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Chimie

Chimie

als:Chemie ko:화학 ms:Kimia ja:化学 simple:Chemistry th:เคมี zh:化学 La chimie est la science qui étudie la composition et les réactions de la matière. Il n'existe pas de frontière clairement définie entre la physique et la chimie, mais, sont considérés généralement comme relevant de la chimie, les phénomènes provoqués par les réactions entre les constituants de la matière et entraînant une modification des liaisons entre les atomes. Selon la nature de ces liaisons, ces phénomènes impliquent entre les atomes des échanges ou mises en commun d'électrons, ou bien des forces électrostatiques. Les niveaux d'énergie mis en œuvre dans les phénomènes chimiques font que seuls les électrons périphériques sont concernés. Au-delà, on entre dans la physique des plasmas, voire dans la physique nucléaire avec l'implication du noyau atomique. Aux échelles inférieures à celle de l'atome, l'étude des particules élémentaires et de leurs interactions relève de la physique des particules. Les principales disciplines de la chimie sont :
- la chimie physique (ou chimie générale), dont l'objet est l'étude des lois physiques des systèmes et procédés chimiques ; ses principaux domaines d'étude comprennent : la thermochimie, la cinétique chimique (ou mécanique chimique), l'électrochimie, la radiochimie ;
- la chimie analytique, dont l'objet est l'analyse des matériaux afin de déterminer et comprendre leur composition chimique et leur structure ;
- la chimie organique, concernant la description et l'étude du carbone et des composés organiques ;
- la chimie minérale, concernant la description et l'étude des éléments chimiques et des composés inorganiques.

Histoire

voir l'article détaillé : Histoire de la chimie Voir aussi les articles alchimie et découverte des éléments chimiques, ainsi que les biographies des savants français et étrangers répertoriés dans les articles : catégorie : chimiste ou chimistes célèbres.

Concepts de base

acide - adsorption - alliage - ampholyte - atome - base (chimie) - catalyseur - céramique - composé chimique - corrosion - degré d'oxydation - dilution - équation chimique - électronégativité - hydrolyse - ion - isotopes - métal - molécule - oxydant - oxydo-réduction - pH - polymère - réaction chimique - réducteur - tampon

Chimie et littérature

- Le Système périodique de Primo Levi comporte vingt-et-un chapitres dont les titres correspondent à un élément du tableau de Mendéléev, relatant la vie professionnelle de l'écrivain, des anecdotes autobiographiques ou de courtes nouvelles sur le thème de la chimie.

Voir aussi

- Biochimie
- Chimie douce
- Chimie supramoléculaire
- Génie chimique
- Géochimie
- Liste de composés chimiques
- Liste des produits chimiques
- Minéralogie
- Nomenclature chimique
- Pétrochimie
- Prix Nobel de chimie
- Représentation des molécules
- Science des matériaux

Liens externes

- [http://www.futura-sciences.com/sinformer/n/matiere.php Actualités Chimie, sur le site Futura-Sciences.com]
- [http://www.cnrs.fr/diffusion/phototheque/chimieaulycee/ La chimie au lycée, sur le site du CNRS]
- [http://www.sfc.fr/ Société Française de Chimie] (SFC)
- [http://scienceworld.wolfram.com/chemistry/ Eric Weisstein's world of chemistry]
- Catégorie:Sciences

Réaction chimique

Qu'est-ce qu'une réaction chimique ?

Une réaction chimique est une transformation de la matière qui se fait sans variation mesurable de masse. La matière est composée d'atomes regroupés dans des composés chimiques, au cours d'une réaction chimique, les composés s'échangent leurs atomes ; ce faisant, la nature des composés change. Les réactions chimique provoquent un changement de la nature de la matière, on exclue donc les transformations purement physiques, comme les changements d'état (fusion, solidification, évaporation, ébullition...), l'usure et l'érosion, la rupture... On exclue également les transformation des noyaux des atomes, donc les réactions nucléaires. Les réaction chimiques ne concernent que changements de liaisons entre les atomes (liaisons covalentes, liaisons ioniques, liaisons métalliques). Les produits chimiques présents en début de réaction sont appelés réactifs. Les produits chimiques présents en fin de réaction sont appelés produits de réaction. Une réaction peut dégager de la chaleur, elle est alors dite exothermique. Elle peut nécessiter de la chaleur (donc « produire du froid »), elle est alors dite endothermique. D'une manière générale, une réaction ne peut avoir lieu que si certaines conditions sont réunies (présence des réactants, conditions de température, de pression, de lumière). Certaines réactions nécessitent, ou sont facilitée par, la présence d'une substance chimique appelée catalyseur. Le catalyseur permet la réaction ou la facilite, mais se retrouve intégralement dans les produits de réaction. Soit il ne participe pas à la réaction mais se contente d'«activer» la rupture des liaisons, soit il y participe mais est régénéré à la fin, le catalyseur n'est donc pas consommé dans la réaction. En biologie, les catalyseurs sont appelés enzymes. Pour représenter les phénomènes qui ont lieu au cours d'une réaction chimique, on écrit une équation chimique.

Réaction chimique et énergie

équation chimique En thermodynamique, on considère l'énergie totale d'un système. Les transformations ayant lieu lors de la réaction chimique entraînent une diminution de l'énergie totale. En effet, dans une molécule ou un cristal, l'«accrochage» des atomes entre eux nécessite de l'énergie, appelée énergie de liaison. Lorsque l'on rompt une liaison (on « casse » la molécules ou le cristal en « éparpillant » ses atomes), il faut fournir de l'énergie. Lorsque les atomes se recombinent, ils récupèrent de l'énergie pour former la liaison. À la fin d'une réaction, l'énergie stockée dans les liaisons des produits de réaction est plus faible que celle qui était stockée dans les liaisons des réactant. Mais au cours de la réaction, il y a un moment où les anciennes liaisons sont rompues et les nouvelles ne sont pas encore crées. C'est un état où l'énergie du système est élevée, un état transitoire, qui fait une véritable barrière à la réaction. L'amorçage de la réaction consiste tout simplement à faire franchir cette barrière énergétique au système. Cette barrière énergétique est appelée énergie d'activation. Afin de simplifier l'étude, on isole la partie purement chimique de l'énergie en considérant les autres parties de l'énergie (notamment la chaleur et l'énergie de compression) constantes. Cette énergie chimique est appelée enthalpie et est notée H. Le gain d'énergie chimique par la réorganisation des liaisons est l'enthalpie de réaction ΔH. L'étude de l'aspect énergétique des réactions chimiques est la thermochimie.

Vitesse de réaction

L'étude de l'énergie du système (thermochimie) permet de savoir si une réaction peut avoir lieu ou pas, quelle énergie initiale il faut fournir pour franchir la barrière. Mais il y a un autre paramètre important : la vitesse de réaction. Voir l'article détaillé Cinétique chimique.

