Modèle standard des particules
Atome : noyau

Sommaire
  1. Mécanique quantique
  2. Modèle standard des particules
    1. Vue d'ensemble
      1. Statistique de Fermi-Dirac
      2. Principe d'exclusion de Pauli
      3. Statistique de Bose-Einstein
      4. Antiparticules
        1. Annihilation particules/antiparticules
        2. Asymétrie baryonique de l'univers
          1. Vue d'ensemble
          2. Baryogenèse
    2. Atome
      1. Noyau
        1. Nucléons
          1. Neutron
          2. Proton
          3. Nombre de nucléons et tableau périodique
          4. Forces intervenant dans le noyau
        2. Structure nucléaire
          1. Modèle de la goutte liquide
            1. Vue d'ensemble
            2. Nombres magiques et vallée de la stabilité
          2. Modèle en couches
          3. Modèle du champ moyen
      2. Électrons
        1. Propriétés des électrons
        2. Orbitales et spin-orbitales
        3. Ionisation et ions
    3. Fermions
      1. Vue d'ensemble
      2. Quarks
        1. Vue d'ensemble
        2. Propriétés des quarks
        3. Saveurs des quarks
      3. Hadrons
        1. Baryons
          1. Vue d'ensemble
          2. Nombre baryonique
          3. Classification des baryons
            1. Baryons stables : nucléons
            2. Baryons instables
              1. Baryons Delta
              2. Baryons Lambda
              3. Baryons Sigma
              4. Baryons Xi
              5. Baryons Oméga
        2. Mésons
          1. Vue d'ensemble des mésons
          2. Propriétés des mésons
          3. Classification et liste des mésons
            1. Kaons
            2. Pions
      4. Leptons
        1. Vue d'ensemble
        2. Nombres leptoniques
        3. Propriétés des leptons
    4. Bosons
      1. Vue d'ensemble
      2. Gluons : bosons de jauge de l'interaction forte
        1. Propriétés des gluons
        2. Échanges de gluons
        3. Autres formes de gluons
      3. Photons : bosons de jauge de l'interaction électromagnétique
        1. Propriétés des photons
        2. Émission et absorpton de photons
        3. Particules et vitesse de la lumière
      4. Bosons W± et Z0 : bosons de jauge de l'interaction faible
      5. Boson de Higgs
        1. Mécanisme de Higgs
        2. Propriétés du boson de Higgs
    5. Réactions nucléaires
      1. Fusion
      2. Fission
      3. Radioactivité
      4. Photodesintegration
      5. Spallation
      6. Multifragmentation
    6. Rayonnements et interactions avec la matière
      1. Diffusion (ou choc)
      2. Rayonnements ionisants
      3. Interactions des rayonnements avec la matière
        1. interactions de photons avec la matière
        2. interactions des particules massives
  3. Interactions ou forces fondamentales
    1. Vue d'ensemble
      1. Interaction nucléaire forte
      2. Interaction électromagnétique
      3. Interaction faible
      4. Gravitation
    2. Comment expliquer que les soient portées par des particules ?
      1. Que se passe-il en mécanique quantique ?
      2. Paramètres libres
        1. Constantes de couplages
        2. Autres paramètres libres
    3. Chromodynamique quantique (QCD)
      1. Charges de couleur
        1. Couleurs des quarks
        2. Couleurs des gluons
        3. Changements de couleurs
      2. Isospin (fort ou spin isobarique)
    4. Électrodynamique quantique (QED)
      1. Vue d'ensemble
      2. Diagramme de Feynmann
    5. Interaction faible
      1. Propriétés de l'interaction faible
      2. Isospin faible
    6. Interaction électrofaible
    7. Gravitation
  4. Modèle de l'univers : Big Bang

Bibliographie


Un atome est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec un autre.

Ernest Rutherford et l'atome de lithium
Ernest Rutherford (1871-1937) et l'atome de lithium
(Figure : © vetopsy.fr)

L'atome (du grec " atomos ", insécable, notion introduite par Leucippe, reprise par Démocrite) est composé :

Noyau

Le noyau, qui contient l'essentiel de la masse (99,97%), comprend des nucléons, qui font partie des baryons :

  • les neutrons qui, comme leur nom l'indique, sont neutres,
  • les protons de charge positive ($e^+$).

