coefficient d’inertie, ou « masse inertielle », du corps.
Dans ces deux acceptations, la masse est additive selon la mécanique newtonienne.
Einstein a montré en 1905 que cette propriété n’était qu’approximative : la masse d’un corpsmesure son énergie interne (relation d’Einstein, E0 = mc2), et toute variation d’énergies’accompagne d’une variation de masse.
Masse et pesanteurAu départ, la notion de masse vise à caractériser la « quantité de matière » contenue dans unobjet physique. Cette grandeur se révèle d’abord à nos sens par l’intermédiaire du poids del’objet : la force de pesanteur qu’exerce la Terre est de toute évidence d’autant plus grande quel’objet contient plus de matière. La pratique courante tend ainsi à assimiler masse et poids, àmesurer la première par le second.
Cependant, une étude plus attentive révèle que le poids d’un objet (la force de pesanteur quis’exerce sur lui) n’est pas constant à la surface de la Terre et varie avec la latitude et l’altitude(0,2% de plus à l’équateur, et 0,15% de moins au sommet du mont Blanc qu’à Paris). La masse,par contre, pour pouvoir caractériser la quantité de matière de l’objet considéré en tant que tel,doit lui être intrinsèque et ne pas dépendre des conditions extérieures.
Or, si le poids d’un objet varie de place en place, on constate que le rapport des poids de deux objets donnés est indépendant du lieu et des autres conditions extérieures. On est donc amené à définir le rapport des masses m1 et m2 de deux objets comme égal au rapport constant de leurs poids P1 et P2 :
m2/m1 = P2/P1.
Il suffit alors de définir, arbitrairement, une masse unité pour mesurer une masse quelconquepar la comparaison des poids correspondants.
La masse unité conventionnelle est aujourd’hui le « kilogramme international », défini par unétalon en platine iridié conservé au Bureau international des poids et mesures, à Sèvres.
Cette masse correspond à peu près à celle d’un litre d’eau ; c’était la définition initiale dukilogramme adoptée par la Convention en 1793, mais elle est insuffisamment précise pour lamétrologie moderne.
Il est probable qu’une nouvelle définition, fondée sur les masses d’objets atomiques, seradonnée dans l’avenir au kilogramme, comme cela a été le cas pour le mètre et la seconde.
La notion de masse ainsi définie est additive. Cette propriété essentielle est conforme à l’idéeintuitive de quantité de matière : la masse (quantité de matière) d’un système composé de deuxobjets est la somme des masses (quantités de matière) de chaque objet. C’est d’ailleurs cetteadditivité qui permet la procédure usuelle de mesure d’une masse à la balance par comparaisonavec la masse cumulée d’un ensemble choisi de poids standards.
Ainsi le poids P d’un objet, est-il le produit de sa masse m, caractéristique intrinsèque de l’objet,par une grandeur g qui décrit le champ de pesanteur en chaque point : P = mg. C’est la variationdu champ de pesanteur selon le lieu qui explique les variations du poids. Sur la Lune, lapesanteur est six fois moindre que sur la Terre ; les bonds télévisés des astronautes ont illustréscette diminution de poids, mais sans changement de masse (perdre du poids n’est donc pas sidifficile, c’est pour perdre de la masse qu’il faut suivre un régime).
Le champ de pesanteur lui-même, et c’est là encore une contribution majeure de Newton, estengendré par les masses des corps autres que celui sur lequel il agit. Ainsi, dans le cas le plussimple, deux masses ponctuelles m1 et m2 s’attirent-elles avec une force f :
où d est la distance qui les sépare, la fameuse loi de « l’inverse carré », et G une constanteuniverselle : la constante de Newton, ou constante de la gravitation. C’est la loi fondamentale de« l’attraction universelle » de Newton.
On peut la comprendre en considérant que la masse m1 engendre un champ gravitationnel quiagit sur la masse m2, et réciproquement.
