2 Théories : physique quantique & relativité

On a 2 grandes théories incompatibles qui sont les seules aptes à nous données des explications approximativement juste (à notre échelle c'est bien le cas):

La physique quantique sert pour les objets d'extentions atomiques voir subatomiques.
La relativité nous sert pour les objets se déplaçant très vite ou ayant une masse énorme.

I) La physique quantique décrit les constituants élémentaires de la matière, les atomes, les molécules, les désintégrations nucléaires mais ceci avec 3 grands principes:

Aujourd'hui les physiciens ont essayer de résumer ces trois forces et leur lien avec les particules mais ils ont évincer la gravitation (car elle n'est que partiellement incluse dans cette théorie) et ils ont créer le Modèle standard de la physique des particules; d'après celui-ci les 4 intéractions fondamentales s'expliquent par des particules élémentaires d'interactions (rayonnement) qui agissent sur des particules élémentaires de matières.

24 PARTICULES ELEMENTAIRES

Il existe également des anti-particules pour chaque particule; leur charge électrique se trouvent inversé par rapport à la particule.

PARTICULES COMPOSITES
3Hadrons : des BARYONS, des ANTI-BARYONS et des MESONS (il ne sont pas tous présent dans ce tableau car il y en a bien de trop)

Les Anti-particules des BOSONS : PHOTON, Z , KAON sont eux-mêmes.
parmis les BOSONS, les GLUONS et les ETA-C sont sensibles aux interactions fortes.

2) La force Forte Résiduelle :
Bien que les HADRONS soient de couleur neutre les QUARKS internes veulent échanger des GLUONS avec les QUARKS des HADRONS à proximité :
ces GLUONS doivent passer à l'état de MESONS entre les HADRONS .
matière baryonique : taille ~ 10^-14 m
-création des NUCLEONS (noyau des atomes) quand un PROTON se lie avec des NEUTRONS et/ou avec d'autres PROTONS :
il ne peut pas y avoir trop de NEUTRONS dans un NOYAU ; Fission et Fusion.

Il ne peu cependant pas y'avoir trop de BARYONS liés ensemble :
-ATOME le plus lourd connu : isotope de l'URANIUM 238 ( 92 ELECTRONS , 92 PROTONS ,146 NEUTRONS ) .

a) fusion : des NOYAUX légers fusionnent en un NOYAU plus lourd sous l'effet d'une température extrêmement forte, ce noyau, en refroidissant émet de l’énergie, un autre NOYAU et un BARYON:
C'est la source de la puissance lumineuse des Etoiles, de la bombe H (thermonucléaire). La difficulté de l'inition est de vaincre la répulsion électrostatique des charges positives pour rapprocher les noyaux jusqu'à 10^-15m.

	PLASMA
TRITIUM DEUTERIUM		ENERGIE NEUTRON HELIUM

	NOYAU d'URANIUM 235
NEUTRON incident		ENERGIE plusieurs NEUTRONS plusieurs NOYAUX radioactifs

Les ATOMES radioactifs (leur nucleon presente un deficit ou un trop de proton ou de neutron) se désintègrent en émettant spontanément des parties d'eux-mêmes.
Emission de rayonnement GAMMA :
GAMMA est un flux de PHOTONS qui est émis par un Noyau atomique après une désexitation et qui est de grande énergie : 0.1 - 5 MeV, c'est le rayon le plus penetrant des trois: Intensité divisé par 1million au bout de 30 cm de plomb, 3m d'eau.

Emission de rayonnement ALPHA :
Certains éléments lourds se désintègre en éjectant des parties de leur NOYAU à des vitesses hallucinantes
ALPHA est un NOYAU qui se déplace environ 40 fois moins vite que la vitesse de la lumière.
Energie : 6 MeV
Stoppé au bout d'une feuille de papier, 1mm d'eau, 300m d'air.
La période caractérisée par une désintégration Alpha est très variable et est déclenchée par l'interaction forte, cette réaction est freinée par la répulsion électrostatique de deux charges positives. Son occurence est une conséquence de l'effet tunnel quantique qui permet à une particule de vaincre une barrière énergétique classiquement infranchissable en empruntant puis en restituant presque aussitôt l'énergie nécessaire.


B) L'INTERACTION FAIBLE
Elle est responsable de la désintégration radioactive de certains éléments lourds. La charge faible d'une particule mesure sa force nucléaire faible.
Le triplet formé des BOSONS Z0, W+ et W- est à l'interaction faible ce que le PHOTON est à l'electromagnétisme.
Le principe du Laser est une propriété des Photons à se comporter comme des Bosons.
Les bosons W et Z agissent sur la saveur des FERMIONS :
Emission de rayonnement BETA :
BETA+ est un flux d' ELECTRONS et BETA- de POSITRONS qui vont presque à la vitesse de la lumière.
Tous deux sont formés par la transformation dans les noyaux d'un neutron en proton et vice versa :
- si un nucléide contient trop de neutrons, pour être stable, chaque NEUTRON excédentaire se transforme en PROTON, c'est un QUARK Down qui émet un BOSON W pour se changer en QUARK UP, le BOSON W- qui se matérialise en électrons et en neutrino electronique:

- inversement, si un nucléide est trop riche en protons, ils vont se transformer en neutrons, en positrons et en anti-neutrino électronique:

Energie des rayons BETA : 1 - 2 MeV
Stoppé au bout d'une feuille d'aluminium, 1cm d'eau, 2m d'air.