Leurs antiparticules sont l'antineutron et l'antiproton.

Nucléons

Dans le modèle standard des particules élémentaires, les protons et les neutrons sont des nucléons, fermions composés de 3 quarks, liés par l'interaction nucléaire forte portée par les gluons.

Bohr-Heisenberg-Pauli
Werner Heisenberg (1901-1976) en conversation avec
Niels Bohr (1885-1962) et Wolfgang Pauli (1900-1958)

Les fermions (spin demi-entier) :

  • suivent la statistique de Fermi-Dirac (théorème spin-statistique), qui décrit leur distribution statistique ;
  • sont assujettis au principe d'exclusion de Pauli, qui interdit à tout fermion d'un système d'avoir exactement les mêmes nombres quantiques qu'un autre fermion du système.

Le proton et le neutron sont deux particules presque identiques, excepté leur charge électrique, ce qui a permi à Werner Heisenberg (1901-1976), en 1932, de déduire que le proton et le neutron sont deux états d'une même particule (le nucléon), dont la masse ne diffère que par l'interaction électromagnétique : cette variation est due à un nombre quantique " interne ", appelé isospin.

Neutron

Proton, neutrons et antiparticules
Proton, neutrons et antiparticules
(Figure : © vetopsy.fr)

Le neutron est formé d'un quark up (charge $+2/3$) et de deux quarks down (2 x 1 charge $-1/3$), ce qui le rend bien neutre.

1. Sa masse ($m_n$) est de $939,56542\;MeV/c^2\approx1,67493\times10^{-27}\;kg$.

  • Elle est 1,0014 fois plus importante que celle du proton.
  • La somme de la masse de ses trois quarks de valence est d'environ 9,6 MeV/c2 : le reste est attribué à l'énergie du champ des gluons (cf. masse des quarks).

James Chadwick (1891-1974) et Maurice Goldhaber (1911-2011) ont utilisé la photodésintégration suivante pour mesurer la différence de masse entre proton et neutron :

$^2_1D\;+\;\gamma\;\rightarrow\;^1_1He\;+\;n$.

2. Son nombre baryonique est égal à $1$ et sa charge de couleur est nulle : il est blanc, car formé de trois quarks de couleur différente.

3. Son spin et son isospin sont égaux à $1/2$.

4. Sa parité $\mathcal P$ est $+1$.

5. Sa durée de vie est ≈ 880 s.

La désintégration du neutron doit obligatoirement conserver le nombre baryonique et passer par l'interaction faible, appelée ici désintégration $\beta$, qui a plusieurs particularités :

$n\;\rightarrow\;p+e^-+\bar\nu_e$

Désintégration du neutron
Désintégration semi-leptonique du neutron
(Figure : © vetopsy.fr)

En astrophysique, le neutron peut être stabilisé par la gravitation dans les étoiles à neutrons extrêmement dense.

Proton

Le proton est formé de deux quarks up (2 x 1 charge $+2/3$) et un quark down (charge $-1/3$), ce qui lui donne bien une charge électrique ($e^+$).

1. Sa masse ($m_p$) est de $938,2721 MeV/c^2\approx1,67262\times10^{-27}\;kg$.

Sa taille n'est pas encore résolue à l'heure actuelle : $ 0,8418\;fm$ pour la taille de l'atome d'hydrogène muonique - dans lequel un muon remplace l'électron -, contre $0,877\;fm$ pour les mesures précédentes sans qu'on puisse expliquer pourquoi. Un femtomètre est égal à $10_{-15}m$.

2. Son nombre baryonique est égal à $1$ et sa charge de couleur est nulle : il est blanc, car formé de trois quarks de couleur différente.

3. Son spin et son isospin sont égaux à $1/2$.

Étoile à neutrons
Étoile à neutrons
(Figure : vetopsy.fr d'après Robert Schultze)

4. Sa parité $\mathcal P$ est $+1$.

5. Sa durée de vie est infinie ou $\approx10^{34}\;ans$, c'est-à-dire supérieur à l'âge de l'univers ($13,77\pm0,059$ milliards d'années ou $4,34\times10^{17}$ s).

Les protons peuvent se transformer en neutrons par capture électronique, processus nécessitant un apport d'énergie.

Les nucléons n'interagissent pas par l'échange de gluons, car ils ne portent pas de charge de couleur : leurs trois quarks en sont pourvus, mais eux sont blancs.

