De quoi est fait un atome ?
Un atome contient un noyau situé en son centre et des électrons qui « tournent » autour du noyau. Le noyau contient des nucléons, c'est-à-dire des protons et des neutrons.
À l'échelle de l'atome, les électrons se situent à une très grande distance du noyau.
Un atome contient un noyau situé en son centre et des électrons qui « tournent » autour du noyau. Le noyau contient des nucléons, c'est-à-dire des protons et des neutrons.
À l'échelle de l'atome, les électrons se situent à une très grande distance du noyau.
Masse et charge
Particule
électron e⁻ Proton p⁺ Neutron n° |
Charge (cb)
-1,6 . 10⁻¹⁹ +1,6 . 10⁻¹⁹ 0 |
Masse (kg)
9,11 . 10⁻³¹ 1,67 . 10⁻²⁷ (1UMA) 1,67 . 10⁻²⁷ (1UMA) |
H possède 1 proton et 0 neutron, et pèse donc 1 UMA.
He possède 4 particules (2 protons et 2 neutrons) et pèse donc 7 UMA.
L'électron est environ 2000 fois plus léger que le proton et le neutron qui se trouvent dans le noyau.
Les masses du proton et du neutron sont quasi identiques (10⁻²⁷ kg).
La masse d'un atome peut donc être assimilée à celle des neutrons et des protons.
Les électrons ont une charge électrique négative. Les protons ont une charge électrique positive. Le proton et l'électron portent des charges électriques égales en valeur absolue. Les neutrons n'ont pas de charge électrique, ils sont neutres.
L'atome neutre a une charge électrique nulle ce qui conduit à la relation simple :
Dans l'atome NEUTRE : Nombre de protons = Nombre d'électron.
Représentation
L'atome est donc représenté de la façon suivante dans le tableau périodique :
He possède 4 particules (2 protons et 2 neutrons) et pèse donc 7 UMA.
L'électron est environ 2000 fois plus léger que le proton et le neutron qui se trouvent dans le noyau.
Les masses du proton et du neutron sont quasi identiques (10⁻²⁷ kg).
La masse d'un atome peut donc être assimilée à celle des neutrons et des protons.
Les électrons ont une charge électrique négative. Les protons ont une charge électrique positive. Le proton et l'électron portent des charges électriques égales en valeur absolue. Les neutrons n'ont pas de charge électrique, ils sont neutres.
L'atome neutre a une charge électrique nulle ce qui conduit à la relation simple :
Dans l'atome NEUTRE : Nombre de protons = Nombre d'électron.
Représentation
L'atome est donc représenté de la façon suivante dans le tableau périodique :
A : nom de l'atome
B : symbole de l'atome
C : numéro atomique noté Z. Il correspond au nombre de protons que contient l'atome. Dans un atome neutre, le nombre de protons est égal au nombre d'électrons. Z ne varie jamais ! C'est la carte d'identité de l'atome.
D : masse atomique relative (UMA). C'est l'unité de masse atomique. Elle est également appelée nombre de masse. Elle est notée A. C'est la masse de l'atome. Le nombre de masse nous donne le nombre de nucléons et nous permet de connaître le nombre de neutrons.
(neutrons et protons) - nombre de protons = nombre de neutrons (A - Z)
La masse atomique relative est relative car elle se réfère à une masse de référence.
B : symbole de l'atome
C : numéro atomique noté Z. Il correspond au nombre de protons que contient l'atome. Dans un atome neutre, le nombre de protons est égal au nombre d'électrons. Z ne varie jamais ! C'est la carte d'identité de l'atome.
D : masse atomique relative (UMA). C'est l'unité de masse atomique. Elle est également appelée nombre de masse. Elle est notée A. C'est la masse de l'atome. Le nombre de masse nous donne le nombre de nucléons et nous permet de connaître le nombre de neutrons.
(neutrons et protons) - nombre de protons = nombre de neutrons (A - Z)
La masse atomique relative est relative car elle se réfère à une masse de référence.
Dans un atome électriquement neutre, le nombre de protons et d'électrons est équivalent. Le nombre d'électrons (ou de protons) dans un atome détermine ses propriétés physiques et chimiques. Par exemple, un atome d'hydrogène a 1 électron et 1 proton, le nombre atomique d'un atome de carbone est 6, celui d'un atome d'oxygène 8, d'un atome de fer 26, d'un atome d'uranium 92, etc. (voir la table des éléments)
(A - Z) représentera le nombre de neutrons. Question d'examen : savoir calculer le nombre de protons, de neutrons et d'électrons de n'importe quel atome !!!
