Un peu d'histoire

Durant l’antiquité, deux écoles se sont opposées à propos de la structure de la matière. La première incarnée par Empédocle et complétée par Aristote propose un modèle continu de la matière : l’univers est alors composé de 4 éléments (la terre, l’eau, l’air et le feu) associés à des qualités (froid, chaud, sec et humide). Enfin, la matière peut être subdivisée à l’infini.

Une autre école, incarnée par Démocrite, philosophe grec, vers 400 avant J.C propose à l’inverse une version discontinue de la matière. Elle n’est pas indéfiniment divisible. Démocrite appelle atome l’entité ultime de la matière que l’on ne peut pas diviser. Sa théorie propose également le vide comme principe essentiel de la nature. Cette idée a été controversée jusqu’au XIXe siècle où John Dalton (photographie ci-contre) a montré l’existence des atomes.

Dalton montra que la matière qui nous entoure est faite de corps purs, par exemple l’or, ou de corps composés, par exemple l’eau (l’eau étant constituée de molécules H2O, constituées elles-mêmes de deux corps purs: l’hydrogène et l’oxygène); ces corps pouvant se recombiner lors de réactions chimiques. Il a représenté les corps simples et composés par des symboles, proposé une liste d’éléments ainsi que leur masse approximative. Par ses travaux, John Dalton est à l’origine de la théorie atomique et de la chimie moderne.

Ce que nous savons actuellement sur la structure de la matière

La matière est composée d’atomes. On a conservé le terme d’atome bien que ces derniers soient eux même divisibles en particules plus petites et que l'on casse quotidiennement des atomes dans les centrales nucléaires et les accélérateurs de particules.

Les atomes sont composés d’un noyau et d’électrons (de charge -1) qui, contrairement à la représentation classique de l’atome, ne gravitent pas autour du noyau comme le font les planètes autour du soleil, mais forment un nuage dans lequel seule la probabilité de leur position peut être connue.

Le noyau est lui même composé de particules, les nucléons : le proton de charge +1 et le neutron de charge neutre. Dans un atome neutre, il y a autant d’électrons que de protons. Le nombre de neutrons est variable. Les atomes ayant le même nombre de protons et un nombre de neutrons différents sont appelés isotopes.

Il n'est pas possible de faire une représentation fidèle d'un atome, cependant on peut comparer la taille du noyau d'un atome par rapport au nuage électronique qui l'entoure à la taille d'une tête de fourmi au milieu d'un stade de football:


Ce que l'on appelle élément chimique est l'ensemble des atomes dont le nombre de protons et identique. Ce nombre est appelé numéro atomique et est noté Z.

Pour finir on sait que les nucléons ne sont pas les particules élémentaires, ils sont eux-mêmes composés de particules appelées quarks.

Les quarks et les électrons sont des particules élémentaires (dans le modèle actuel).

Voici la liste et l’organisation des particules élémentaires du modèle standard :

 

 Leptons Quarks
Fermions de 1ère génération ve
neutrino électronique		 e
 Electron

 u
Up

 d
 Down
Fermions de 2e génération vµ
neutrino muonique
 µ
Muon

 c
Charm

 s
Strange
Fermions de 3e génération vτ
Neutron taunique
 		 τ
Tau

 t
Top

 b
Bottom

Charge

0

-1e

+2/3e

-1/3e

La charge est exprimée en fraction de charge élémentaire (notée e) correspondant à la charge du proton et à la charge opposée de l'électron. Les leptons ont des charges entières alors que les quarks ont des fractions de charge élémentaire.

Seules les particules (fermions) de première génération composent la matière de notre environnement direct. Les autres générations apparaissent dans des conditions particulières énergétiques lors de collisions dans les accélérateurs de particules.

Il existe également des particules impliquées dans les interactions appelées Bosons de jauge:

  • Le Boson Z et le Boson W pour l'interaction faible.
  • Le Photon pour l'interaction électromagnétique.
  • Le Gluon pour l'interaction forte.
  • Le Graviton pour la gravité (non découvert pour le moment).

Les interactions sont les forces qui régissent l'univers. Elles sont au nombre de 4.

Le proton est composé de deux quarks Up et d'un quark Down, ce qui donne comme charge:

2 x 2/3 - 1/3 = 1

Le neutron est composé d'un quark Up et de deux quarks Down. Sa charge est donc:

1 2/3 -2 x 1/3 = 0

En résumé, la quasi majorité de la matière qui nous entoure est constituée de l'arrangement de trois particules élémentaires: l'électron et les quarks Up et Down!

La physique qui décrit la structure des atomes et ses interactions s'appelle la physique quantique. Elle sera abordée dans un prochain article.