Les atomes
Structure de base de l’atome :
Descente au cœur de la matière – © Science Claire
Structure simplifiée de l’atome : le noyau et les électrons – © SchoolMouv
L’atome, brique élémentaire de la matière, est constitué d’un noyau central extrêmement dense, autour duquel gravitent des électrons (cf le schéma « Structure simplifiée de l’atome »).
- Le noyau: Composé de protons (chargés positivement) et de neutrons (électriquement neutres), le noyau concentre quasiment toute la masse de l’atome. Le nombre de protons détermine l’élément chimique auquel appartient l’atome et est appelé « numéro atomique ».
- Les électrons: Particules élémentaires chargées négativement, les électrons « orbitent » autour du noyau. L’atome est électriquement neutre lorsque leur nombre est égal au nombre de protons.
Les différents types d’atomes et le tableau périodique des éléments :
Tableau périodique des éléments
- Tableau de Mendeleïev: (cf le schéma « Tableau périodique des éléments ») Cet outil de classification organise les éléments chimiques en fonction de leur numéro atomique croissant et de leurs propriétés périodiques. Chaque case du tableau correspond à un élément, caractérisé par son symbole, son numéro atomique et sa masse atomique.
- Isotopes: Ce sont des atomes d’un même élément (même nombre de protons) mais ayant un nombre de neutrons différent. Ils occupent donc la même place dans le Tableau périodique mais avec une masse différente.
- Ions: Un ion est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Un ion positif (cation) a perdu des électrons, tandis qu’un ion négatif (anion) en a gagné.
Les couches électroniques et les niveaux d’énergie :
Les couches électroniques – © Guillaume Peyron
Les électrons ne gravitent pas n’importe comment autour du noyau. Ils occupent des niveaux d’énergie bien définis et se répartissent en couches électroniques. Chaque couche correspond à un niveau d’énergie et peut contenir un nombre maximum d’électrons. La configuration électronique d’un atome, c’est-à-dire la manière dont ses électrons sont répartis sur les différentes couches, détermine ses propriétés chimiques.
La radioactivité :
La radioactivité – © Radio-Protect
Certains noyaux atomiques sont instables et se désintègrent spontanément en émettant des rayonnements (alpha, bêta, gamma). Ce phénomène est appelé radioactivité. La désintégration radioactive permet de produire de l’énergie, mais elle a également d’autres applications comme la datation des roches et des fossiles.
Les forces à l’échelle atomique :
Les intéractions fondamentales – © astrogeoscience-astronomie
Les forces qui s’exercent à l’échelle atomique sont principalement :
- La force électromagnétique qui assure la cohésion de l’atome en attirant les électrons chargés négativement vers le noyau chargé positivement.
- La force nucléaire forte qui maintient les nucléons (protons et neutrons) liés au sein du noyau.
- La force nucléaire faible qui est responsable de certains types de désintégration radioactive.
Nota: La gravitation est quant à elle généralement considérée comme négligeable au niveau atomique.
L’atome d’hydrogène :
L’atome d’hydrogène, le plus simple de tous les atomes, est constitué d’un proton et d’un électron. Sa compréhension a joué un rôle central dans le développement de la Mécanique Quantique et sert de référence pour comprendre la structure des atomes plus complexes.
Les atomes les plus répandus dans l’Univers :
Les atomes les plus abondants dans l’Univers sont l’hydrogène et l’hélium. Ces deux éléments formés lors du Big Bang constituent la majeure partie de la matière visible dans l’Univers. Les autres éléments, plus lourds, ont été synthétisés au cœur des étoiles par des processus de fusion nucléaire (voir la page « Le cycle de vie des étoiles »).
Le Modèle Standard et l’atome :
Le Modèle Standard de la physique des particules ne s’arrête pas à l’échelle de l’atome. Il permet de comprendre la structure interne des protons et des neutrons, composés de quarks, ainsi que les interactions entre ces particules. Cependant, ce modèle standard ne décrit pas encore complètement la gravitation, une force fondamentale qui joue un rôle important à l’échelle cosmique.