La similarité de la loi de Newton avec la loi de Coulomb qui décrit les forces entre chargesélectriques amène à penser les masses comme des « charges gravitationnelles », au sensgénéral de la notion de charge en physique d’aujourd’hui : grandeur qui caractérise à la fois uncertain champ de force engendré par un corps (rôle actif) et la réponse de ce corps aux champsde force similaires engendrés par d’autres (rôle passif).
Masse et inertieIl existe une autre caractérisation de la masse d’un corps à partir de son comportementdynamique.
L’expérience courante l’indique aussi bien : plus la masse (quantité de matière) d’un objet estgrande, plus il est difficile de le mettre en mouvement ou de l’arrêter, autrement dit de modifierson état de mouvement.
Le principe de l’inertie, ébauché par Galilée, puis par Descartes, et énoncé par Newton, indiquequ’un corps sur lequel n’agit aucune force poursuit un mouvement uniforme (rectiligne, àvitesse constante).
Une force donnée F modifiera la vitesse en grandeur et/ou en direction, c’est à dire provoqueraune accélération du corps d’autant plus grande que la masse du corps sera faible. La loifondamentale de la dynamique, due encore à Newton, s’écrit : a= F/m. Elle traduit parfaitementle rôle de la masse comme coefficient inertiel, caractérisant la résistance du corps auchangement de son état de mouvement.
Dans cette nouvelle acception, la masse reste une propriété additive, comme on le déduitaisément de l’additivité des forces.
Cette conception de la masse est beaucoup plus générale que la précédente ; au lieu de seprésenter comme une grandeur liée à un phénomène physique particulier, la pesanteur, elle sedéfinit par la réponse d’un corps à une force absolument quelconque, qui peut être aussi biende nature électrique, magnétique, etc., que gravitationnelle.
On peut donc légitimement distinguer a priori pour chaque corps deux masses, la masse inertemi qui intervient dans la loi (générale) de Newton, F = mia, et la masse pesante mp quicaractérise la force gravitationnelle (ou poids), P = mP g, agissant sur le corps dans un champ depesanteur g.
Les observations et les expériences confirment que, pour tous les corps sans exception, lerapport mP /mi est le même, ce qui permet, moyennant un choix naturel d’unités, d’identifier mP
et mi, donnant ainsi une valeur commune (la masse) à la masse inerte et à la masse pesante.
Le principe de ces vérifications est simple : si la force agissant sur le corps est la pesanteur (F =P), l’équation de Newton s’écrit : a = P/mi = (mP /mi)g. L’accélération, donc la vitesse et latrajectoire du corps dans un champ de pesanteur donné, dépend ainsi du rapport mP /mi. Orl’on constate que tous les corps ont même mouvement dans un champ de pesanteur donné. Lachute des corps à la surface de la Terre en offre l’exemple élémentaire : un gravier de 10grammes et un rocher de 10 tonnes tombent avec la même accélération g, « l’accélération de lapesanteur » ; si la force qui s’exerce sur le second est un million de fois plus forte que sur lepremier, son inertie est également un million de fois supérieure (il est un million de fois plusdifficile à accélérer), et il y a exacte compensation. De même, la période d’oscillation d’unpendule (de longueur donnée) est-elle indépendante de sa masse, comme la période derévolution d’un satellite (d’orbite donnée).
Des mesures très précises, d’abord effectuées par le physicien Hongrois Eötvös (1890) et, plusrécemment, par l’Américain R. H. Dicke vers 1960, ont confirmé l’universalité du rapport mP /mi
pour de très nombreux corps, avec une précision qui atteint aujourd’hui 10−11.
Cette concordance entre deux grandeurs de natures très différentes, une charge gravitationnelleet un coefficient inertiel, n’a pas d’explication naturelle dans le cadre de la physique classique. Saconséquence essentielle, l’identité des mouvements de différents corps sous l’action d’unchamps gravitationnel, a servi de point de départ à Einstein pour construire sa relativitégénérale, sous forme géométrique : c’est en effet l’indépendance du mouvement gravitationneld’un corps par rapport à sa propre masse qui permet de considérer ce mouvement comme dû àla seule structure de l’espace-temps.