Exemples de réactions chimiques

Parmi les réactions chimiques les plus courantes, citons :
- la respiration, la fermentation lactique et la fermentation alcoolique qui permettent aux organismes de produire de l'énergie
- la sécrétion de produits par les organes (larmes, sueurs, salive, sucs gastriques, hormones...), l'action de ces sécrétions
- la combustion (entre autres dans les moteurs à explosion et les chaudières), le feu
- la cuisson des aliments, les brûlures
- la corrosion de la matière (par exemple la rouille)
- la photosynthèse chlorophylienne qui permet aux plantes de régénérer le dioxygène de l'air en récupérant le carbone
- la dissolution des métaux par l'acide
- la révélation des photographies
- la fabrication d'électricité par les piles, le stockage et la libération d'électricité par les batteries et accumulateurs
- l'élaboration des métaux à partir des minerais (métallurgie)
- la fabrication de l'essence, des huiles et des plastiques à partir du pétrole
- la fabrication des produits d'entretien : savon (réaction de saponification), eau de Javel, acide chlorhydrique, soude caustique, ammoniaque
- la fabrication d'engrais, pesticides, produits phytosanitaires...
- la fabrication des médicaments
- la vinification, la transformation alcool → acide éthanoïque (vinaigre)
- le « virage au vert » de l'alcootest
- la pollution à l'ozone à partir des polluants atmosphériques
- la destruction de l'ozone par les composés chlorofluorocarbonés (CFC, fréons)

Voir aussi

- chimie
- équation chimique
- formule chimique
- Liste des réactions chimiques
- ja:化学反応 ko:화학 반응

Matière

Catégorie:Physique La matière est la substance qui compose tous les objets ayant une réalité tangible. Elle occupe de l'espace et la quantité de matière se mesure à l'aide de la masse (lorsqu'il s'agit de compter des particules de matière, on utilise la mole). Ainsi, en physique, tout ce qui a une masse est de la matière. Cependant, la matière ordinaire qui nous entoure est formée de baryons, donc dans le langage commun, lorsqu'on parle de matière, on parle de matière baryonique. Cette définition exclue donc les bosons fondamentaux, qui transportent les quatre forces fondamentales, bien qu'ils aient une masse et/ou une énergie.

Les états de la matière

La matière peut se retrouver dans plusieurs états ou phases. Les trois états les plus connus sont solide, liquide et gazeux. Il existe aussi d'autres états un peu plus exotiques, tel que plasma, cristal liquide, condensat de Bose-Einstein et superfluide. Lorsque la matière passe d'un état à l'autre, elle effectue une transition de phase. Ce phénomène est étudié en thermodynamique via les diagrammes de phase. La transition de phase se produit lorsque certaines caractéristiques de la matière change : pression, température, volume, densité, énergie, etc.

La matière en physique des particules

La matière au niveau fondamental est constituée de quarks et de leptons. Les quarks se combinent pour former des hadrons, principalement des baryons et des mésons via la force nucléaire forte, et sont présumés toujours confinés ainsi. Parmi les baryons se trouvent le proton et le neutron, qui eux se combinent pour former les noyaux atomiques de tous les éléments chimiques du tableau périodique. Normalement, ces noyaux sont entourés d'un nuage d'électrons. Un noyau qui compte autant de protons positifs que d'électrons négatifs est électriquement neutre, et forme ainsi un atome, sinon, c'est un ion. Les atomes peuvent s'agencer entre eux pour former des structures plus grosses et plus complexes, tel que les molécules. La chimie est la science qui étudie comment se combinent les noyaux et les électrons pour former divers éléments et molécules. Chaque particule de matière est associée à une (anti-)particule d'antimatière (par ex. électron-positron).

La matière et la relativité

Les travaux d'Albert Einstein en relativité restreinte nous ont légué la fameuse formule

E=mc^2

, où

E

est l'énergie,

m

est la masse et

c

est la vitesse de la lumière dans le vide. Cela implique donc que la masse est équivalente à de l'énergie et vice versa. Dans ce contexte, l'utilisation de la masse comme mesure de la quantité de matière n'est plus tout à fait appropriée car la masse d'un objet varie avec sa vitesse (bien sûr, cet effet est important seulement à de très grandes vitesses, dites vitesses relativistes). Ce même physicien a établi le lien entre la courbure de l'espace-temps et de la matière/énergie grâce à la théorie de la relativité générale : la matière courbe l'espace-temps et l'espace-temps dit à la matière comment se déplacer. Ainsi, en relativité générale, la matière et l'énergie sont regroupées sous la même bannière et une façon d'en mesurer la quantité est d'observer la courbure de l'espace-temps qui les contient.

Voir aussi

- Antimatière
- Matière sombre
- Matière organique
- Matière dégénérée
- État de la matière
- Quantité de matière
- Matière condensée
- Structure ondulatoire de la matière

Liens externes

[http://www.toutsurlaphysique.fr/src/articles/histoire_de_la_matiere.html Histoire de la matière] sur le site [http://www.toutsurlaphysique.fr toutsurlaphysique] ja:物質 ko:물질 ms:Jirim simple:Matter

Réaction chimique

Qu'est-ce qu'une réaction chimique ?

Réaction chimique et énergie

Vitesse de réaction

Exemples de réactions chimiques

Voir aussi

- chimie
- équation chimique
- formule chimique
- Liste des réactions chimiques
- ja:化学反応 ko:화학 반응

Liaison chimique

En chimie, une liaison chimique est un lien entre atomes voisins. Principaux types de liaison chimique :
- liaison métallique,
- liaison ionique,
- liaison covalente,
- liaison hydrogène,
- liaison de van der Waals.
- l'interaction orbitalaire. Catégorie:Chimie générale catégorie:composé chimique catégorie:réaction chimique catégorie:chimie quantique catégorie:liaison chimique ja:化学結合

Électron

L'électron est une particule élémentaire portant une charge électrique fondamentale négative égale à -1,6 × 10^-19 coulomb La masse d'un électron est d'environ 9,11 × 10^-31 kg, ce qui correspond à environ 1/1 800 de la masse d'un proton. L'électron fait partie de la famille des leptons(fermion), et est de ce fait considéré, en l'état actuel des connaissances, comme étant une particule fondamentale (c'est-à-dire qu'il ne peut pas être brisé en de plus petites particules). lepton d'hydrogène montrées en sections transversales avec un code des couleurs représentant la probabilité de densité]] Le volume occupé par cette particule est extrêmement petit. Quelle que soit son éventuelle forme, si ce mot a encore un sens pour ce genre d'objet, sa largeur est en tous les cas inférieure à 10^-18 mètre, soit un millionnième de millionnième de millionnième de mètre. Les atomes sont constitués d'un noyau atomique (lui-même constitué de nucléons: les protons et les neutrons) entouré par un nuage électronique. L'électron est un fermion : il possède ainsi un spin 1/2 et suit la statistique de Fermi-Dirac. L'anti-particule associée à l'électron est le positron (ou positon). C'est en bougeant des électrons que l'on fait:
- un courant
- un champ magnétique
- de la lumière
- des rayons X
- marcher toute l'électronique actuelle
- de la microscopie électronique ou à effet tunnel
- de la chimie, des particules élémentaires, de l'énergie,de la photosynthèse, de la biologie,ou de l'électrodynamique quantique relativiste!
- fonctionner des ordinateurs ou notre cerveau! C'est pour cela que l'électron est l'en tête de l'électromagnétisme

Électricité

L'électricité, ou courant électrique, est définie par un flux net d'électrons, d'ions ou de trous d'électrons (défauts ponctuels des cristaux) ; dans le cas d'un flux d'électrons, ceux-ci sont libérés des noyaux des atomes. Par analogie, on peut comparer le courant électrique au déplacement de moutons (électrons) dans une direction alors que le berger (noyau atomique) reste immobile. Le courant électrique peut être mesuré directement à l'aide d'un galvanomètre (ampèremètre ultra-sensible). Contrairement à ce que semble indiquer son nom, lélectricité statique ne correspond pas du tout à un flux d'électrons. Le terme charge statique, mieux approprié, se réfère à un corps possédant plus, ou moins, d'électrons que ce qui est nécessaire pour contrebalancer la charge positive des protons. On dit que le corps considéré est chargé négativement si l'on est en présence d'un excès d'électrons. Dans le cas contraire, le corps est dit chargé positivement. Enfin, si le nombre d'électrons est égal au nombre de protons, le corps est dit électriquement neutre. La charge électrique peut être directement mesurée à l'aide d'un électromètre.
Dualité onde particule
Comme toutes les particules élémentaires, l'électron est sujet à la dualité onde-particule. Il se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme une particule. Dans le tube cathodique d'une télévision, par exemple, l'électron se comporte comme un particule (il a une trajectoire, contrôlée par un champs magnétique, et entre en collision avec l'écran). Lorsqu'il est dans un atome, l'électron se comporte comme une onde stationnaire. La forme des ondes stationnaires des électrons périphériques d'un atome détermine les liaisons possibles que cet atome peut avoir dans une molécule. Le comportement ondulatoire de l'électron s'applique aussi à échelle macroscopique, comme dans l'expérience des fentes de Young. Dans cette expérience, l'électron se déplace sur une distance de l'ordre du mètre, et entre en collision avec un écran. Mais il n'a pas eu de trajectoire entre son point de départ et l'arrivée. Sur le trajet, il s'est comporté comme une onde. Ce phénomène, admis pour la lumière, est beaucoup plus intriguant quand il s'applique à des particules de masse non nulle, comme l'électron.
Histoire
L'électron fut découvert en 1897 par J. J. Thomson au laboratoire Cavendish de l'université de Cambridge alors qu'il étudiait les rayons cathodiques. Voir aussi : Historique des modèles de l'atome
Détails techniques
En mécanique quantique ou plus exactement en électrodynamique quantique, l'électron est décrit par l'équation de Dirac. Dans le modèle standard de la physique des particules, il forme un doublet SU(2) avec le neutrino électronique avec lequel il interagit par l'intermédiaire de l'interaction faible. L'électron possède deux partenaires de même charge mais plus massifs : le muon et le tauon.
Voir aussi