Le nombre de neutrons dans un atome est variable, en général il est proche du nombre de protons. Deux atomes de même nombre atomique mais ayant un nombre de neutrons différents sont des isotopes : leurs propriétés chimiques sont identiques mais leurs propriétés physiques sont différentes (par exemple, certains isotopes d'atomes stables sont radioactifs). Pour différencier les isotopes entre eux, on donne en général le nombre de nucléons avec le nom de l'atome. Par exemple, l'uranium 235 contient 92 protons et 143 neutrons (235=92+143) et l'uranium 238 contient 92 protons et 146 neutrons (238=92+146).
Qu'est-ce qui lie les électrons au noyau ?
Les électrons et le noyau d'un atome sont liés par l'interaction électromagnétique. En effet, le noyau atomique a une charge électrique positive, grâce aux protons, alors que les électrons ont une charge électrique négative. Ainsi, parce que leurs charges électriques sont opposées, le noyau atomique et les électrons s'attirent, ce qui permet aux atomes de ne pas perdre leurs électrons.
Lorsque deux atomes sont suffisamment proches l'un de l'autre, ils peuvent échanger certains de leurs électrons, cet échange permet alors de lier ces deux atomes en un objet composite qui est une molécule. Ce processus est une réaction chimique.
Mélanges, corps purs et corps composés
Un mélange contient plusieurs corps purs en proportions variables physiquement entremêlés. Par exemple, l'eau de mer, l'air, la bière, le lait, le granit,...
L'eau de mer est un mélange : d'eau (H₂O), de sels divers (en solution, p. ex. NaCl), de gaz, de matières organiques dissoutes et en suspension, de matières inorganiques,...
Il est possible de procéder à la séparation de ces différentes substances par des procédés physiques (filtration, décantation,...)
Il y a trois grandes catégories de mélanges se retrouvant dans le monde vivant :
- Les solutions vraies : mélanges homogènes en phase aqueuse (taille du soluté dissous inférieure à 2 nm). On ne voit pas de particules à l'intérieur (eau salée, eau sucrée). Ne diffuse pas la lumière. C'est un mélange homogène car la solution aura toujours la même composition à n'importe quel endroit.
- Les colloïdes ou émulsions : mélanges hétérogènes parfois homogènes souvent translucides ou laiteux (gel, colle, ovalbumine, amidon, cytoplasme, plasma sanguin, gélatine, lait,...). Les particules sont généralement en suspension. La lumière va diffuser en le traversant.
- Les suspensions : mélanges hétérogènes (taille du soluté dissous supérieure à 200 nm). Le soluté (ce qui est dissout dans un solvant) est en grosse quantité, les particules se voient à l'oeil nu. Diffuse la lumière.
À la différence des mélanges, les corps purs possèdent des propriétés physico-chimiques bien déterminées qui permettent d'ailleurs de les caractériser.
Un corps pur est dit composé s'il est formé par l'union d'atomes de nature différente, mais entrant dans sa composition en proportions déterminées (ex. : H₂O, NaCl, C₂H₅OH,...).
(A - Z) représentera le nombre de neutrons. Question d'examen : savoir calculer le nombre de protons, de neutrons et d'électrons de n'importe quel atome !!!
Le nombre de neutrons dans un atome est variable, en général il est proche du nombre de protons. Deux atomes de même nombre atomique mais ayant un nombre de neutrons différents sont des isotopes : leurs propriétés chimiques sont identiques mais leurs propriétés physiques sont différentes (par exemple, certains isotopes d'atomes stables sont radioactifs). Pour différencier les isotopes entre eux, on donne en général le nombre de nucléons avec le nom de l'atome. Par exemple, l'uranium 235 contient 92 protons et 143 neutrons (235=92+143) et l'uranium 238 contient 92 protons et 146 neutrons (238=92+146).
Qu'est-ce qui lie les électrons au noyau ?
Les électrons et le noyau d'un atome sont liés par l'interaction électromagnétique. En effet, le noyau atomique a une charge électrique positive, grâce aux protons, alors que les électrons ont une charge électrique négative. Ainsi, parce que leurs charges électriques sont opposées, le noyau atomique et les électrons s'attirent, ce qui permet aux atomes de ne pas perdre leurs électrons.
Lorsque deux atomes sont suffisamment proches l'un de l'autre, ils peuvent échanger certains de leurs électrons, cet échange permet alors de lier ces deux atomes en un objet composite qui est une molécule. Ce processus est une réaction chimique.
Mélanges, corps purs et corps composés
Un mélange contient plusieurs corps purs en proportions variables physiquement entremêlés. Par exemple, l'eau de mer, l'air, la bière, le lait, le granit,...