Dans la théorie d’Einstein, la masse inerte et la masse pesante (passive), identifiées a priori,disparaissent en quelque sorte : les équations de mouvement déterminent des trajectoires dansun espace-temps courbe en vertu de critères purement géométriques - ce sont les« géodésiques » de l’espace- temps. Il reste que la structure même de cet espace-temps courbeest déterminée par les masses pesantes (actives) des corps physiques.
Masse et énergieAu début du siècle, Einstein a montré la nécessité de modifier les conceptions de la mécaniquenewtonienne en remplaçant les notions classiques d’espace et de temps par des notions plusélaborées et plus intriquées.
On sait qu’un aspect majeur de ces nouvelles notions est l’existence pour tous les corpsmatériels d’une vitesse limite c, qui coïncide avec la vitesse de la lumière.
Cela implique une modification de la dynamique newtonienne : à une force constante ne peutplus correspondre une accélération constante qui conduirait, sur un temps suffisant, à unevitesse supérieure à la limite c. Il faut donc nécessairement que l’inertie d’un corps augmenteavec sa vitesse, et s’accroisse même indéfiniment lorsque cette vitesse approche la limite c, defaçon qu’il soit de plus en plus difficile d’accélérer le corps et que sa vitesse ne puisse tendrequ’asymptotiquement vers c.
De fait, l’étude détaillée de la théorie amène à définir un coefficient d’inertie dépendant de lavitesse :
qui présente bien ces caractéristiques, m étant la masse du corps. Pour des vitesses v faiblesdevant c, qui sont celles de l’expérience commune et de la physique newtonienne, on peutnégliger le terme v2/c2 devant l’unité et écrire I=m, retrouvant ainsi la masse commecoefficient inertiel. Insistons sur le fait que la masse m reste une constante caractéristique ducorps, de sa quantité de matière.
Il est incorrect et trompeur d’inclure la variation avec la vitesse dans la notion de masse commeon le fait parfois : mieux vaut définir l’inertie (variable) I(v) et la relier à la masse (constante) m.
Exerçant une force sur un corps, on accroît, en même temps que son inertie, son énergie en luicommuniquant de l’énergie cinétique. La relativité einsteinienne fait apparaître une relationsimple entre l’énergie totale d’un corps E et son inertie I ; c’est la relation fondamentale E = Ic2
(où c est toujours la vitesse limite).
Utilisant l’expression de l’inertie en fonction de la vitesse, on peut écrire cette relation sous laforme :
Le premier terme, dépendant de la vitesse et s’annulant pour v = 0, est tout simplementl’énergie cinétique Ecin du corps ; de fait, pour les faibles vitesses v, ce terme se réduit àl’expression newtonienne classique Ecin = mv2/2.
Le second terme, E0 = mc2, est l’énergie du corps au repos (v = 0) ; c’est donc son énergieinterne, dite encore énergie de masse.
L’identification qui apparaît ainsi entre masse et énergie interne (au coefficient c2 près) est l’unedes conséquences les plus célèbres et les plus marquantes de la relativité d’Einstein. C’est cequ’on appelle, un peu rapidement sans doute, « l’équivalence masse-énergie ». Elle impliqueune modification conceptuelle profonde de la notion même de masse et, en particulier, la pertede sa propriété d’additivité.
En effet, considérons plusieurs corps qui s’unissent en un autre plus stable, par exemple laréaction de combustion des atomes de carbone et d’atomes d’oxygène donnant naissance auxmolécules de gaz carbonique, ou le cycle des réactions de fusion thermonucléaire conduisantde quatre noyaux d’hydrogène au noyau d’hélium (source de l’énergie stellaire). Il y adégagement d’énergie (c’est le sens même de la stabilité) et donc diminution de l’énergieinterne du corps final par rapport à la somme des énergies internes des composants. Il en va demême pour les masses, proportionnelles à ces énergies internes. Il n’y a plus additivité : lamasse finale présente un « défaut » par rapport à la somme des masses initiales. Ledégagement d’énergie s’est fait aux dépens de la masse totale, ce qui permet d’exprimer ledéfaut de masse ∆m en terme de la perte d’énergie interne ∆E0 :
Cependant, ce défaut de masse est infime dans la pratique quotidienne, car la valeur ducoefficient de conversion 1/c2 est faible. Pour les assemblages mécaniques courants, le défautde masse relatif ∆m/m ne dépasse guère 10−15 ; pour un système gravitationnel lié, tel le coupleTerre-Lune, il est de l’ordre de 10−12 ; pour les composés chimiques liés par des forcesélectriques, il atteint à peine 10−7. Enfin, dans le cas des forces nucléaires, par exemple pour laréaction de fusion thermonucléaire précitée, il devient de l’ordre du millième et peut approcherl’unité pour les liaisons entre particules fondamentales.