- Électron Auger
- Effet photoélectrique
- Photoélectron
- Électron excité
- Particule bêta
- Mobilité de l'électron Electron Electron ja:電子 ko:전자 simple:Electron th:อิเล็กตรอน

Force électrostatique

catégorie:électromagnétisme L'électrostatique est la branche de la physique qui traite des forces produites par une distribution statique de charges. En électrostatique, on ignore tout courant et tout champ magnétique. L'équation fondamentale de l'électrostatique est la loi de Coulomb, qui décrit la force d'interaction entre deux charges ponctuelles : :

F = \frac

Le Potentiel électrique (aussi appelé tension) est une notion courante et importante de l'électrostatique . L'équation de Poisson donne une relation locale entre la distribution de charge et le potentiel : :

^2 V = -

Dans un système de charges, on admet que chaque charge exerce sur une autre une force, dirigée selon la droite qui relie les deux charges, dont l'intensité est proportionnelle aux deux charges et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Bref vérifiant la loi de Coulomb. Un corps chargé attire et est attiré par les corps portant une charge de signe opposé à la sienne; il repousse ceux qui portent une charge de même signe que lui. Cette action diminue inversement proportionnellement au carré de la distance qui les sépare. On constate aussi que les influences des différentes charges s'ajoutent linéairement. Cela signifie que pour connaître la force exercée sur une charge par plusieurs autres charges, il suffit de calculer la force qu'exercerait chacune des charges prise isolément, et d'additionner les résultats : C'est ce que l'on appelle le principe de superposition qui traduit la linéarité de la loi de coulomb. La loi de Coulomb est très proche de l'expression des forces gravitationnelles ; mais ces dernières sont (pour une particule donnée) beaucoup plus faibles. Pourtant, les forces électrostatiques ont peu d'effet à grande échelle, tandis que la gravitation explique le mouvement des astres. Cela provient du fait qu'en moyenne, la matière contient autant de charges positives que de charges négatives et donc, au-delà de l'échelle des inhomogénéités, leurs influences se compensent.Pour la gravitation, au contraire, les masses sont toutes de même « signe » (positif) et elles s’attirent au lieu de se repousser.

Quelques notions d'électrostatique

Généralités

:Il existe une expérience simple permettant d'apercevoir une force électrostatique ; c'est une expérience que tout le monde peut faire, il suffit de frotter une règle en plastique avec un chiffon et de l'approcher de petits bouts de papier, on s'aperçoit tout de suite que les papiers se collent à la règle. :À partir de là, on peut considérer deux catégories de corps, ceux où l'état d'électrisation (principe énoncé juste au-dessus) se conserve localement sont dits isolants et ceux où cet état se répartit sur la surface du conducteur sont dits conducteurs. :Pour travailler en électrostatique, il est nécessaire de connaître la charge élémentaire :

e = 1,6.10^C

:La charge élémentaire peut être positive ou négative (exemple : le proton est positif et l'électron est négatif), toutefois elle est toujours un multiple entier de la charge élémentaire.

Force électrostatique

: La force électrostatique entre deux charges ponctuelles (

q_1, q_2

) est donnée par la loi de Coulomb : ::

\vec_1(2) = \frac\frac=-\vec_2(1)

:avec

\vec_=\vec_2- \vec_1

:Remarque :

\epsilon_0 = 8,8537.10^ ; 
\frac=9.10^9 N m^2C^

Champ électrostatique

Le champ électrostatique créé en 2 par une charge ponctuelle

q_1

située en 1 (la charge pouvant être positive ou négative) vaut, en unités SI : :

\vec(2) = \frac\frac

La force s'exerçant sur une charge

q_2

plongée dans ce champ vaut alors : :

\vec(2) = q_2 \vec(2)

Le champ créé par plusieurs charges est additif (principe de superposition) : :

\vec = \vec + \vec + \vec + ...

Pour une distribution de charges continue dans l'espace, le champ vaut : :

\vec = \int\frac \mathbf\,d^\mathbf

ou de façon plus détaillée : :

\vec(x_2,y_2,z_2) = \frac\int\!\!\!\!\int\!\!\!\!\int\frac dx_1dy_1dz_1

où ρ est la densité volumique de charge en 1,

\vec_

est le vecteur allant de 1 au point 2 ; autour du point 1 il y a une charge ρ

dx_1dy_1dz_1

Champ électrique créé par quelques distributions de charges

Les champs électriques peuvent rarement être calculés analytiquement par le calcul direct de la dernière formule mais peuvent toujours être calculés numériquement par l'informatique. Lorsqu'il existe des symétries, on peut faire le calcul en appliquant le théorème de Gauss au champ électrique : :: Le flux du champ électrique à travers une surface fermée S est proportionnel à la somme des charges qui sont à l'intérieur de cette surface. :::

\oint_S \vec \cdot d\vec = \frac

Voici quelques exemples de calcul pour des distributions de charges symétriques.
- Fil rectiligne infini, de densité linéique de charge λ, à distance r du fil : :::

E(r)=\frac\frac

- Plan infini, uniformément chargé en surface, de densité surfacique de charge σ, à distance r du plan : :::

E(r)=\frac

: La valeur du champ est constante dans tout l'espace.
- Sphère creuse de diamètre R, uniformément chargée en surface, de densité surfacique de charges σ, à distance r du centre :
- à l'intérieur (r < R) :

E(r) = 0

- à la surface (r = R) :

E(r) = \frac

- à l'extérieur (r > R) :

E(r) = \frac\frac

- Sphère pleine de diamètre R, uniformément chargée en volume, de densité volumique de charges ρ, à distance r du centre :
- à l'intérieur (r < R) :

E(r) = \fracr

- à la surface (r = R) :

E(r) = \fracR

- à l'extérieur (r > R) :

E(r) = \frac\frac

:Conséquence du théorème de Gauss, nous retrouvons à l'extérieur de la sphère un champ égal à celui d'une charge Q ponctuelle placée au centre de la sphère : ::

E(r) = \frac=\frac

Le potentiel électrostatique

On a la relation qui lie le champ et le potentiel électrique : :

\vec(\vec)=-\vec

car mathématiquement : :

\vec(\frac) =\vec\nabla (\frac) = -\frac \;

où le potentiel créé par une charge élémentaire q vaut : :

V(r)=\frac+constante

La constante est prise nulle s'il n'y a pas de charges à l'infini. L'unité de mesure du potentiel électrique est le Volt (symbole V), égal au J/C (Joule par Coulomb). Circulation du champ électrique : :