L'eau de mer est un mélange : d'eau (H₂O), de sels divers (en solution, p. ex. NaCl), de gaz, de matières organiques dissoutes et en suspension, de matières inorganiques,...
Il est possible de procéder à la séparation de ces différentes substances par des procédés physiques (filtration, décantation,...)
Il y a trois grandes catégories de mélanges se retrouvant dans le monde vivant :
- Les solutions vraies : mélanges homogènes en phase aqueuse (taille du soluté dissous inférieure à 2 nm). On ne voit pas de particules à l'intérieur (eau salée, eau sucrée). Ne diffuse pas la lumière. C'est un mélange homogène car la solution aura toujours la même composition à n'importe quel endroit.
- Les colloïdes ou émulsions : mélanges hétérogènes parfois homogènes souvent translucides ou laiteux (gel, colle, ovalbumine, amidon, cytoplasme, plasma sanguin, gélatine, lait,...). Les particules sont généralement en suspension. La lumière va diffuser en le traversant.
- Les suspensions : mélanges hétérogènes (taille du soluté dissous supérieure à 200 nm). Le soluté (ce qui est dissout dans un solvant) est en grosse quantité, les particules se voient à l'oeil nu. Diffuse la lumière.
À la différence des mélanges, les corps purs possèdent des propriétés physico-chimiques bien déterminées qui permettent d'ailleurs de les caractériser.
Un corps pur est dit composé s'il est formé par l'union d'atomes de nature différente, mais entrant dans sa composition en proportions déterminées (ex. : H₂O, NaCl, C₂H₅OH,...).
Dénomination des substances
Mélanges ⬇ Par séparations physiques (distillation, filtration, chromatisation) ⬇ Corps composés (➛ séparation chimique ➛ réactions chimiques pour avoir des éléments ou corps simples) Corps purs Corps simples |
Propriétés
Variables Bien définies Bien définies |
À l'échelle microscopique
Mélange de molécules diverses, d'ions, de cristaux,... en proportions arbitraires. Molécules ou ions composés d'atomes différents mais dans des proportions fixes Molécules ou ions constitués d'atomes d'un même élément. |
Qu'est-ce qu'un ion ?
Un ion est un atome ou une molécule dont on a enlevé ou ajouté un ou plusieurs électrons. Ainsi, un atome ou une molécule étant toujours électriquement neutre, un ion est soit positif soit négatif. Un ion a donc des propriétés physicochimiques différentes de la molécule dont il provient. Un ion positif est appelé un cation et un ion négatif est appelé un anion.
L'ionisation de la matière consiste à arracher des électrons aux atomes. La grande majorité des systèmes de détection des particules est basée sur l'ionisation.
Quelle est la taille d'un atome ?
Un atome a une taille de l'ordre de 10⁻¹⁰m, soit un dixième de millionième de millimètre ! Un noyau d'atome a une taille de l'ordre de 10⁻¹⁵m, soit cent mille fois plus petit que l'atome lui-même !
Un électron est théoriquement une particule ponctuelle, elle ne doit donc pas avoir de taille... En tout cas, si l'électron a une taille, elle est inférieure à 10⁻¹⁸m, soit au moins cent millions de fois plus petit que l'atome !
Un atome est donc très petit : il y a onze milliards de milliards d'atomes de fer dans un milligramme de fer !
Quelle est la masse d'un atome ?
La masse d'un nucléon est de 1,67 . 10⁻²⁷ kg, soit moins de deux millièmes de milliardième de milliardième de milligramme ! Les protons et les neutrons ont quasiment la même masse.
La masse d'un électron est de 9,11 . 10⁻³¹ kg, soit 1.836 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 tenir dans une sphère de seulement 150 m de rayon !
Un atome est-il vide ?
Le volume du noyau est un million de milliards de fois plus petit que celui de l'atome. Le volume de l'atome est donc défini comme le volume dans lequel on a une chance non négligeable de trouver un des électrons de cet atome.
Le volume de l'atome est donc constitué d'au moins 99,9999999999999 % de vide !
En théorie, les particules qui forment les protons et les neutrons (les quarks) sont, tout comme l'électron, des particules ponctuelles, c'est-à-dire des particules sans volume. En théorie, un atome est donc constitué de 100 % de vide ! Il n'est bien sûr pas possible de prouver que c'est vrai...
Un ion est un atome ou une molécule dont on a enlevé ou ajouté un ou plusieurs électrons. Ainsi, un atome ou une molécule étant toujours électriquement neutre, un ion est soit positif soit négatif. Un ion a donc des propriétés physicochimiques différentes de la molécule dont il provient. Un ion positif est appelé un cation et un ion négatif est appelé un anion.