On voit donc que l’additivité de la masse reste valable avec une excellente approximation dansle domaine des sciences et techniques courantes (mécanique, chimie) ; elle ne doit êtresérieusement remise en cause que pour les phénomènes nucléaires et subnucléaires, oul’importance du défaut de masse relatif est un indice de l’intensité considérable des forces misesen jeu.
On a vu combien la relativité einsteinienne amenait à modifier la notion newtonienne demasse. En fait, le point de vue le plus systématique et le plus cohérent avec le principe derelativité consiste à définir la masse comme un « invariant relativiste » lié à l’énergie et à laquantité de mouvement d’un corps.
Cela signifie que, si l’énergie E d’un corps et sa quantité de mouvement p sont variables avec savitesse et dépendent donc du système de référence utilisé, il existe une combinaison de cesgrandeurs qui est invariante et prend la même valeur dans tous les référentiels. C’est justementla masse m, donnée par la relation :
À vitesse nulle, dans le référentiel où le corps est au repos, on a p = 0 et l’on retrouve mc2 = E0,donnant l’énergie interne. A titre de comparaison, la relation de Galilée correspondante entreE, p et m s’écrit :
où l’énergie interne E0 est indépendante de m.
L’intérêt de ces considérations est de faire apparaître une possibilité nouvelle qu’offre lathéorie d’Einstein par rapport à la théorie de Newton, à savoir la possibilité de corps de massenulle, m = 0. Pour ces corps, on a E = pc ; on peut voir, à partir de l’expression générale :
que l’on doit toujours avoir v = c. Autrement dit, de tels corps se déplacent toujours à la vitesselimite c, qui est donc nécessairement invariante (indépendante du référentiel ; c’est l’une desbases de la relativité einsteinienne) : accroître ou diminuer leur énergie ne change pas leurvitesse. Il n’existe évidemment pas de référentiel où ces corps soient au repos. Ces corps sonttrès éloignés des objets de l’expérience courante.
A l’heure actuelle, on connaît comme particules de masse nulle le photon, ou quanton delumière (c’est pourquoi la vitesse limite c est celle de la lumière), et peut-être certains desneutrinos.
Masse et interactionsNous savons que la matière est composée d’atomes, eux-mêmes composés d’électrons et d’unnoyau constitué de particules plus fondamentales : les quarks et gluons, qui forment lesnucléons, regroupés dans le noyau. La masse d’un corps quelconque est donc fournie par cellede ses constituants, en tenant compte du défaut de masse introduit plus haut. Un grand intérêts’attache ainsi à la compréhension des masses des particules.
Or, dans la physique quantique des particules et des interactions fondamentales, la notion demasse présente plusieurs aspects des plus intéressants. Rappelons tout d’abord qu’uneinteraction entre deux particules est transmise par l’échange entre elles de particulesmédiatrices, des quantons du champ d’interaction, tel le photon, vecteur de l’interactionélectromagnétique entre particules chargées (cf. physique quantique).
