La composition de la matière

Malgré de grandes différences apparentes, tous les corps ne sont finalement formés que de seulement 12 particules...

L’école de Démocrite (Grèce, 500 ans avant J-C) postulait que l’atome était élémentaire : Atome vient du grec « a » signifiant non et « tome » signifiant dissécable/séparable. Au 20ème siècle, on a montré qu’il est formé d’un noyau et d’électrons autour ; 50 ans plus tard, que le proton est formé de quarks, et maintenant, nous pensons que les quarks sont peut-être formés de « cordes ». La composition de la matière est-elle infinie, ou a-t-elle une fin : voici un grand mystère…

Toute matière, vivante ou inerte, est composée de molécules.
Ces molécules, sont elles-mêmes constituées d’atomes.
Ces atomes, sont constitués d’électrons qui gravitent autour d’un noyau, composé de protons et de neutrons. Depuis 1969, nous savons que les protons et les neutrons sont composés d’une particule encore plus petite : Les quarks. Le plus souvent, ce sont des quarks up (u), et des quarks down (d) (ils existent d’autres quarks). Ils ont été découverts grâce à un accélérateur de particules, en cassant des noyaux d’atomes ! Un accélérateur de particules, sert (comme son nom l’indique), à accélérer des particules (presqu’à la vitesse de la lumière), et à les faire se percuter pour les casser.

Un atome est tellement minuscule qu’il se mesure en picomètre (pm) et un quark en femtomètre (fm) !

Note : 1 pm = 0,000 000 001 mm ; 1 fm = 0,000 000 000 001 mm
Pour comparaison, une cellule humaine est composée d’environ 100 000 milliards d’atomes, et le corps humain d’un homme moyen d’environ 1032 d’atomes (soit 100 000 milliards de milliards de milliards ou 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000).

Schéma de la matière

Note : On utilise les puissances de dix le plus souvent pour les unités de mesures. Il s’écrit 10a avec a un nombre relatif ; a s’appelle l’exposant.

Lorsque l’exposant est positif, 10a correspond au nombre 1 suivi du nombre de 0 correspondant au nombre a

Lorsque que l’exposant est négatif, 10a correspond à un nombre décimal, composé du nombre 1 précédé du nombre de 0 correspondant au nombre a, en sachant que le 1er 0 se trouve à gauche de la virgule. Le tableau ci-dessous englobe toutes les puissances de 10 pour les unités de mesures :

Remarque : 100 donne 1, et il n’y a donc pas de préfixe.

Chaque atome contient toujours autant de protons que d’électrons. S’il perd ou gagne une électron, c’est un ion, qui possède une charge électrique. Le nombre de protons et d’électrons varie : c’est ce qui différencie les atomes entre eux. Le nombre de proton définit le type de l’atome.

Le nombre de neutrons varie aussi, il compose d’autres atomes de la même famille : ce sont les isotopes de l’atome, des noyaux partageant le même nombre de protons. Par exemple, il y a plusieurs isotopes de l’hélium : la somme des nucléons d’un atome (composant du noyau atomique, proton et neutron) est appelée nombre de masse, par exemple il existe de l’hélium-3 et de l’hélium-4, ou encore du le magnésium-24, 25 ou 26 ou encore de l’uranium-235 ou 238 (l’atome le plus lourd à l’état naturel).

Un atome d’hydrogène (l’atome le plus léger) se compose seulement d’un proton et d’un électron – un atome d’oxygène 16 se compose de 8 protons, 8 neutrons et 8 électrons – un atome d’uranium 238 (atome le plus lourd à l’état naturel) se compose de 92 protons, 146 neutrons et 92 électrons…

Un atome est donc défini par 3 caractéristiques principales :

  • Le symbole de l’élément
  • Son nombre de masse (nombre de nucléon(s))
  • Son numéro atomique (nombre de proton(s))

Pour écrire la composition d’un atome, on utilise la représentation symbolique, se présentant sous la forme A
Z
X (se lit A-X-Z). X étant le symbole de l’élément, A le nombre de masse et Z le numéro atomique.

Avec ceci, on peut facilement déterminer la composition d’un atome :
Z indique le nombre de protons, mais aussi le nombre d’électrons (il y a toujours autant de protons que d’électrons dans un atome).
A indique le nombre de nucléons. Pour trouver le nombre de neutrons, on soustrait donc le nombre de protons au nombre de nucléons (N = A – Z).
Un atome d’hélium-4 s’écrit alors 4
2
He et un atome d’hélium-3 s’écrit 3
2
He. Un atome de magnésium-24 24
12
Mg et un atome d’uranium-238 238
92
U.

Pour les ions, indique la charge électrique. Par exemple, un atome de magnésium-24 ayant perdu 2 électrons sera écrit 24
12
Mg++ ou 24
12
Mg2+.

Cette écriture permet aussi la rédaction des équations de réaction, permettant de représenter une réaction (chimique et nucléaire). À gauche de l’équation se trouvent, les réactifs, qui réagissent pour former des produits, à droite de l’équation. Chaque atome doit être séparé par un symbole « + », signifiant en présence de. Il y a toujours conservation du nombre d’atomes de chaque type dans une réaction chimique, ou du nombre total de nucléons dans une réaction nucléaire, selon la célèbre phrase de la conservation de la matière d’Antoine Lavoisier, « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ».