L'ionisation de la matière consiste à arracher des électrons aux atomes. La grande majorité des systèmes de détection des particules est basée sur l'ionisation.
Quelle est la taille d'un atome ?
Un atome a une taille de l'ordre de 10⁻¹⁰m, soit un dixième de millionième de millimètre ! Un noyau d'atome a une taille de l'ordre de 10⁻¹⁵m, soit cent mille fois plus petit que l'atome lui-même !
Un électron est théoriquement une particule ponctuelle, elle ne doit donc pas avoir de taille... En tout cas, si l'électron a une taille, elle est inférieure à 10⁻¹⁸m, soit au moins cent millions de fois plus petit que l'atome !
Un atome est donc très petit : il y a onze milliards de milliards d'atomes de fer dans un milligramme de fer !
Quelle est la masse d'un atome ?
La masse d'un nucléon est de 1,67 . 10⁻²⁷ kg, soit moins de deux millièmes de milliardième de milliardième de milligramme ! Les protons et les neutrons ont quasiment la même masse.
La masse d'un électron est de 9,11 . 10⁻³¹ kg, soit 1.836 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 tenir dans une sphère de seulement 150 m de rayon !
Un atome est-il vide ?
Le volume du noyau est un million de milliards de fois plus petit que celui de l'atome. Le volume de l'atome est donc défini comme le volume dans lequel on a une chance non négligeable de trouver un des électrons de cet atome.
Le volume de l'atome est donc constitué d'au moins 99,9999999999999 % de vide !
En théorie, les particules qui forment les protons et les neutrons (les quarks) sont, tout comme l'électron, des particules ponctuelles, c'est-à-dire des particules sans volume. En théorie, un atome est donc constitué de 100 % de vide ! Il n'est bien sûr pas possible de prouver que c'est vrai...
Les nucléons
Un nucléon est un constituant du noyau atomique. Il y a deux sortes de nucléons : les protons qui ont une charge électrique positive, et les neutrons qui n'ont pas de charges électrique (ils sont électriquement neutres). Mais de quoi est fait un nucléon ? Quelle est sa masse, sa taille ?
De quoi est fait un nucléon
Un nucléon est un objet composite très complexe. Dans la vision la plus simple, on peut dire que les nucléons sont constitués de différents quarks :
· les quarks up (notés u), de charge électrique +2/3 de la charge d'un électron ;
· les quarks down (notés d), de charge électrique -1/3 de la charge d'un électron.
Ainsi, le proton est constitué de deux quarks up et d'un quark down (uud), sa charge électrique est donc +1 (=+2/3+2/3-1/3). Le neutron est constitué d'un quark up et de deux quarks down (udd), sa charge électrique est donc 0 (=+2/3-1/3-1/3).
Un peu d'histoire
Lorsque les protons et les neutrons furent découverts (entre 1911 et 1932), les physiciens pensaient que ces particules étaient élémentaires, c'est à dire qu'elles étaient indivisibles, qu'elles n'avaient pas de structure interne.
Il fallut attendre les années 1967-70 pour que Bjorken et Feynman imaginent la présence d'une structure dans les nucléons, les quarks. Mais, comme il est théoriquement impossible d'observer un quark libre, ce n'est qu'en 1975 que l'existence des quarks put être prouvée expérimentalement.
Qu'est-ce qui lie les quarks entre eux ?
Les quarks d'un proton ou d'un neutron sont liés par l'interaction forte.
Cette interaction, en plus de lier les quarks entre eux au sein d'un nucléon, permet aussi aux nucléons de s'attirer pour former un noyau atomique. En effet, les protons ayant tous la même charge électrique, ils se repoussent par l'interaction électromagnétique. Heureusement, cette dernière est beaucoup plus faible que l'interaction forte, qui attire les nucléons entre eux, et permet donc aux noyaux atomiques de rester stables. De plus, les neutrons étant totalement insensibles à l'interaction électromagnétique (leur charge électrique est nulle), ils ne peuvent être liés à l'atome que par l'interaction forte.
Quelle est la taille d'un nucléon ?
La taille d'un nucléon est d'environ 10-15 m, soit un millionième de millionième de millimètre ! Un quark est théoriquement une particule ponctuelle, elle ne doit donc pas avoir de taille... En tout cas, si les quarks ont une taille, elle est inférieure à 10-18 m, soit au moins mille fois plus petit que le nucléon !
Quelle est la masse d'un nucléon ?
La masse d'un nucléon est environ de 1,7 10-27 kg, soit moins de deux millièmes de milliardième de milliardième de milligramme ! Les protons et les neutrons ont quasiment la même masse : celle du proton est de 1,673 10-27 kg, celle du neutron est de 1,675 10-27 kg.