Ces quantons intermédiaires sont dits « virtuels » ; leur existence éphémère, entre leurémission et leur absorption, ne peut dépasser, sous peine de violer la loi de conservation del’énergie, une durée ∆t liée, par l’inégalité de Heisenberg, à la dispersion en énergie ∆E≥mc2
nécessaire pour assurer leur apparition :
Où le h barré désigne la constante de Planck réduite. Une action physique ne pouvant sepropager à une vitesse supérieure à la vitesse limite c, la portée de l’interaction médiatisée parle quanton ne saurait agir à une distance supérieure à c∆t. En conséquence, la portée a d’uneinteraction est liée à la masse m du quanton qui la transmet par :
C’est ce raisonnement qui permit à Hideki Yukawa, en 1935, de prévoir la masse des méson ,responsables présumés des interactions nucléaires. La portée infinie des forcesélectromagnétiques s’explique grâce à la même formule, par la masse nulle du photon (cf.physique nucléaire).
Il serait souhaitable, par ailleurs, que la théorie permette de comprendre et de calculer lesvaleurs des masses des particules. Or, malgré les grands progrès de la théorie des interactionsfondamentales, les masses des particules y posent de sérieux problèmes. Certains faits sontclairs : les masses des particules sont d’autant plus grandes que les interactions qui les régissentsont plus intenses. Ainsi, les leptons (électrons, muons, neutrinos) qui ne sont pas soumis auxinteractions nucléaires fortes sont nettement plus légers que les hadrons (nucléons, mésons,etc.) qui y sont soumis. Cela s’explique : si la masse d’une particule est son énergie interne (à1/c2 près), elle doit englober l’énergie dont les divers champs engendrés par la particule sont lesiège, contributions d’autant plus fortes que ces champs correspondent à des interactions plusintenses. Considérons par exemple le cas de l’électromagnétisme. Supposons qu’un électronhypothétique dépourvu de charge électrique (on le dit ”nu”) ait une masse m0. Pour unélectron réel, chargé, le champ électromagnétique qui l’entoure est porteur d’une énergie etdonc d’une contribution δm à la masse totale m, qui est ainsi somme de ces deux termes :
Seule la masse totale m est observable, bien que la théorie soit au départ exprimée à partir dela masse nue m0. Il est donc nécessaire de ”renormaliser” la théorie, pour l’exprimer en termesde la masse (renormalisée) m. Or le calcul, en électrodynamique quantique, fournit une valeurinfinie pour la ”correction” interactive m, ce qui implique évidemment une valeur égalementinfinie pour la masse nue m0 (puisque m est finie). Malgré cette situation étrange, on peutmener de façon cohérente la renormalisation de la théorie et éliminer les infinités ainsiapparues. Cette procédure conduit à des résultats admirablement précis, mais ses fondementsmathématiques restent ouverts à l’interrogation.
De plus, dans le cas des interactions fortes (chromodynamique quantique), on ne sait pas àl’heure actuelle mener cette procédure à terme (cf. particules élémentaires).
Le problème fondamental reste de comprendre les échelles de masse des particules àl’intérieur même de chaque famille. Ainsi, aucune ébauche d’explication n’existe encore pourcomprendre les masses des leptons chargés – électron, muons, tauon –, qui sont dans lesrapports respectifs 1 : 207 : 34.
En ce qui concerne les masses de leurs neutrinos, on ne sait pas si elles sont rigoureusementnulles, ou si, comme certaines indications récentes le laissent penser, les neutrinos muoniqueset tauoniques ont des masses faibles, mais non nulles. Enfin, l’ordre de grandeur même de cesmasses, par exemple celle de l’électron me = 0, 9.10−30kg, reste mystérieux (on donne engénéral son énergie de masse en électronvolts, à savoir Ee = mec2 = 0, 51MeV ). Les mêmesquestions se posent pour la famille des quarks.
Ces questions sont d’un intérêt capital non seulement pour la physique des particules, maisaussi pour la cosmologie. Divers problèmes quant à l’évolution initiale de l’Univers ou à sastructure présente (par exemple, son caractère ouvert ou fermé) dépendent des masses de cesconstituants – connus ou non. Ainsi, l’existence d’une masse neutrinique non nulle pourraitmodifier qualitativement le contenu énergétique total de l’Univers, comme la présenceéventuelle de particules lourdes hypothétiques (monopoles, axions ?). Il est possible que lasolution des énigmes posées par les masses des constituants fondamentaux de la matière exigela formulation d’idées radicalement neuves.