Δ Les particules subatomiques
Le Modèle Standard et les particules :
Le Modèle Standard – Bosons-Hadrons-Fermions
Le Modèle Standard – Particules élémentaires
Le Modèle Standard de la physique des particules classe les particules en deux grandes familles : les fermions et les bosons.
Les fermions : la matière
Les fermions sont les constituants de la matière. Ils obéissent au principe d’exclusion de Pauli, ce qui signifie qu’aucun fermion ne peut occuper exactement le même état quantique qu’un autre. Les fermions se divisent en deux catégories principales :
- Les quarks: Ce sont les constituants des hadrons, comme les protons et les neutrons. Ces particules sont sensibles à la force forte et à la force électromagnétique. Ils possèdent une propriété appelée « couleur » qui est à l’origine de la force nucléaire forte et qui lie les quarks entre eux. Il existe six types de quarks, appelés « saveurs » : up, down, charm, strange, top et bottom.
- Les leptons: Ces particules sont insensibles à la force forte, mais les leptons chargés interagissent via la force électromagnétique. Les plus connus sont l’électron, le muon et le tauon, ainsi que leurs neutrinos associés.
Les bosons : les médiateurs des interactions
Les bosons sont les particules qui transmettent les forces fondamentales. Ils ne sont pas soumis au principe d’exclusion de Pauli. Les bosons du Modèle Standard sont :
- Le photon: Il est le médiateur de la force électromagnétique.
- Les bosons W et Z: Ils sont les médiateurs de la force nucléaire faible, responsable de la radioactivité bêta.
- Les gluons: Ils sont les médiateurs de la force nucléaire forte qui lie les quarks ensemble.
- Le boson de Higgs: Il confère leur masse aux particules élémentaires.
Les particules composées :
Les hadrons sont des particules composées de quarks. On distingue :
- Les baryons: Composés de trois quarks (exemple : le proton et le neutron).
- Les mésons: Composés d’un quark et d’un antiquark (exemple : les pions).
Les antiparticules :
Chaque particule a une antiparticule de même masse mais de charge opposée. Lorsqu’une particule et son antiparticule se rencontrent, elles s’annihilent en produisant de l’énergie.
L’épopée des particules élémentaires :
Murray Gell-Mann
La découverte des particules élémentaires du Modèle Standard est une aventure scientifique qui s’étend sur plusieurs siècles. Chaque avancée a été le fruit de collaborations internationales et d’expériences de plus en plus complexes.
Les pionniers : Les premières briques de cette théorie ont été posées au XIXe siècle avec la découverte de l’électron par Joseph John Thomson. Au début du XXe siècle, Ernest Rutherford a mis en évidence le noyau atomique, ouvrant la voie à l’étude des particules subatomiques.
Le développement du Modèle Standard : Les années 1930 ont vu l’émergence de la Mécanique Quantique et la découverte du neutron par James Chadwick. Ces avancées ont permis de formuler les premières théories sur la structure de la matière. Le milieu du XXe siècle a été marqué par la construction des premiers accélérateurs de particules, qui ont permis de découvrir de nouvelles particules, comme les mésons et les hyperons.
Le Modèle Standard prend forme : Les années 1960 et 1970 ont été une période faste pour la physique des particules. Le Modèle Standard, tel que nous le connaissons aujourd’hui, a été progressivement élaboré, grâce aux travaux de nombreux physiciens, dont Murray Gell-Mann qui a proposé le modèle des quarks. Les expériences menées dans les accélérateurs de particules ont permis de confirmer l’existence de ces quarks ainsi que des leptons, les briques fondamentales de la matière.
La quête du boson de Higgs : La dernière pièce du puzzle, le boson de Higgs, a été découverte en 2012 au CERN, grâce au grand collisionneur de hadrons (LHC).