Cette interaction attractive qui assure la cohésion du noyau dépend de l'échange de pions et garde ou non la nature des nucléons.

Nombres de nucléons

1. Le nombre atomique (Z) correspond au nombre de protons et définit l'identité de l'atome :

2. Le nombre de neutrons (N) peut varier : on parle d'isotopes (même nombre de protons, nombre différent de neutrons).

  • L'hydrogène a trois isotopes : l'hydrogène " classique " 1H (1 proton, 0 neutron : 99,9885% dans la nature), le deutérium 2H (1 proton, 1 neutron) et le tritium 3H (1 proton, 2 neutrons).
  • Le 12C, 98.93% dans la nature, est formé de 6 protons (qui définit le carbone - C -) et de 6 neutrons (6+6 = 12), le 14C, isotope radioactif à la base de la datation au carbone 14, est formé donc de 6 protons (C) et de 8 neutrons (6+8 = 14).
Tableau périodique des éléments
Tableau périodique des éléments (pour une grande taille cliquer sur ce lien)
(Figure : vetopsy.fr d'après 2012rc)

3. Le nombre de masse (A) représente le nombre de nucléons, c'est-à-dire la somme du nombre de protons (Z) et du de neutrons (N) constituant le noyau d'un atome (A=1 pour 1H, A= 14 pour 14C).

Comme on connait le nombre de protons grâce à l'identité de l'atome, on peut donc déduire le nombre de neutrons grâce au nombre de masse ( 14C : C = 6 protons, donc x = 14 -6 = 8).

Les propriétés des noyaux sont dépendantes de ce nombre de masse suivant qu'il est pair ou impair.

Dans le modèle standard, la section efficace est une grandeur physique reliée à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée ( section efficace p : 71).

  • Les quatre interactions fondamentales
    Les quatre interactions fondamentales
    (Figure : Observatoire de Paris / U.F.E.)
    L'unité de section efficace est le mètre carré, mais le barn (b) est très souvent utilisé : 1 b=10−24 cm2= 10−28m2 (surface d'un carré de dix femtomètres de côté, i.e. diamètre d'un noyau atomique).
  • Dans un processus classique (par exemple, la lumière qui éclaire un objet) elle correspond à la surface perpendiculaire au flux des projectiles qui décrit la zone d’interaction autour de la cible.

Ajouter abitrairement des nucléons à un noyau ne conduit pas nécessairement à un noyau stable.

  • Il pourra alors émettre soit un neutron, soit un proton.
  • Le nucléon a " coulé " en dehors du noyau (drpped en anglais), d'où le terme de drip line ou limite de stabilité.

Forces intervenant
dans le noyau

Les nucléons sont sensibles à toutes les forces fondamentales :

1. L'interaction nucléaire forte assure la cohésion des nucléons dans le noyau par l'interaction entre quarks et gluons.

La version quantique de l'interaction forte s'appelle chromodynamique quantique (QCD).

2. L'interaction électromagnétique assure la cohésion de l'atome, c'est-à-dire les forces entre électrons et noyau atomique.

La version quantique de l'électromagnétisme s'appelle électrodynamique quantique (QED), qui postulent que les charges électriques interagissent par échange de photon $\gamma$.

George Gamow et Carl Friedrich von Weizäcker
George Gamow et Carl Friedrich von Weizäcker

3. L'interaction faible (interaction nucléaire faible ou force faible) est responsable de la désintégration radioactive de particules subatomiques.

Ses particules sont les 3 bosons de jauge ($Z_0,\;W^\pm$).

4. la gravitation est responsable de la force entre deux objets due à leur énergie.

Structure nucléaire

Les modèles de structure nucléaire les plus connus sont :

Électrons

MathématiquesMécanique quantiqueModèle standard des particulesAntiparticules
AtomeNoyauÉlectronsFermionsQuarksBaryonsMésons
LeptonsBosonsGluonsPhotonsBosons W± et Z0Boson de Higgs
Réactions nucléairesRayonnements et interactions avec la matière
Interactions fondamentalesInteraction nucléaire forteChromodynamique quantique
Interaction électromagnétiqueÉlectrodynamique quantiqueInteraction faible
Interaction électrofaibleGravitationAstrophysique et Big Bang

Bibliographie
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