Si un atome faisait la taille d’un terrain de foot, le noyau ferait la taille d’un petit pois, et un électron de la poussière… Celui-ci est donc essentiellement constitué de vide. Ces particules tiennent ensemble grâce à 2 choses :

  • Les protons possèdent une charge électrique positive, et les électrons une charge électrique négative (voir schéma ci-dessus), ce qui génère une force, qui fait graviter les électrons autour du noyau.
  • Il s’échange aussi des photons en permanence : on appelle ça l’interaction électromagnétique.

Les atomes se lient entre eux, parce que certaines particules ont la particularité de pouvoir avoir d’autres électrons sur leurs « orbites ». L’interaction électromagnétique maintient les atomes ensemble.

Un atome qui reçoit de l’énergie émet des photons. Certains types de photons sont visibles par l’œil humain : la lumière visible. Il existe aussi des photons que l’on ne voit pas (ondes radios, rayon X, infrarouge ou gamma, ou encore micro-ondes). En réalité, ce ne sont pas des « types » de photons, mais leurs longueurs d’onde. L’humain peut voir les photons de longueur d’onde d’environ 380 à 780 nm (nanomètre).

Les quarks sont quasi-indissociables, ils sont liés par de l’interaction forte (ou force forte), en échangeant cette fois non pas des photons, mais des gluons.

Les protons, de charge positive, devraient se repousser, mais l’interaction forte entre les quarks d’un même proton (ou neutron) agit aussi avec les quarks des autres protons et neutrons. Cette interaction forte est plus intense que la force électromagnétique, qui éloigne les protons mais heureusement de très courte portée, sinon tous les noyaux se “colleraient”.

Maintenant que vous connaissez tout cela, on peut être un peu plus précis :
La mécanique quantique concerne des phénomènes à l’échelle atomique (atome) et subatomique (inférieur à l’atome). Elle est très compliquée et totalement contre-intuitive, et ce n’est pas le sujet de cet article. C’est pour cela que nous n’allons pas la détailler maintenant et on va juste voir une propriété :

En mécanique quantique, on définit des zones dans lesquelles l’électron (l’exemple qu’on va prendre) a plus ou moins de chance de se trouver. Parce qu’avec cette mécanique, l’électron peut se trouver dans plusieurs état : par exemple, il peut être à la fois dans plusieurs endroits différents ; ou avoir plusieurs vitesses (j’ai bien dit que c’était contre-intuitif…). On appelle ça le principe de superposition quantique.

L’électron ne tourne donc pas vraiment autour du noyau, et n’a pas de position précise.

Les quarks font partie d’une famille de particules bien précises : Les particules élémentaires. Ce sont les 12 particules où l’on considère que rien ne les compose : ils composent toute matière. Ils sont divisés encore en plusieurs familles : Les fermions et les bosons Les 3 particules élémentaires les plus communes sont le quark up, le quark down et l’électron.

Note : I, II et III signifie la génération des particules.

Le modèle standard

Pour former des hadrons (protons, neutrons, et plein d’autres particules), les quarks interagissent avec l’interaction forte. Les neutrinos sont des particules qui interagissent extrêmement peu avec le reste de la matière. Le Soleil en produit énormément : des milliards de neutrinos traversent votre corps en ce moment même ! Pour chaque fermion, il existe une particule presque identique, mais de charge électrique opposé : L’électron, de charge négative et le positron, de charge positive : on appelle ça l’antimatière.
Le photon n’a pas de particule d’anti-particule, mais on peut aussi dire qu’il est sa propre anti-particule, et les particules W+ et W- sont l’antiparticule l’une de l’autre.
Les bosons transportent les différentes forces fondamentales. Pour faire très simple, les bosons n’ont pas de masse, à l’exception des bosons W et Z. Ce qui leur donnent cette masse, c’est le boson de Higgs. Il a été découvert en 2012, dans le LHC, le Grand collisionneur de hadrons (ou Large Hadron Collider en anglais). C’est un accélérateur de particule, et pas n’importe lequel : Il mesure 27 km et c’est le plus grand accélérateur de particule du monde, situé à la frontière franco-suisse

Nous savons (grâce à Einstein) que la matière est une forme d’énergie. Par exemple, avec 2g de matière, on pourrait avoir environ 180 000 000 000 000 Joules, c’est-à-dire 3 fois la bombe atomique d’Hiroshima (bombe A)!
Le problème est que cela est très compliqué :
On peut faire se rencontrer de la matière avec de l’antimatière, et les deux se transforment directement en énergie. Mais de l’antimatière, on n’en trouve pas : si on veut en avoir on doit la créer. Mais ça demande beaucoup plus d’énergie que ça nous rapporterait.
La seule option rentable est la fission nucléaire (ce qu’on fait dans les centrales nucléaires). Nous ne savons pas encore contrôler la fusion nucléaire (projet ITER) : un article concernant la fusion/fission nucléaire est disponible sur MH info.

Rédigée entre le 16/11/2020 et le 24/11/2021 par Maxime Hamou.
Sources : C’est pas sorcier, Science Étonnante : 12, Dimension.
Merci à Yonnel Arrouas pour ses explications.