Bien que leur masse soit très petite, les nucléons constituent 99,97 % de la masse de la matière !
Un nucléon est un objet composite très complexe. Dans la vision la plus simple, on peut dire que les nucléons sont constitués de différents quarks :
· les quarks up (notés u), de charge électrique +2/3 de la charge d'un électron ;
· les quarks down (notés d), de charge électrique -1/3 de la charge d'un électron.
Ainsi, le proton est constitué de deux quarks up et d'un quark down (uud), sa charge électrique est donc +1 (=+2/3+2/3-1/3). Le neutron est constitué d'un quark up et de deux quarks down (udd), sa charge électrique est donc 0 (=+2/3-1/3-1/3).
Un peu d'histoire
Lorsque les protons et les neutrons furent découverts (entre 1911 et 1932), les physiciens pensaient que ces particules étaient élémentaires, c'est à dire qu'elles étaient indivisibles, qu'elles n'avaient pas de structure interne.
Il fallut attendre les années 1967-70 pour que Bjorken et Feynman imaginent la présence d'une structure dans les nucléons, les quarks. Mais, comme il est théoriquement impossible d'observer un quark libre, ce n'est qu'en 1975 que l'existence des quarks put être prouvée expérimentalement.
Qu'est-ce qui lie les quarks entre eux ?
Les quarks d'un proton ou d'un neutron sont liés par l'interaction forte.
Cette interaction, en plus de lier les quarks entre eux au sein d'un nucléon, permet aussi aux nucléons de s'attirer pour former un noyau atomique. En effet, les protons ayant tous la même charge électrique, ils se repoussent par l'interaction électromagnétique. Heureusement, cette dernière est beaucoup plus faible que l'interaction forte, qui attire les nucléons entre eux, et permet donc aux noyaux atomiques de rester stables. De plus, les neutrons étant totalement insensibles à l'interaction électromagnétique (leur charge électrique est nulle), ils ne peuvent être liés à l'atome que par l'interaction forte.
Quelle est la taille d'un nucléon ?
La taille d'un nucléon est d'environ 10-15 m, soit un millionième de millionième de millimètre ! Un quark est théoriquement une particule ponctuelle, elle ne doit donc pas avoir de taille... En tout cas, si les quarks ont une taille, elle est inférieure à 10-18 m, soit au moins mille fois plus petit que le nucléon !
Quelle est la masse d'un nucléon ?
La masse d'un nucléon est environ de 1,7 10-27 kg, soit moins de deux millièmes de milliardième de milliardième de milligramme ! Les protons et les neutrons ont quasiment la même masse : celle du proton est de 1,673 10-27 kg, celle du neutron est de 1,675 10-27 kg.
Bien que leur masse soit très petite, les nucléons constituent 99,97 % de la masse de la matière !
Les fermions
Un fermion élémentaire est une particule qui forme la matière, comme les électrons ou les quarks. Les fermions élémentaires sont séparés en deux catégories : les leptons et les quarks. Voici tout ce qu'il faut savoir sur ces éléments.
Qu'est-ce qu'un fermion élémentaire ?
Dans « fermion élémentaire », il y a d'abord fermion... Un fermion est une particule de spin demi-entier, en pratique tous les fermions élémentaires ont un spin 1/2 (le spin est une propriété quantique de la matière assez étrange). Les fermions ont la propriété suivante : si on prend une boîte et qu'on y met des fermions, il arrivera un moment où elle sera pleine et il ne sera alors plus possible d'en ajouter... La matière ne peut donc pas être comprimée à l'infini (alors qu'il y aurait toujours de la place dans la boîte pour des bosons, qui sont les particules de spin entier).
Dans « fermion élémentaire », il y a aussi élémentaire... Une particule élémentaire est une particule qui ne contient aucune sous-structure : elle ne peut pas être divisée. Expérimentalement, la taille d'un fermion élémentaire n'a jamais pu être mesurée, en tout cas elle doit être inférieure à 10-18 m, soit inférieure à un millionième de milliardième de millimètre ! Théoriquement, un fermion élémentaire est une particule ponctuelle, c'est-à-dire une particule sans volume donc sans taille.
Les fermions élémentaires sont séparés en deux catégories : les leptons (comme l'électron ou le neutrino) et les quarks.
Qu'est-ce qu'un lepton ?
Un lepton est un fermion élémentaire qui n'est pas sensible à l'interaction forte, il n'est donc sensible qu'à l'interaction faible et éventuellement l'interaction électromagnétique.
Les deux leptons les plus connus sont l'électron et le neutrino.