\Delta V=V_\infty -V_1 =-\int_1^\infty \vec\cdot\vec

Équation de Maxwell-Gauss, pour une densité de charge ρ : :

\vec \cdot \vec=-\frac

Équation de Laplace : :

\Delta V = 0

Exemples de potentiels

- Potentiel d'un fil fini : ::

V(\rho)=\int_1^z\,dV=\frac\,ln\,z

- Potentiel d'un disque chargé : ::

V(z)=\frac\,\int_0^R\,\frac=\frac\,(\sqrt-z)

Un fil fini : calcul direct du champ produit :

Supposons que l'on a l'axe des x chargé sur un segment AB avec une densité de charge linéique λ et un point M (x,y) dans le plan xOy où l'on veut déterminer le champ produit par les charges réparties sur AB; considérons un point P(x,0) et un intervalle dx de AB ayant une charge λdx Cette charge crée un champ : :

\vec (M)=\int_a^b\,d\vec(M)=\frac\,\int_a^b\,\frac dx =\frac\,\int_a^b\,\left(\frac\right) dx

=\left(\frac\,\int_a^b\,\frac \right) \vec + \left(\frac\,\int_a^b\,\frac  \right)\vec

Il reste à faire les deux intégrales suivant x pour obtenir les composantes de : :

\vec (x_M,y_M)= E_x(x_M,y_M)\vec + E_y(x_M,y_M)\vec

En constatant que : :

\frac = sin(\alpha)

\frac = cos(\alpha)

on déduit :

\frac = tg(\alpha)

où α est l'angle HMP, :

\frac\,\int_a^b\,\frac 

=\frac\,\int_a^b\,\frac = \frac\,\int_^ sin(\alpha)d\alpha

facile à intégrer On a utilisé :

dx=\fracd\alpha 
:

et :

\frac=\frac 
:

et :

\frac=sin(\alpha)

Voir aussi :

- Calcul vectoriel
- Densité de charge
- Équation de Laplace
- Force électromagnétique
- Générateur
- Magnétostatique
- Potentiel électrique
- Replenisher
- Théorème de Green

Énergie

- Energie Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, un mouvement.

Historique

L'étymologie du mot énergie est le mot grec εργοs (ergos) qui signifie « travail ». Après avoir exploité sa propre force, puis celle des esclaves, des animaux et de la nature (les vents et les chutes d'eau), l'homme a appris à exploiter les énergies contenues dans la nature et capables de lui fournir une quantité croissante de travail mécanique par l'emploi de machines: machines outil, chaudières et moteurs. L'énergie est alors fournie par un carburant ou énergie fossile. L'énergie est un concept ancien; L’expérience humaine est que tout travail requiert de la force et produit de la chaleur, que plus on « dépense » de force, plus vite on peut faire un travail, et plus on s'échauffe. Comme l'énergie est nécessaire à toute entreprise humaine, l'approvisionnement en énergie est devenu une des préoccupations majeures des sociétés humaines. Un Grec de l'antiquité possédait en moyenne 5 esclaves. Un ménage moderne avec un compteur électrique de 6 kW possède l'équivalent énergétique de 36 esclaves.

Énergétique

Dans les sociétés industrielles, l'activité humaine passe par la fourniture d'énergie électrique produite par des matières premières, principalement charbon, gaz naturel, pétrole et uranium ; on parle alors d'énergie fossile; ces matières premières sont appelées par extension « énergies ». On parle aussi d'énergies renouvelables lorsque l'on utilise l'énergie solaire, l'énergie éolienne; l'énergie hydraulique des barrages est la plus importante des énergies renouvelables. (Voir ausi: Politique énergétique). L'énergie est un concept essentiel en physique, qui se précise depuis le . On retrouve le concept d'énergie dans toutes les branches de la physique :
- en mécanique,
- en thermodynamique,
- en électromagnétisme,
- en mécanique quantique...
- mais aussi dans les autres disciplines, en particulier en chimie.

Approche vulgarisée

Une unité « universelle »

L'énergie est un concept créé par les humains pour quantifier les interactions entre des phénomènes très différents ; c'est un peu une monnaie d'échange commune entre les phénomènes physiques. Ces échanges sont contrôlés par les lois et principes de la thermodynamique. L'unité officielle de l'énergie est le joule. Lorsqu'un phénomène entraîne un autre phénomène, l'intensité du second dépend de l'intensité du premier. Par exemple, les réactions chimiques dans les muscles d'un cycliste lui permettent de provoquer le déplacement du vélo. L'intensité de ce déplacement (c'est-à-dire la vitesse) dépend de l'intensité des réactions chimiques des muscles du cycliste, qui peuvent être quantifiées (la quantité de sucre « brûlée » par la respiration, le métabolisme du muscle). Prenons un exemple plus complexe. Un moteur à explosion fonctionne grâce à une réaction chimique : la combustion (ou « explosion ») qui à lieu à l'intérieur d'un cylindre. Cette réaction correspond à une transformation du combustible de départ (l'essence) en gaz avec émission de chaleur et de lumière, ce qui se traduit par une augmentation de la température et de la pression dans le piston; la différence de pression entre ce gaz et l'atmosphère de l'autre côté du piston déplace ce dernier, qui va, à travers une transmission mécanique, faire tourner les roues ainsi qu'un alternateur qui va produire de l'électricité. Au passage, il y aura des frottements mécaniques qui produiront un échauffement et une usure. On a donc un réarrangement des molécules (rupture et recréation de liaisons chimiques) qui provoque une augmentation de la quantité de mouvement des molécules (ce qui se traduit par une augmentation de la température du gaz et donc une augmentation de sa pression), qui lui-même provoque le mouvement d'un solide (le piston), qui va entraîner un système de transmission, et pouvoir ainsi d'une part faire tourner un axe, qui peut être par exemple relié au roues d'une voiture ou bien a un alternateur. L'entrainement de la pièce mobile de cet alternateur va faire tourner un aimant qui, par induction au sein d'une bobine, va provoquer un déplacement d'électrons (courant électrique). Le concept d'énergie va permettre de calculer l'intensité des différents phénomènes (par exemple la vitesse de la voiture et la quantité d'électricité produite par l'alternateur) en fonction de l'intensité du phénomène initial (la quantité de gaz et la chaleur produite par la réaction chimique de combustion). ; Remarques
- Dans les applications grand public, et notamment dans le domaine de la nutrition, on exprime fréquemment l'énergie en calories ; la calorie est en toute rigueur l'énergie qu'il faut fournir pour faire chauffer un gramme d'eau de un degré Celsius, mais les nutritionnistes nomment par simplification « calorie » ce que les physiciens nomment « kilocalorie ».
- En électricité, on utilise le watt-heure (Wh), énergie consommée pendant une heure par un appareil ayant une puissance d'un watt, ou encore son multiple le kilowattheure (kWh) qui vaut 1 000 Wh. Celui-ci n'est pas très éloigné du travail que peut effectuer un cheval en une heure (736 Wh par convention) excepté en termes de coût, car il revient en France en 2005 à 7 centimes d'euro.
- Pour des raisons thermodynamiques (second principe), toute transformation énergétique réelle est irréversible, ce qui veut dire qu'en inversant l'opération (exemple : retransformer en mouvement via un moteur électrique l'énergie produite par la dynamo d'un vélo) on ne retrouve pas la quantité l'énergie consommée au départ. Cela est lié aux pertes.

