NOMBRES - Curiosités, théorie et usages

 

Accueil                           DicoNombre            Rubriques           Nouveautés      Édition du: 29/05/2016

Orientation générale        DicoMot Math          Atlas                   Références                     M'écrire

Barre de recherche          DicoCulture              Index alphabétique                               

     

Physique nucléaire

 

Débutants

Général

PARTICULES

 

Glossaire

Atome

 

 

INDEX

Particules

 

Introduction

Électrons

Nucléons

Nomenclature

Neutrinos

Quarks

Caractéristiques

Unification

Forces

Masse

 

Sommaire de cette page

>>> Approche

>>> Place des nucléons parmi les particules

>>> Protons & neutrons

>>> Rayon du proton en 2013

>>> Noyaux dans l'Univers

>>> Éléments stables

>>> Masse des nucléons

>>> Composition

>>> Durée de vie du proton & antiproton

 

 

 

 

 

 

 

NUCLÉONS

  

 Neutrons & Protons

 

Un couple de particules au cœur du noyau atomique, chacun formé de 3 quarks.  Combien sont-ils dans l'Univers ?

 

Un atome d'hydrogène comprend un électron et un proton comme seul constituant du noyau. L'électron s'en va, reste le proton qui n'est rien d'autre que l'ion H+.

 

Le noyau est 200 000 milliards de fois plus dense que l'eau.

 

Taille de l'atome: 10-10 mètre.

Taille du noyau:  100 000 fois plus petit (10-15 m).

 

99,999999999999 % de vide dans l'atome. Le noyau dans l'atome: une orange au centre d'une très grande place circulaire.

 

Le noyau concentre 99,9 % de la masse de l'atome et n'occupe qu'une place infime (rapport: 10-15 / 10-10 = 10-5).

 

Voir Matière / Couches électroniques / Pauli et neutrino / Pauli et 137

 

 

Approche

 

Si on imagine

 

Un atome comme une sphère

de 100 m de rayon,

 

alors, le noyau est

de la taille d'un petit pois.

 

Historique

 

*      En 1911, Rutherford bombardait une plaque d'or avec des particules alpha (noyau d'hélium). Certains rayons alpha ricochaient. Rutherford venait de découvrir le noyau.

*      Comme si dans un jeu de quille, l'une d'entre - elles, 50 fois plus lourde que les autres, renvoyait la balle à l'envoyeur. Ou … comme du papier de soie qui renverrait l'obus projeté vers lui. 

 

 

 

PLACE des NUCLÉONS (schéma simplifié)

 

 

FERMION

Composant la matière

 

LEPTON =>

Électron

HADRON

Sensible à la force nucléaire forte

BARYON

 = 3 quarks=>

Proton

Neutron

MÉSON =>

Pion

Quark et Antiquark

 

BOSON

Liaison de la matière

 

 

Photon

  Voir Tableau complet

 

 

 

PROTONS & NEUTRONS

Caractéristique

Valeur

Diamètre du neutron et du proton; distance maximum d'éloignement des quarks.

10-15 m = 1 fermi       >>>

Masse du proton

 

Masse du neutron

1,672 62 '31' 10-27 kg

 précision '10'

1,674 92 '86' 10-27 kg

 précision '10'

Masse de l'électron

0,9… 10-30 kg

Le proton est 1 835 fois plus lourd que l'électron.

Masse / Énergie du proton

 1        GeV

939,57  MeV – neutron

938,27   Mev – proton

     1,3     MeV – écart 

Durée de vie du proton

1030 ans

 

 

RAYON du proton

 

*    0, 8768 femtomètre (0,8768 10-15 m) jusqu'en 2010.

0, 8418 femtomètre (0,8418 10-15 m): nouvelle valeur.

 

*    Taille du proton, formé de trois quarks: rayon moyen de la répartition spatiale de la charge électrique.

*    Valeur obtenue par l'équipe de François Biraben, Métrologie du laboratoire Kastler-Brossel, à Paris.

*    Mesure de la différence entre deux états énergétiques de l'atome d'hydrogène. Le plus simple: un électron gravite autour d'un unique proton.

*    La nouvelle mesure fait intervenir un muon gravitant autour du proton. Le muon est identique à l'électron, sauf qu'il est 207 fois plus massif. Le muon est plus proche du proton et en interaction plus forte avec lui, autorisant une mesure plus précise.

 

En 2013, nous en sommes toujours là. Aucune faille théorique ni expérimentale. Faut-il chercher une nouvelle interaction particulière due au muon? Peu probable. Mais quel est le secret?

 

 

 

NUCLÉONS dans l'UNIVERS

 

*      Nombre d'atomes dans l'Univers

 

136 x 2256 =  1,57 1079 » 1080

 

d'après un calcul d'Arthur Eddington (fin des années 1930)

 

*      Selon lui la constante de structure fine  vaut 1/136. La valeur admise aujourd'hui est de 1 /137,03 et la quantité de nucléons peut être assimilée à 1080

En fait 1,16 1080, mais la précision n'est pas telle que l'on ait à conserver cette valeur.

 

Suite en  Nombre d'atomes

 

 

ÉLÉMENTS STABLES

 

*      Il n'existe que 92 éléments naturellement stables.

 

*      Chaque proton subit une répulsion électronique de tous les autres voisins, et celle-ci augmente avec le nombre de protons. Au-delà de 92 protons, le noyau devient instable.

 

*      La quantité de protons des noyaux stables s'échelonne de 1 à 92

La quantité des neutrons est variable

 

 

 

MASSE  / Énergie DES NUCLÉONS

 

*      L'équation d'Albert Einstein:   E = mc2  montre que l'énergie et la matière sont équivalentes, ce qui signifie que de l'énergie peut être transformée en matière et vice-versa.