Comme le neutrino est électriquement neutre, il n'est sensible qu'à l'interaction faible. Ainsi, les neutrinos interagissent extrêmement peu avec la matière, ils sont donc très difficiles à détecter. Les neutrinos peuvent facilement traverser la Terre sans subir le moindre choc.
Vous êtes traversé par environ 400.000 milliards de neutrinos par seconde (qui viennent presque tous du Soleil), sans que cela ait le moindre effet sur vous (heureusement) !
Qu'est-ce qu'un quark ?
Un quark est un fermion élémentaire qui est sensible à toutes les interactions : l'interaction électromagnétique, l'interaction faible et aussi l'interaction forte. Les quarks sont les constituants des nucléons, qui constituent le noyau atomique.
La matière ordinaire
La matière ordinaire, c'est-à-dire celle qu'on trouve sur Terre et qui constitue la majorité de la matière visible de l'univers, est formée de seulement quatre fermions élémentaires différents :
· les quarks up et down permettent de former les nucléons et donc les noyaux des atomes ;
· l'électron permet, avec les noyaux atomiques, de former les atomes ;
· le neutrino électronique est créé dans la radioactivité beta et est en grande quantité dans l'univers.
Qu'est-ce qu'un fermion élémentaire ?
Dans « fermion élémentaire », il y a d'abord fermion... Un fermion est une particule de spin demi-entier, en pratique tous les fermions élémentaires ont un spin 1/2 (le spin est une propriété quantique de la matière assez étrange). Les fermions ont la propriété suivante : si on prend une boîte et qu'on y met des fermions, il arrivera un moment où elle sera pleine et il ne sera alors plus possible d'en ajouter... La matière ne peut donc pas être comprimée à l'infini (alors qu'il y aurait toujours de la place dans la boîte pour des bosons, qui sont les particules de spin entier).
Dans « fermion élémentaire », il y a aussi élémentaire... Une particule élémentaire est une particule qui ne contient aucune sous-structure : elle ne peut pas être divisée. Expérimentalement, la taille d'un fermion élémentaire n'a jamais pu être mesurée, en tout cas elle doit être inférieure à 10-18 m, soit inférieure à un millionième de milliardième de millimètre ! Théoriquement, un fermion élémentaire est une particule ponctuelle, c'est-à-dire une particule sans volume donc sans taille.
Les fermions élémentaires sont séparés en deux catégories : les leptons (comme l'électron ou le neutrino) et les quarks.
Qu'est-ce qu'un lepton ?
Un lepton est un fermion élémentaire qui n'est pas sensible à l'interaction forte, il n'est donc sensible qu'à l'interaction faible et éventuellement l'interaction électromagnétique.
Les deux leptons les plus connus sont l'électron et le neutrino.
Comme le neutrino est électriquement neutre, il n'est sensible qu'à l'interaction faible. Ainsi, les neutrinos interagissent extrêmement peu avec la matière, ils sont donc très difficiles à détecter. Les neutrinos peuvent facilement traverser la Terre sans subir le moindre choc.
Vous êtes traversé par environ 400.000 milliards de neutrinos par seconde (qui viennent presque tous du Soleil), sans que cela ait le moindre effet sur vous (heureusement) !
Qu'est-ce qu'un quark ?
Un quark est un fermion élémentaire qui est sensible à toutes les interactions : l'interaction électromagnétique, l'interaction faible et aussi l'interaction forte. Les quarks sont les constituants des nucléons, qui constituent le noyau atomique.
La matière ordinaire
La matière ordinaire, c'est-à-dire celle qu'on trouve sur Terre et qui constitue la majorité de la matière visible de l'univers, est formée de seulement quatre fermions élémentaires différents :
· les quarks up et down permettent de former les nucléons et donc les noyaux des atomes ;
· l'électron permet, avec les noyaux atomiques, de former les atomes ;
· le neutrino électronique est créé dans la radioactivité beta et est en grande quantité dans l'univers.
L'électron a été découvert en 1897 par J.- J. Thomson. Les quarks ne furent mis en évidence expérimentalement qu'en 1975 après avoir été imaginés par Bjorken et Feynman dans les années 1967-1970 pour expliquer les propriétés des protons, neutrons et autres particules contenant des quarks.
Bien que la radioactivité ait été découverte en 1898, le neutrino est resté longtemps inconnu, en raison de sa très faible interaction avec la matière qui le rend très difficilement détectable. Néanmoins, il est rapidement apparu (vers 1925) qu'une autre particule que l'électron devait être présente dans la désintégration beta. Ainsi, en 1930, W. Pauli fit l'hypothèse de l'existence du neutrino. Puis, en 1933, E. Fermi baptisa le neutrino (= petit neutre) et élabora une première théorie de l'interaction faible. Finalement, il fallut attendre 1956 pour que F. Reines et C. Cowan observent pour la première fois des neutrinos, en se plaçant à proximité d'une des premières centrales nucléaires, source intense de neutrinos.