L'énergie et la révolution industrielle

Le concept d'énergie est fondamental pour l'étude des phénomènes de transformation (comme la chimie et la métallurgie) et de transmission mécanique, qui sont la base de la Révolution industrielle. Le concept physique d'énergie est donc logiquement né au . En 1686, Leibniz montre que la quantité m·v, appelée « force vive », se conserve. En 1788, Lagrange montre l'invariance de la somme de deux quantités, que l'on appelllera plus tard « énergie cinétique » et « énergie potentielle ». Au , on parvient par une série d'expériences à mettre en évidence des constats ou lois :
- on constate que la chute d'un poids donné d'une même hauteur produit toujours le même échauffement (calorimétrie) ;
- et si la vitesse finale n'est pas nulle, la hausse de température est moindre, comme si seulement une partie de la chute était convertie en vitesse et le reste en chaleur ;
- de même un échauffement pourra produire une dilatation, une augmentation de pression, qui elle-même permettra de « travailler » par exemple en déplaçant une masse ; et le total est toujours conservé : ainsi naît le concept scientifique d'énergie, « chose » encore indéterminée mais dont on postule une propriété : : L'énergie se conserve dans tous les phénomènes, devenant tour à tour, chaleur, pression, vitesse, hauteur, etc. Ainsi, grâce à l'énergie, on peut mettre en relation des observations aussi différentes qu'un mouvement, une rotation, une température, la couleur d'un corps ou d'une lumière, une consommation de sucre ou de charbon, une usure, etc. Il apparaît également que si l'énergie se conserve et se transforme, certaines transformations sont faciles ou réversibles et d'autres non. Exemple : Il est facile de transformer de la hauteur de chute en échauffement, et on peut le faire intégralement, en revanche l'inverse est difficile (il faut des appareils complexes) et une partie de l'« énergie » devra être diffusée et donc perdue. Cette observation sera à la base de l'idée d'entropie. À partir du concept de conservation de l'énergie (en quantité), on pourra regarder d'un œil différent des systèmes complexes (notamment biologiques et chimiques) qui violent apparemment cette loi, et on parviendra, moyennant de nouveaux progrès scientifiques, à toujours valider le postulat ou principe de conservation de l'énergie.

Énergie et ésotérisme

Cependant, cette notion de « quelque chose » est assez floue et assez bien illustré par la boutade : :principe -1 de la thermodynamique : l'énergie existe, la preuve, c'est qu'on la paie (référence aux principes de la thermodynamique). Cette notion floue a laissé l'image dans de nombreux esprit d'une sorte de fluide qui passerait d'un objet à l'autre au cours des transformations, réminescence du concept de phlogistique (un « fluide immatériel » censé véhiculer la chaleur). Faute d'un vocabulaire plus approprié, le terme « énergie » revient fréquemment dans les discours pseudo-scientifiques. La confusion est en partie entretenue par des simplifications de langage, où par commodité on énonce parfois que
- une onde est un transport d'énergie sans transport de matière
—ou bien —
- la masse est une forme d'énergie :

E = mc^2

alors que des formulation exactes (mais parfois plus longues) seraient :
- une onde propage une perturbation sans transport de matière
— et —
- de la masse peut se transformer en énergie électromagnétique et vice versa , les intensité des phénomènes (perturbation et masse) pouvant s'exprimer sous la forme d'une énergie. ; Notes
- L'inadéquation de ce concept a été montrée par des machines à frottement, montrant qu'on pouvait tirer de la matière autant de phlogistique qu'on le désirait sans qu'elle se modifie en quoi que ce soit
- Sachant que la relation E=mc² est vraie pour les seules particules dotées de masse au repos, et non pour les photons (voir à leur sujet : Impulsion)

Énergie en sciences physiques

En physique, l'énergie est donc une manière d'exprimer l'intensité des phénomènes ; c'est de fait une quantité mesurable, et qui s'exprime de manière différente selon les transformations que subit un système (réaction chimique, choc, mouvement, réaction nucléaire etc.). L'énergie se définissant de manière différente selon les phénomènes, on peut de fait définir diverses « formes d'énergie » (voir plus loin). Par ailleurs, d'après la loi de causalité, un phénomène a une cause ; c'est la variaiton d'intensité du phénomène-cause qui provoque la variation de l'intensité du phénomène-effet. Si les intensités des phénomènes cause et effet sont exprimée sous la forme d'une énergie, on voit alors que l'énergie se conserve (voir ci-après). L'unité du système international pour mesurer l'énergie est le joule (J). Certaines activités utilisent d'autres unités, notamment l'électron-volt (1 eV = 1,602·10^-19 J), le kilowatt-heure (1 kWh = 3,6 MJ), la calorie (4,18 J), la Calorie (alimentaire : 4 180 J ; notez le C capitale), et le kilogramme en physique relativiste. La thermodynamique est la discipline qui étudie les transformations de l'énergie qui font intervenir l'énergie thermique. Le premier principe affirme que l'énergie se conserve, le second principe impose des limitations à la transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique, électrique ou autre.

Energie, puissance et force

Le mot « énergie » provient du mot grec signifiant « travail ». Mais le mot « travail » est aussi utilisé en physique pour désigner l'énergie fournie par l'action d'une force. En physique, force et énergie sont deux manières différentes de modéliser les phénomènes. Par exemple, on pourra traiter la chute d'un objet soit:
- avec les forces : en appliquant les lois du mouvement de Newton, en écrivant que l'accélération est proportionnelle à la force et inversement proportionnelle à la masse ;
- ou avec les énergies : en formulant que la diminution de l'énergie potentielle de gravité est égale à l'augmentation de l'énergie cinétique. Le travail désigne donc l'énergie d'un phénomène qui peut aussi être modélisé par une force, c'est-à-dire un phénomène qui provoque une action dirigée dans une direction. Cependant, certains phénomènes ont une action désordonnée, chaotique ; par exemple, l'agitation des molécules d'un gaz au repos (sans vent), ou bien l'agitation des atomes d'un solide. Cette agitation désordonnée provoque la sensation de « chaud », et elle est mesurée par un paramètre appelé température. L'énergie liée à cette agitation désordonnée est appelée énergie thermique.

Rendement

L'énergie « libérée » par un phénomène se disperse entre plusieurs autres phénomènes. Ainsi, dans une flamme (réaction chimique), une partie de l'énergie dégagée devient chaleur, une autre lumière, une autre fraction est stockée dans des molécules complexes, etc. Le rendement, c'est le quotient entre l'énergie qui prend la forme qui nous intéresse et l'énergie dépensée. Par exemple, dans le cas d'un moteur, ce qui nous intéresse, c'est le mouvement mécanique produit. Le reste de l'énergie est au mieux considéré comme perdu (cas de ce qui part en chaleur dans les gaz d'échappement), au pire nuisible (cas de ce qui part en travail d'usure physique ou chimique du moteur). Un moteur idéal, qui convertirait toute l'énergie de combustion de l'essence en mouvement mécanique du véhicule, aurait un rendement de 1 (ou de 100 %). Le rendement réel est bien sûr toujours inférieur à 1. Dans certain cas, il peut apparaître un rendement « apparent » supérieur à 1 :
- une pompe à chaleur donne couramment 3 fois plus de chaleur qu'on lui a injecté d'énergie électrique. Cela n'est possible que parce que l'on a compté en sortie la chaleur pompée à l'extérieur. Dans ce cas, le rendement énergétique est égal à 1 (par définition, puisque l'énergie se conserve) ce qui fait que ce paramètre de rendement n'a aucune utilité pratique, et qu'il vaut mieux utiliser le rendement apparent. Un autre cas de rendement apparent supérieur à 1 provient d'une sous-estimation de l'énergie injectée. Ainsi, pour les chaudières on prend traditionnellement comme référence l'énergie « PCI » du combustible, qui suppose une combustion ne produisant que des gaz. Les chaudières à condensation, capables de récupérer l'énergie thermique de la transformation de la vapeur d'eau en liquide, ont pu ainsi afficher des rendements supérieurs à 1.