Les perspectives :
Large Hadron Collider (LHC) – © CERN
Le Modèle Standard est une théorie très solide, mais elle ne répond pas à toutes les questions. Les physiciens cherchent à aller au-delà, en explorant des phénomènes comme la matière noire, l’énergie sombre, la supersymétrie ou la gravité quantique.
(voir notamment les pages « Les grands défis »)
De nouvelles expériences sont en cours, notamment au LHC, l’accélérateur de particules à haute énergie du CERN, pour tenter de découvrir de nouvelles particules et de nouvelles forces. Mais un collisionneur encore plus puissant, le FCC (Futur Collisionneur Circulaire) sera bientôt construit près du LHC, et devrait être opérationnel dans les années 2040.
La Mécanique Quantique
Une révolution dans la physique du XXème siècle :
Congrès de Solvay (1927). De l’arrière vers l’avant et de gauche à droite : Auguste Piccard, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, Jules-Émile Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph H. Fowler, Léon Brillouin, Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born, Niels Bohr, Irving Langmuir, Max Planck, Marie Curie, Hendrik Antoon Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles Eugène Guye, Charles Thomson Rees Wilson, Owen Willans Richardson
La Mécanique Quantique, née au début du XXe siècle, est une théorie physique révolutionnaire qui décrit le comportement de la matière et de l’énergie à l’échelle atomique et subatomique. Elle a profondément bouleversé notre compréhension du monde, en introduisant des concepts radicalement nouveaux et contre-intuitifs par rapport à la physique classique.
En astrophysique, la Mécanique Quantique intervient notamment dans l’étude des premiers instants de l’univers et dans les processus internes des étoiles.
L’Histoire de la Mécanique Quantique :
Les origines de la Mécanique Quantique remontent à la fin du XIXe siècle, avec les travaux de Max Planck sur le rayonnement du corps noir. Planck a introduit l’hypothèse révolutionnaire selon laquelle l’énergie est émise ou absorbée par quantités discrètes, appelées quanta.
Albert Einstein a ensuite étendu cette idée à la lumière, en proposant que la lumière est composée de particules, les photons. Cette hypothèse a permis d’expliquer l’effet photoélectrique, pour lequel Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921.
Niels Bohr a développé un modèle de l’atome basé sur la quantification de l’énergie des électrons. Ce modèle a marqué une étape importante dans la compréhension de la structure de la matière.
Louis de Broglie a postulé que toute particule matérielle est associée à une onde, généralisant ainsi la dualité onde-corpuscule.
Erwin Schrödinger a formulé l’équation qui porte son nom, une équation fondamentale de la Mécanique Quantique qui décrit l’évolution temporelle d’un système quantique.
Werner Heisenberg a énoncé le principe d’incertitude, qui limite notre connaissance du monde quantique.
Paul Dirac a formulé une version relativiste de la Mécanique Quantique et a prédit l’existence de l’antimatière.
Δ Les concepts fondamentaux :
Quelques concepts fondamentaux, parfois contre-intuitifs, sous-tendent cette théorie révolutionnaire et aujourd’hui largement validée par la communauté scientifique :
- Quantification de l’énergie : Contrairement à la physique classique qui considère que l’énergie peut varier de façon continue, la Mécanique Quantique postule que l’énergie est quantifiée, c’est-à-dire qu’elle ne peut prendre que certaines valeurs discrètes.
- Dualité onde-corpuscule : Les particules élémentaires, comme les électrons ou les photons, présentent à la fois un comportement ondulatoire et corpusculaire. Cette dualité est l’une des idées les plus contre-intuitives de la Mécanique Quantique.
- Fonction d’onde : La fonction d’onde est un concept fondamental en Mécanique Quantique qui décrit l’état d’un système quantique (une particule, un atome, etc.) à un instant donné. Elle ne représente pas directement une quantité physique mesurable, mais plutôt une amplitude de probabilité. Le carré de son module donne la probabilité de trouver le système dans un état particulier. Ainsi, la fonction d’onde offre une description probabiliste du comportement des particules à l’échelle quantique, où les notions classiques de position et de vitesse perdent leur sens précis. Cette fonction d’onde est formatisée par l’équation de Schrödinger.