Pour chacune de ces particules existe aussi une antiparticule : anti-quarks, antiélectron, antineutrino.
Les trois familles de fermion
En 1937, une nouvelle particule fut découverte dans les rayons cosmiques : elle possède les mêmes propriétés que l'électron, sauf sa masse qui est environ 200 fois supérieure. Cette nouvelle particule fut appelée le muon.
À partir de 1947, toujours dans les rayonnements cosmiques, de nombreuses nouvelles particules, des hadrons, furent découvertes, paraissant étranges. C'est pour interpréter ces nouvelles particules, ainsi que les particules déjà connues, que le concept de quarks fut élaboré, avec seulement au début trois quarks : le up, le down et le quark s (pour strange), quark contenu dans ces nouvelles particules. Ce quark s possède les mêmes propriétés que le quark d, sauf sa masse plus élevée. En 1962, une expérience montra qu'il existe un autre neutrino, le neutrino muonique, compagnon du muon comme le neutrino électronique est compagnon de l'électron dans la désintégration beta.
Ainsi, il apparut que, en plus de la matière ordinaire (les quarks u et d, l'électron et le neutrino électronique), existaient d'autres particules semblables aux premières mais seulement plus lourdes. Ces nouvelles particules peuvent se ranger dans une deuxième famille, la première famille regroupant la matière ordinaire. Mais, pour compléter la deuxième famille, il manquait un quark, le compagnon du s, et il fut donc introduit dans la théorie par Glashow, Iliopoulos et Maiani en 1970 sous le nom de charme. La découverte de ce quark en 1974 confirma la théorie, et permit de compléter la deuxième famille de leptons.
Bien que la radioactivité ait été découverte en 1898, le neutrino est resté longtemps inconnu, en raison de sa très faible interaction avec la matière qui le rend très difficilement détectable. Néanmoins, il est rapidement apparu (vers 1925) qu'une autre particule que l'électron devait être présente dans la désintégration beta. Ainsi, en 1930, W. Pauli fit l'hypothèse de l'existence du neutrino. Puis, en 1933, E. Fermi baptisa le neutrino (= petit neutre) et élabora une première théorie de l'interaction faible. Finalement, il fallut attendre 1956 pour que F. Reines et C. Cowan observent pour la première fois des neutrinos, en se plaçant à proximité d'une des premières centrales nucléaires, source intense de neutrinos.
Pour chacune de ces particules existe aussi une antiparticule : anti-quarks, antiélectron, antineutrino.
Les trois familles de fermion
En 1937, une nouvelle particule fut découverte dans les rayons cosmiques : elle possède les mêmes propriétés que l'électron, sauf sa masse qui est environ 200 fois supérieure. Cette nouvelle particule fut appelée le muon.
À partir de 1947, toujours dans les rayonnements cosmiques, de nombreuses nouvelles particules, des hadrons, furent découvertes, paraissant étranges. C'est pour interpréter ces nouvelles particules, ainsi que les particules déjà connues, que le concept de quarks fut élaboré, avec seulement au début trois quarks : le up, le down et le quark s (pour strange), quark contenu dans ces nouvelles particules. Ce quark s possède les mêmes propriétés que le quark d, sauf sa masse plus élevée. En 1962, une expérience montra qu'il existe un autre neutrino, le neutrino muonique, compagnon du muon comme le neutrino électronique est compagnon de l'électron dans la désintégration beta.
Ainsi, il apparut que, en plus de la matière ordinaire (les quarks u et d, l'électron et le neutrino électronique), existaient d'autres particules semblables aux premières mais seulement plus lourdes. Ces nouvelles particules peuvent se ranger dans une deuxième famille, la première famille regroupant la matière ordinaire. Mais, pour compléter la deuxième famille, il manquait un quark, le compagnon du s, et il fut donc introduit dans la théorie par Glashow, Iliopoulos et Maiani en 1970 sous le nom de charme. La découverte de ce quark en 1974 confirma la théorie, et permit de compléter la deuxième famille de leptons.
Peu après la découverte du quark c, un nouveau lepton fut découvert, encore plus massif que le muon mais possédant les mêmes propriétés, il fut appelé le tau. Ce nouveau lepton semblait donc montrer l'existence d'une troisième famille de fermions.