Loi de conservation

L'énergie est une quantité qui se conserve. La notion de conservation est relativement simple à comprendre. Si on met dans un volume quelque chose et que l'on ferme bien la boîte, l'on s'attend à y retrouver, lorsqu’on l’ouvrera ultérieurement, ce qu'on y a mis. Ceci en physique s'appelle un principe de conservation ; la boîte est l'ensemble des phénomènes considérés. Si on ne retrouve pas tout, c'est que une partie a pu sortir sous une forme ou une autre ou même que ce qui manque (ou est en plus) a changé de forme et qu’on ne s'en est pas rendu compte. On a en fait « oublié de mettre un élément dans la boîte », on a négligé d'inclure un phénomène dans le système. Ce principe est tellement fort en physique qu’à chaque fois qu'il a parut ne pas être vérifié cela a conduit à des découvertes importantes. Chaque fois qu'il a semblé que l'énergie n'était pas conservée, il s'agissait en fait de sa transformation en une nouvelle forme. Par exemple, la radioactivité a un temps été interprétée comme la ré-émission de quelque chose qui était reçu de l'extérieur et l'explication est venue de l'équivalence masse énergie. L'énergie dans un volume est donc d'office conservée, par principe, et si elle diminue dans le volume, c'est que une partie en est sortie... ou qu'elle s'est transformée en quelque chose qu'il nous faut identifier : chaleur, masse, rayonnement etc. La perte d'énergie, même minime, est fréquemment due à sa transformation en énergie thermique. On est tenté d'écrire : : « L'énergie se transforme d'une forme en une autre, mais ne disparaît jamais. » La formulation exacte serait : : « Lorsque l'intensité d'un phénomène varie, cela ne peut se faire que par la variation d'un autre phénomène ; la somme des énergies représentant l'intensité de ces phénomènes est une constante. » Dans les processus radioactifs, le mouvement de la particule éjectée, ou l'impulsion du photon créé, provient de la disparition de la masse ; on écrit souvent par un raccourci que « l'énergie de masse se transforme en énergie cinétique ». L'énergie d'une réaction chimique correspond à une variation de masse trop infime pour être mesurable, ce qui a fait croire un temps à la conservation de la masse dans les réactions chimiques. De fait, on considère toujours actuellement que la masse se concerve lors d'une réaction chimique, mais l'on sait que c'est une approximation. Un résultat majeur de la physique théorique se basant sur le formalisme lagrangien, le théorème de Noether, montre que le fait que l'énergie se conserve est équivalent à la symétrie de translation dans le temps des équations de la physique. Cette quantité est composée d'éléments divers (énergie thermique, énergie cinétique, énergie de masse etc.), qui s'échangent dans un jeu qui est toujours à sommes nulles. Le théorème de Noether montre que cette caractéristique est équivalente à la symétrie des équations physiques par rapport à une translation dans le temps ou l'espace.

Formes d'énergie

En pratique, on distingue souvent différentes « formes » d'énergie. Toutefois, il faut être conscient que l'énergie sert à mesurer l'intensité d'un phénomène, cette division n'est qu'une manière de faire correspondre l'énergie au phénomène qu'elle mesure. Par ailleurs, cette distinction n'a rien d'absolu, mais dépend uniquement de la position de l'observateur : le principe de relativité s'applique aussi à l'énergie, de sorte que le même phénomène pourra être analysé en terme d'énergie « cinétique », « électromagnétique », ou « potentielle »... Les formes d'énergie classiquement considérées sont :
- énergie cinétique : l'énergie associée au mouvement d'un corps ou d'une particule ; cela comprend également l'énergie électromagnétique transportée par les photons (lumière, ondes radio, rayons X et γ...) ou par des particules chargées (énergie électrique).
- énergie thermique : l'énergie cinétique d'un ensemble au repos.
- On peut dire que les autres types d'énergie sont des énergies potentielles : moyennant un petit changement, possible sans travail, un système instable se transforme en un système plus stable, avec dégagement de la différence d'énergie entre les deux systèmes (le plus stable ayant une énergie moindre).
- énergie de masse ou énergie nucléaire : avec la théorie de la relativité, Einstein nous a appris que masse et énergie sont équivalentes (le fameux E= mc²). Par exemple, lors de fission nucléaire, la masse totale de matière diminue légèrement. La masse « manquante » est convertie en énergie cinétique. Dans les centrales nucléaires, cette énergie est ensuite transformée en énergie thermique et finalement en production d'électricité.
- énergie potentielle mécanique (énergie potentielle de gravité ou énergie potentielle élastique) qui forme avec l'énergie cinétique ce qu'on appelle l'énergie mécanique.
- énergie potentielle chimique
- énergie potentielle électromagnétique (énergie potentielle électrostatique ou magnétostatique ): position instable d'une ou plusieurs particule(s) chargée(s) dans un champ électromagnétique, par exemple l'énergie stockée dans un condensateur ou dans une bobine électrique.
- chaleur latente
- énergie libre Par ailleurs, on appelle improprement et par extension « énergie » des sources de puissance utilisée par l'homme, qui relève en fait de l'énergie cinétique d'un fluide particulier (air, eau) ou de particules (photons, éléments de fission ou produits de fusion nucléaire)
- énergie nucléaire
- énergie éolienne
- énergie solaire
- énergie marémotrice

Énergie et puissance

L'énergie dépensée pour créer un phénomène mesure l'ampleur du phénomène final. Cette énergie est fournie par un autre phénomène, appelé « phénomène moteur ». Certains phénomènes moteurs vont faire le travail rapidement, d'autre plus lentement ; par exemple, un manutentionnaire gringalet mettra longtemps avant de monter des parpaings un par un en haut de l'échafaudage, alors qu'un manutentionnaire musclé en portera plusieurs à la fois et sera plus rapide (en revanche, le résultat final sera exactement le même). Cette capacité à mobiliser beaucoup d'énergie en un temps donné est appelée puissance du phénomène moteur : :la puissance est l'énergie fournie par un phénomène divisée par la durée du phénomène, P = E/t. La puissance se mesure en watts (1 W = 1 J/s) Voir l'article détaillé Puissance.

Approvisionnement en énergie

Les sources d'énergies utilisées par l'homme sont :
- Les énergies d’origine fossile (gaz, pétrole, charbon) dans les voitures, les avions, les centrales thermiques...
- L'énergie d’origine nucléaire obtenue par fission nucléaire (la fusion nucléaire n'étant pas envisageable dans un avenir prévisible à court terme)
- L'énergie d’origine biomassique (biomasse sèche, biomasse humide et biocarburants)
- L'énergie d’origine hydraulique des fleuves, barrages et conduites forcées; renouvelable.
- L'énergie d’origine éolienne
- L'énergie d’origine solaire (conversion de l'énergie lumineuse en chaleur ou en électricité)
- L'énergie d’origine géothermique
- L'énergie d’origine marémotrice

Quelques chiffres intéressants

En 1960, 50% de l'électricité produite en France venait de sources renouvelables (hydroélectricité). Le doublement de la consommation était prévu tous les dix ans (loi vérifiée depuis le début du siècle), et ce bon rapport ne pouvait être maintenu, tous les sites favorables étant équipés. La relève fut assurée par le nucléaire qui fournit aujourd'hui 80% de l'électricité. La régularité du doublement en 10 ans a pris fin au moment du choc pétrolier de 1973. L'Allemagne a fait récemment grimper sa production d'électricité éolienne de 38% par an pendant deux années consécutives. Elle contribue pour 10% de ses besoins. Pour fixer les idées, les moteurs réunis de la fusée Saturne V dans les années 60 consommaient à eux seuls pendant les quelques minutes de leur combustion une énergie équivalente à un millième de ce qui était brûlé en pétrole sur la planète pendant le même temps. (source : L'économie de l'énergie, Yves Manguy, Dunod) Le prix du pétrole est en septembre 2004 voisin de 50 dollars le baril. Il reste à environ 50 dollars en mars 2005. Des experts ont fait savoir le 7 juin 2004 que ce prix ne pourrait se maintenir de façon viable et qu'à court terme une montée à 180 dollars le baril serait probable. L'augmentation des cours de 25% entre juin et septembre 2004 attire à nouveau l'attention sur leur communication de l'époque :
- [http://news.bbc.co.uk/1/hi/business/3777413.stm Quadruplement des cours à court terme signalé en juin 2004] (BBC)
- Consommation d'énergie de quelques pays industrialisés, d'après les chiffres de L'état du monde 2004, Paris, La Découverte, 2003 : on observe que les pays à climat froid (Scandinavie) et les pays immenses (États-Unis, Canada, Australie) consomment le plus d'énergie. Selon le site du CEA, un parc de 4 réacteurs à fusion du type ITER pour une fourniture en continu de 4x1500 MW (600 000 personnes) occuperait 1 km² : http://www-drfc.cea.fr/