 

*      Selon cette équation, la masse du proton correspond à l'énergie d'une particule accélérée par un milliard de volts soit 1 GeV (Giga électron Volt). C'est pour cela que l'on dit que la masse d'un proton est juste inférieure à 1 GeV.

 

*      La différence de masse entre proton et neutron (0,14%) enfin expliquée en mars 2015. Les chercheurs ont dû affiner leurs modèles* et avoir recours à du calcul intensif sur superordinateurs.

* Chromodynamique quantique

ou QCD pour Quantum ChromoDynamics.
 

*      La différence de masse est cruciale. Une proportion légèrement différente aurait changé la nature de l'Univers

 

Différence de masse

Elle doit être supérieure à la masse de l'électron: 0,51099906 MeV

Inférieure: formation abondante d'hélium, rendant impossible la formation et la survie du Soleil.

Supérieure: impossibilité de réaliser la synthèse d'éléments plus lourds que l'hydrogène.

 

Effets des quarks

Les protons et les neutrons (des hadrons) sont principalement constitués de trois quarks chacun. Il faut y ajouter des gluons, les particules véhiculant la force forte, et des paires quark-antiquark qui apparaissent et disparaissent en permanence.

Neutron: deux quarks d et       un quark u

Proton:         un quark  d et deux quarks u

                             quark d plus lourd que quark u

 

Effet de l'énergie cinétique

Les quarks contribuent principalement à la masse par leur énergie cinétique et par leurs interactions avec les gluons, les particules qui véhiculent l'interaction forte liant les quarks entre eux (cf. équivalence énergie-masse).

 

Plus de détail sur l'explication de la différence de masse – Pour la Science 30/04/2015

 

 

 

STRUCTURE des NUCLÉONS

 

*      Le neutron, comme le proton,  est formé de trois quarks. Entre ces quarks circule un flux de gluons qui assure la cohésion (la force nucléaire forte).

*      Les quarks sont grégaires. Tout se passe comme si chaque quark était lié à un autre avec une " ficelle " de longueur maximum 10-15 mètre (1 fermi). Il est impossible d'isoler un quark!

 

 

*      Pour briser une liaison gluonique, il faut y mettre une énergie considérable. La "ficelle" finit par se casser en libérant un quark.

 

*      L'énergie libérée donne naissance à une paire quark – antiquark:

-         l'antiquark se combine au quark libéré et forme une particule (méson);

-         le nouveau quark se recombine aux 2 précédents et reforme le neutron.

 

*      En essayant de libérer les quarks, on ne réussit qu'à créer des mésons. C'est un peu comme lorsqu'on veut isoler un pôle d'un aimant: on se retrouve avec deux aimants, mais jamais un pôle seul.

 

 

 

PROTON & ANTIPROTON – DURÉE de VIE

 

                 Durée de vie d'un proton: 1030 ans >>>

                 Soit                                       1020 fois l'Âge de l'univers!

 

 

*      Pour tenter d'observer la mort d'un proton, on en a rassemblé 1033. Soit une cuve de 5 000 tonnes d'eau, placée dans une mine de sel dans l'Ohio, ceci pour éviter les rayonnements cosmiques. Malgré les expériences, on n'a pas pu voir un proton mourir. A-t-il une durée de vie encore plus grande ?

 

  

Durée moyenne de vie du proton:

> 1,5 1010 ans

Oui

*    Âge de l'Univers.

*    Sinon il n'y aurait guère d'atomes.

> 108 ans

Oui

*    Sinon l'homme serait radioactif.

> 1030 ans

Oui

*    C'est ce qu'indiquent des expériences de laboratoire.

Éternel

Non

*    Car il fallait un supplément de matière par rapport à l'antimatière au moment du Big Bang.

*    Sinon, l'univers serait resté symétrique.

*    et n'aurait été composé que de lumière!

  

Durée de vie des antiprotons

> 3,5 mois

*    Études de laboratoires avec pièges à ions et anneau de stockage.

> 800 000 ans

*    Selon une équipe du laboratoire Fermi (Illinois), sur la base d'une étude des rayons cosmiques.

> 1030 ans

*    Si elle est était égale à celle du proton.

 

*      Pourquoi cette dissymétrie ? Pourquoi pas d'antimatière dans notre monde, alors que lors du Big Bang, il y avait autant de matière et d'antimatière, selon la théorie ? Comprendre pourquoi l'antimatière a disparu est l'une des grandes énigmes de l'astrophysique.

 

 

 

 

 ISOTOPES

 

*       Dans la nature, il y a environ 1 000   isotopes stables de la centaine des éléments chimiques.

*       Les isotopes d'un élément comportent le même nombre de protons, mais un nombre de neutrons différents.

 

Élément

Protons

Neutrons

Nucléons

Hydrogène

1

0

1

1

2*

Hélium

2

1

3

2

4

Lithium

3

3

6

4

7

Béryllium

4

4

8

Bore

5

5

10

6

11

  * cet isotope de l'hydrogène est le deutérium.

 

 

 

 

 

 

 

Voir

*    Quarks

*    Ettore Majorana et les neutrons

*    Autres pages sur les particules

*    Nombre de masse et numéro atomique

Aussi

*    Atome

*    Atomes lourds

*    Comparaison atome et petit pois

*    Densité des nucléons

*    Électron

*    Isotope

*    Masse des particules

Diconombre

*    Nombre 10-15

*    Nombre 10-18

Cette page

http://villemin.gerard.free.fr/Science/PaNucleo.htm