Ainsi, afin de compléter la troisième famille et pour expliquer un phénomène nouveau (la violation de la symétrie CP), une troisième famille de quarks, les quarks b et t, furent introduits dans la théorie. Le quark b fut ensuite découvert en 1977 et le quark t plus récemment en 1994.
Néanmoins, pour que la troisième famille soit complète, il manque le neutrino tau dont l'existence n'est pas remise en question mais n'a pour l'instant pas été mise en évidence expérimentalement de manière directe. Par contre, le nombre de neutrinos de masse inférieure à 45GeV a été mesuré et il est de trois, ce qui rend l'existence du neutrino tau indispensable.
Il existe ainsi trois familles de fermions élémentaires dont les propriétés sont identiques, la seule différence entre ces familles étant la masse. Cette structure est pour l'instant totalement inexpliquée. La première famille constitue la matière ordinaire, les autres familles ne sont présentes que dans les rayons cosmiques et lors de collisions dans des accélérateurs de particules.
Pour chacune de ces particules existe aussi une antiparticule : antiquark, antiélectron, antimuon, antitau, antineutrino.
Peut-on observer des quarks libres ?
La théorie de l'interaction forte (QCD) montre que les quarks ne peuvent jamais être libres : il n'est donc pas possible d'observer un quark seul. Les quarks sont donc toujours confinés à l'intérieur de particules composites appelées hadrons. Les protons et les neutrons sont des exemples de hadrons.
On distingue deux catégories de hadrons :
· les hadrons formés de trois quarks sont des baryons, comme les protons ou les neutrons ;
Ainsi, afin de compléter la troisième famille et pour expliquer un phénomène nouveau (la violation de la symétrie CP), une troisième famille de quarks, les quarks b et t, furent introduits dans la théorie. Le quark b fut ensuite découvert en 1977 et le quark t plus récemment en 1994.
Néanmoins, pour que la troisième famille soit complète, il manque le neutrino tau dont l'existence n'est pas remise en question mais n'a pour l'instant pas été mise en évidence expérimentalement de manière directe. Par contre, le nombre de neutrinos de masse inférieure à 45GeV a été mesuré et il est de trois, ce qui rend l'existence du neutrino tau indispensable.
Il existe ainsi trois familles de fermions élémentaires dont les propriétés sont identiques, la seule différence entre ces familles étant la masse. Cette structure est pour l'instant totalement inexpliquée. La première famille constitue la matière ordinaire, les autres familles ne sont présentes que dans les rayons cosmiques et lors de collisions dans des accélérateurs de particules.
Pour chacune de ces particules existe aussi une antiparticule : antiquark, antiélectron, antimuon, antitau, antineutrino.
Peut-on observer des quarks libres ?
La théorie de l'interaction forte (QCD) montre que les quarks ne peuvent jamais être libres : il n'est donc pas possible d'observer un quark seul. Les quarks sont donc toujours confinés à l'intérieur de particules composites appelées hadrons. Les protons et les neutrons sont des exemples de hadrons.
On distingue deux catégories de hadrons :
· les hadrons formés de trois quarks sont des baryons, comme les protons ou les neutrons ;
· les hadrons formés d'un quark et un anti-quark sont des mésons.
Quelle est la masse des neutrinos ?
La masse des neutrinos est théoriquement nulle, mais il n'existe aucun argument pour que ces masses soient réellement nulles. Pour l'instant, les masses des neutrinos n'ont pas été mesurées et seulement des limites supérieures sur ces masses existent. Ce qui est sûr, c'est que ces masses sont très faibles par rapport aux leptons associés. Par exemple, le neutrino électronique a une masse au moins trente mille fois plus faible que celle de l'électron.
Le 5 juin 1998, au Japon, l'expérience Super-Kamiokande a annoncé avoir mis en évidence une masse non nulle pour un neutrino. Cette masse est très faible mais est différente de zéro. Il faudra attendre d'autres résultats pour en savoir plus sur la masse des neutrinos...
La masse des neutrinos est théoriquement nulle, mais il n'existe aucun argument pour que ces masses soient réellement nulles. Pour l'instant, les masses des neutrinos n'ont pas été mesurées et seulement des limites supérieures sur ces masses existent. Ce qui est sûr, c'est que ces masses sont très faibles par rapport aux leptons associés. Par exemple, le neutrino électronique a une masse au moins trente mille fois plus faible que celle de l'électron.
Le 5 juin 1998, au Japon, l'expérience Super-Kamiokande a annoncé avoir mis en évidence une masse non nulle pour un neutrino. Cette masse est très faible mais est différente de zéro. Il faudra attendre d'autres résultats pour en savoir plus sur la masse des neutrinos...