Voir aussi

Articles connexes

- Consommation d'énergie
- Craquage de l'eau
- Énergie primaire
- Énergie renouvelable
- Énergie nucléaire
- Pic pétrolier
- Production d'électricité
- Arrêt du nucléaire

Liens externes

- [http://www.greenpeace.org/france_fr/multimedia/download/1/359529/0/Eole_ou_Pluton_VF.pdftarget= Eole ou pluton étude comparative entre le nucléaire et l'énergie éolienne] ja:エネルギー ko:에너지 ms:Tenaga simple:Energy th:พลังงาน

Physique nucléaire

ko:핵물리학 ja:原子核物理学 Catégorie:Physique nucléaire La physique nucléaire est la description et l'étude du comportement du principal constituant de l'atome : le noyau atomique.

Cohésion du noyau

A l'intérieur du noyau, les nucléons sont soumis à deux interactions différentes : l' interaction forte et l' interaction électromagnétique. Cette dernière agit à « longue » distance (cf. Loi de Coulomb,en

\frac

). Elle retient les électrons autour du noyau. Les neutrons y sont insensibles mais les protons se repoussent entre eux. C'est l'interaction forte qui maintient la cohésion des nucléons au sein du noyau. Celle-ci est plus intense que l'interaction électromagnétique mais agit à plus courte distance. Toutefois, si le nombre de protons dans le noyau est important, l'interaction électromagnétique prend le pas sur l'interaction forte et les noyaux deviennent instables. La quantité d'énergie qui assure la cohésion du noyau est appelée énergie de liaison du noyau. Les transformations du noyau libérant cette énergie sont appelées réactions nucléaires.

Réactions nucléaires

Une réaction est dite nucléaire lorsqu'il y a modification de la nature d'un ou plusieurs noyaux. Participent alors à la réaction protons et neutrons (notés respectivement ¹₁p, ¹₀n), mais également d'autres particules, tels les électrons ⁰_-1e, les positons ⁰₁e... Toutes les transformations de noyaux menant vers des noyaux moyens (vers le fer) vont permettre de libérer de l'énergie nucléaire, énergie cinétique des produits, au dépend de la masse. Les réactions nucléaires sont de type fission (un noyau lourd se brise en plusieurs) ou de type fusion (plusieurs noyaux légers fusionnent). On rencontre de nombreuses réactions nucléaires dont certaines servent déjà à la production d'énergie (la fission de l'uranium), ou sont des espoirs futurs (fusion). Les réactions de fusion ont été la source de la nucléosynthèse primordiale (de l'hydrogène vers l'hélium) puis le remplissage du tableau de Mendeliéev s'est effectué, et se continue, au sein des cœurs des étoiles. Quelques exemples de réactions nucléaires : Réaction de Rutherford : il n'y a pas conservation de la masse mais de l'énergie totale des particules. ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁p Réaction de Chadwick (1932): ⁹₄Be + ⁴₂He → ¹²₆C + ¹₀n Réaction de Joliot et Curie (1934): ν désigne l'émission d'un neutrino # ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ¹₀n # ³⁰₁₅P → ³⁰₁₄Si + ⁰₁e + ν

Voir aussi

- énergie nucléaire
- physique des particules

Physique des particules

La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de nombreuses particules élémentaires n'existent pas à l'état naturel et peuvent seulement être détectées lors de collisions à hautes énergies entre particules plus grandes dans les accélérateurs de particules.

Particules subatomiques

La recherche moderne en physique des particules est concentrée sur les particules subatomiques qui sont plus petites que des atomes. Celles-ci incluent les constituants atomiques tels que les électrons, les protons, et les neutrons (les protons et les neutrons sont réellement des particules composées, constituées de quarks), de même que les particules produites par les phénomènes de rayonnement et de dispersion, tels que les photons, les neutrinos, et les muons. À proprement parler, le terme de particule est inadéquat: les objets étudiés par la physique des particules obéissent aux principes de la mécanique quantique; en tant que telles, elles sont sujettes à la dualité onde-particule, montrant un comportement de particules dans certaines conditions expérimentales et celui d'ondes dans d'autres. Théoriquement, elles ne sont décrites ni en tant que particules, ni en tant qu'ondes, mais comme vecteurs d'état dans un espace de Hilbert (cfr. théorie quantique des champs). Selon la convention utilisée par les physiciens des particules, nous emploierons le terme particules élémentaires pour nous référer à des objets tels que des électrons et des photons, en sachant que ces particules ont aussi des propriétés d'ondes. Toutes les particules observées jusqu'à présent ont été cataloguées dans une théorie quantique des champs appelée modèle standard, qui est souvent considéré comme le plus grand accomplissement de la physiques de particules. Ce modèle contient 47 espèces des particules élémentaires, dont certaines peuvent se combiner pour former des particules composées, dont des centaines ont été découvertes depuis les années 1960. Le modèle standard s'est avéré être conforme à presque tous les tests expérimentaux effectués jusqu'ici, cependant, la plupart des physiciens des particules pensent que c'est une description incomplète de la Nature et qu'une théorie plus fondamentale attend d'être découverte. La mise en service en 2007 du grand collisionneur de protons: LHC au CERN, devrait permettre de compléter la connaissance du modèle standard de la physique des particules et peut-être de révéler des extensions à celui-ci. La physique des particules a eu un grand impact sur la philosophie des sciences. Les idées des réductionnistes qui motivèrent une grande partie du travail dans ce domaine ont été critiquées par divers philosophes et scientifiques.

Histoire de la physique des particules

L'idée que la matière se compose de particules élémentaires date au moins du La doctrine philosophique de l'atomisme a été étudiée par les philosophes grecs tels que Leucippe, Démocrite, et Épicure. Bien qu'au , Isaac Newton pensait que la matière était composée des particules, c'est John Dalton qui, en 1802, énonça formellement que tout est constitué d'atomes minuscules. En 1869, le premier tableau périodique de Dmitri Mendeleïev permit d'affermir le point de vue prévalent durant tout le que la matière a été fait d'atomes. Les travaux de Joseph John Thomson établirent que les atomes sont composés d'électrons légers et de protons massifs. Ernest Rutherford établit que les protons sont concentrés dans un noyau compact. Initialement, on pensait que le noyau était seulement constitué de protons et d'électrons confinés (afin d'expliquer la différence entre la charge et le nombre de masse), mais ultérieurement il s'avéra qu'il était constitué de protons et de neutrons. Au , les progrès de la physique nucléaire et de la physique quantique, culminant avec les preuves de la fission nucléaire et fusion nucléaire, donna naissance à une industrie capable de produire un atome à partir d'un autre, rendant même possible (mais non rentable économiquement) la transmutation de plomb en or. Tout au long des années 1950 et des années 1960, une variété ahurissante de particules a été trouvée lors d'expériences de dispersion. Ceci fut appelé le zoo de particules. Cette expression fut désapprouvée après la formulation du modèle standard dans les années 1970 car le grand nombre de particules put être expliqué comme résultant de combinaisons d'un relativement petit nombre de particules fondamentales.