Les deux forces forte et faible s'atténuent très vites en comparaison des 2 que l'on va voir.

C) L'INTERACTION ELECTROMAGNETIQUE
Elle lie les particules de charges opposées afin d'avoir un élément globalement neutre; formation des atomes, eux-même se lient par une sorte de charge électrique résiduelle: formation des molécules. Elle explique aussi l'électricité, les éclairs, les télécommunications... (electrodynamique). La charge électrique d'une particule mesure sa force électromagnétique.
Force Electromagnétique :
Les PHOTONS (particules d'interaction de la force électromagnétique) agissent sur les PARTICULES qui portent une charge électrique.
Les flux de PHOTONS sont des Ondes electromagnetiques:
Elles sont créées par les interactions successives entre un champ électrique et un champ magnétique variables.

* Effet sur les NUCLEONS :
Un ELECTRON (charge -1) se lie à un PROTON (charge +1) : création d'un ATOME. Aucun contact direct ELECTRON - PROTON.
L' ATOME doit donc comprendre autant d'ELECTRONS que de PROTONS présent dans le NUCLEON.
Plus simple atome possible : Hydrogène ; 1 PROTON & 1 ELECTRON:
taille ~ 10^-10 m
Premier isotope de l'hydrogène : Deutérium ; 1 PROTON, 1 NEUTRON & 1 ELECTRON:

Second isotope de l'hydrogène : Tritium : 1 PROTON, 2 NEUTRONS & 1 ELECTRON:

Deuxième atome : Helium ; 2 PROTON & 2 ELECTRON.
...
Les électrons occupe une région de l'espace avec une probabilité maximale d'être sur l'orbite prévue par 'Bohr'.
Le nombre maximal Z d'electrons pour chaque niveau l est donné par 2(2l +1), le remplissage devient très complexe car les électrons réponde au principe d'exclusion de Pauli et ne peuvent donc pas être dans le même état quantique (quatre nombres quantiques identiques; le principal, l'azimutal, magnétique et de spin), chaque couche 1, 2 , 3... se voit affecter des niveaux successifs s, p, d, f où le nommbre maximal d'électrons est respectivement 2, 6, 10, 14
la configuration fondamentale de l'élément non-radioactif le plus lourd est Z=83 : 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 4s², 3d¹⁰, 4p⁶, 5s², 6s², 4f¹⁴, 5d¹⁰, 6p³.
La capacité d'un atome à se lier à un autre dépend principalement des électrons des couches externes (électrons de valence). La couche de valence peut contenir un maximum de 8 electrons.
La classification périodique des éléments répertorie les atomes formant la matière qui nous entoure.
Les propriétes chimiques des atomes d'une même colonne sont comparables.

Plus simple MOLECULE possible : dihydrogène ; 2 PROTONS & 2 ELECTRONS.
Covalence : deux ATOMES se sont rencontrés car ils se rapprochaient à cause de la pression dû aux conditions de l'environnement:


Comme les NOYAUX sont entourés de très peu d'ELECTRON, ils peuvent se lier et former un nouveau NOYAU (Interaction Forte Résiduelle), puis ils se sont partagés leurs ELECTRONS : création de MOLECULES.

Les ELECTRONS (charge -1) se repoussent entre eux : il y a donc des ELECTRONS 'comprimés' et donc stable entre la périphérie et le noyau de l'ATOME .
La combinaison possible de plusieurs ATOMES forme la diversité de la matière:
(Une MOLECULE d'eau (H2O) se forme avec 1 MOLECULE d'Oxygène et 2 MOLECULES d'Hydrogène).

Etats de la matière

II) L'INTERACTION GRAVITATIONNELLE dont la theorie associée est la relativité:

Elle décrit la pesanteur, les accélérations, les grands principes d'organisation de l'univers, des galaxies, des systèmes stellaires, les étoiles, bref, la nature à grande échelle.
Les GRAVITONS agiraient sur la Masse et l'Energie de toutes les particules.
Comme on n'en a encore jamais détecté la quantification de la gravité parait pour le moment bien compromise.
La masse d'un objet mesure sa force gravitationnelle.
La force de gravitation entre deux corps est égale à la masse du corps1 par la masse du corps2 divisé par la distance les séparants élevé au carré, le tout multiplié par la constante de gravitation:
F= G*(M1*M2)/D²
On rajoute une variable de rotation afin d'avoir un résultat encore plus juste; la terre, en tournant sur elle même, déplace sont point de gravité (la masse relative à l'équateur se déplace à 1660km/h):
F= G*(M1w*M2w)/D²

Des théories tentent de réunir ses quatres interactions qui fonctionnent toutes dans la majorité des cas mais qui présentent des résultats incohérents dans des cas spécifiques de taille miimale et de masse immense (trou noir, condition du début de l'univers...)
La gravité quantique à boucles, la théorie des cordes, la supersymétrie...