- Principe d’incertitude d‘Heisenberg : Ce principe postule qu’il est impossible de connaître simultanément et avec précision la position et la quantité de mouvement d’une particule.
Ce principe fondamental limite ainsi notre capacité à décrire avec exactitude l’état d’un système quantique. - Intrication quantique : Deux particules quantiques peuvent être liées de manière telle que l’état de l’une détermine instantanément l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Ce phénomène, connu sous le nom d’intrication quantique, est au cœur de nombreux développements en informatique quantique.
Ψ L’équation de Schrödinger :
Erwin Schrödinger
L’équation de Schrödinger
Au cœur de cette théorie se trouve l’équation de Schrödinger.
Cette équation différentielle partielle décrit l’évolution temporelle d’une fonction d’onde, qui contient toutes les informations possibles sur un système quantique. Elle est l’équivalent en Mécanique Quantique des lois du mouvement de Newton en mécanique classique.
Elle s’énonce généralement de la façon suivante:
iħ ∂Ψ/∂t = ĤΨoù :
- i : l’unité imaginaire
- ħ : constante de Planck réduite (h/2π)
- Ψ : fonction d’onde, une fonction complexe qui décrit l’état quantique du système
- ∂Ψ/∂t : dérivée partielle de la fonction d’onde par rapport au temps
- Ĥ : opérateur hamiltonien, qui représente l’énergie totale du système
Dans le cas d’une particule libre de masse m se déplaçant dans un potentiel V(x,y,z), l’opérateur hamiltonien s’écrit :
Ĥ = -ħ²/2m ∇² + V(x,y,z)Interprétation physique des termes
- iħ ∂Ψ/∂t : Ce terme décrit l’évolution temporelle de la fonction d’onde. Il indique comment l’état du système change au cours du temps.
- -ħ²/2m ∇² : Ce terme représente l’énergie cinétique de la particule, c’est à dire l’énergie qu’elle possède en raison de son mouvement. Le Laplacien ∇² est un opérateur différentiel qui mesure la courbure de la fonction d’onde. Plus la courbure est élevée, plus l’énergie cinétique est grande. Nota :
- -ħ²/2m ∇² : Ce terme représente l’énergie cinétique de la particule, c’est à dire l’énergie qu’elle possède en raison de son mouvement. Le Laplacien ∇² est un opérateur différentiel qui mesure la courbure de la fonction d’onde. Plus la courbure est élevée, plus l’énergie cinétique est grande. Nota :
- V(x,y,z) : Ce terme représente l’énergie potentielle de la particule en fonction de sa position dans l’espace. Le potentiel peut être dû à des forces extérieures (comme la gravité) ou à des interactions avec d’autres particules. Cette énergie potentielle peut être convertie en énergie cinétique.
Les perspectives :
La Mécanique Quantique est l’une des théories les plus profondes et les plus fructueuses de la physique. Elle a révolutionné notre compréhension de la matière et de l’énergie, et ses implications se font sentir dans de nombreux domaines, de l’électronique à la cosmologie. C’est par exemple sur cette base que se fait actuellement le développement des ordinateurs quantiques
La Mécanique Quantique continue d’être un domaine de recherche très actif. Les physiciens cherchent en particulier à concilier cette théorie de l’infinement petit avec la Relativité Générale, théorie de la gravitation à l’échelle du cosmos (voir la page « Les théories d’unification« ). Une telle convergence des deux plus grandes théories de la physique révolutionnera notre vision du monde.
Ψ Pour aller plus loin…
- « Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum » de Leonard Susskind et Art Friedman : Ce livre offre une approche plus technique de la Mécanique Quantique, mais reste accessible à un public ayant une bonne base en mathématiques.
- Site du CERN : Le Modèle standard | CERN (home.cern)