Les grandes dates de la physique des particules

- 1873 : James Clerk Maxwell réalise d'importantes recherches dans trois domaines : la vision de la couleur, la théorie moléculaire et la théorie électromagnétique. Les idées soulignant les théories de Maxwell sur l'électromagnétisme décrivent la propagation des ondes lumineuses dans le vide.
- 1874 : George Stoney développe la théorie de l'électron et estime sa masse.
- 1895 : Wilhelm Röntgen découvre les rayons X.
- 1896 : Henri Becquerel découvre la radioactivité de l'uranium.
- 1898 : Marie et Pierre Curie séparent les éléments radioactifs. Joseph John Thomson découvre l'électron et crée un modèle où l'atome est décrit comme une entité de charge neutre (contenant un noyau positif avec de petits électrons négatifs).
- 1900 : Max Planck suggère que les rayonnements sont quantifiables (ils ne peuvent prendre que des valeurs qui sont des multiples d'une valeur élémentaire appelée quantum).
- 1905 : Albert Einstein, l'un des rares scientifiques qui considéra sérieusement les idées de Planck, propose un quantum de lumière (le photon) qui se comporte comme une particule. Les autres théories d'Einstein expliquent l'équivalence de la masse et de l'énergie, la dualité onde-particule des photons, le principe d'équivalence et la relativité restreinte.
- 1909 : Hans Geiger et Ernest Marsden, sous la responsabilité d'Ernest Rutherford, envoient des particules alpha sur une feuille d'or et observent de grands angles de diffusion, ce qui suggère l'existence d'un noyau positivement chargé, petit et dense à l'intérieur de l'atome.
- 1911 : Ernest Rutherford conclut à l'existence du noyau comme résultat de l'expérience de diffusion alpha réalisée par Hans Geiger et Ernest Marsden.
- 1913 : Niels Bohr construit la théorie de la structure atomique basée sur des hypothèses quantiques.
- 1919 : Ernest Rutherford prouve l'existence du proton.
- 1921 : James Chadwick et E.S. Bieler concluent qu'une force de grande intensité (dite forte) maintient le noyau uni.
- 1923 : Arthur Compton découvre la nature quantique (particulaire) des rayons X, confirmant que les photons sont des particules.
- 1924 : Louis de Broglie propose des propriétés ondulatoires pour la matière.
- 1925 : Wolfgang Pauli formule le principe d'exclusion pour les électrons à l'intérieur d'un atome. W. Bothe et H. Geiger démontrent que l'énergie et la masse sont conservées dans les processus atomiques.
- 1926 : Erwin Schrödinger développe la mécanique ondulatoire, qui décrit le comportement des systèmes quantiques pour les bosons. Max Born donne une interprétation probabiliste de la mécanique quantique. G.N. Lewis propose le nom de photon pour le quantum de lumière.
- 1927 : Découverte de la désintégration β.
- 1928 : Dirac propose son équation d’onde relativiste pour l’électron.
- 1930 : W. Pauli suggère l’existence du neutrino.
- 1930 : Particules élémentaires incluent: - électron, proton, neutron (dans le noyau), neutrino dans la désintégration β, photon, le quantum de champ électromagnétique.
- 1931 : Découverte du positron e⁺ (Anderson). Dirac réalise que le positron est aussi décrit par son équation.
- 1932 : Découverte du neutron n (James Chadwick).
- 1933/34 : Théorie de Fermi de la désintégration β (interaction faible): ex. n → p + e⁻ + ¯ν_e.
- 1935 : Hypothèse de Hideki Yukawa sur les mésons : La force nucléaire est due à l’échange de particules massives, les mésons.
- 1937 : Découverte du lepton μ (muon). Interprété initialement, à tort,comme le méson de Yukawa, le muon s’avère trop “pénétrant”.
- 1938 : Énoncé de la loi de conservation du nombre baryonique.
- 1946/47 : Découverte du méson chargé π±, le pion (Cecil Frank Powell). Le μ est produit par le processus π⁺ → μ⁺ + ν_μ.
- 1946/50 : Théorie quantique de l’électromagnétisme (QED) (Feynman, Schwinger et Tomonaga).
- 1948 : Production artificielle du π⁺.
- 1949 : Découverte du K⁺.
- 1950 : Découverte du pion neutre, π⁰ → γ + γ.
- 1951 : Découverte d’événements en « V » à Brookhaven, New York. Particules K⁰ et Λ ayant une vie moyenne « étrangement » longue et nouveau nombre quantique “l’étrangeté”.
- 1952 : Découverte du Δ (état excité du nucléon).
- 1954 : Yang et Mills proposent les théories de jauge non-abéliennes.
- 1955 : Découverte de l’antiproton ¯p (Chamberlain et Segré).
- 1956 : Lee et Yang suggèrent que la force faible peut générer une violation de P (parité).
- 1956 : Découverte de la violation de P dans les atomes de ⁶⁰Co par Wu et Amber.
- 1960/70 : Découverte de centaines de particules “élémentaires” (ρ, ω, K^∗, Δ, Ξ, ....)
- 1961 : Gell-Mann propose la voie octuple SU(3).
- 1962 : Découverte de ν_μ et ν_e.
- 1964 : Existence des quarks u, d, s proposée (Gell-mann and Zweig).
- 1964 : Le quark c est suggéré.
- 1964 : Découverte de la violation de CP dans les systèmes K⁰ − ¯K⁰ par Cronin, Fitch, Christianson et Turlay.
- 1965 : Le nombre quantique de la couleur est proposée: toutes les particules observées sont de couleur neutre.
- 1967 : Glashow-Salam-Weinberg proposent l’unification des forces électromagnétique et faible. Prédiction de l’existence du Higgs.
- 1968-69 : SLAC détecte une structure ponctuelle du nucléon.
- 1973 : QCD: la théorie des interactions fortes entre particules colorées. Prédiction de l’existence des gluons.
- 1973 : Liberté asymptotique postulée.
- 1974 : Découverte du J/ψ et du quark charmé c, à Stanford et Brookhaven, USA.
- 1976 : Découverte d’un troisième lepton chargé, le τ⁻.
- 1976 : Découverte du D⁰ et confirmation de l’existence du quark c.
- 1978 : Découverte d’un cinquième quark, le bottom b, à Fermilab, USA.
- 1979 : Découverte d’un gluon à DESY, Hambourg.
- 1983 : Découverte du Z⁰ et du W^± au CERN.
- 1990 : Mesure au LEP (CERN) impliquant que le nombre de neutrinos “légers” (m < 45 GeV) est limité à 3.
- 1995 : Découverte d’un sixième quark, le top t, à Fermilab, USA.
- 1998 : Évidence de neutrinos massifs à Super-Kamiokande, Japon.

Classement des particules subatomiques

Leptons, hadrons et quarks

Leptons

Les leptons (ainsi nommés parce que leurs masses étaient relativement petites) sont caractérisés par les propriétés suivantes: 1. Ce sont des particules qui n’interagissent pas fortement (aucune interaction forte). 2. Ils portent des charges électriques entières (multiples de la charge de l’électron). 3. Ils possèdent une charge “faible” et peuvent être regroupés en paires appelées doublets d’interaction faible. 4. Ils obéissent à la statistique de Fermi-Dirac ex. ce sont des fermions. Les trois familles ou générations de leptons connues sont:
- e νe
- μ νμ
- τ ντ

Hadrons

Les hadrons sont caractérisés par les propriétés suivantes: 1. Ce sont des particules qui interagissent fortement (soumises à l’interaction forte “résiduelle”). 2. Ils portent des charges électriques entières (multiples de la charge de l’électron). 3. Ils ont des interactions faibles. 4. Ils sont formés de quarks. Dans les faits, les hadrons ne sont pas des particules fondamentales, mais plutôt des états liés de quarks. On en observe plus de deux cents. Les hadrons peuvent eux-mêmes être classés en deux groupes: les baryons, auxquels on associe un nombre quantique (le nombre baryonique) et les mésons qui sont responsables des interactions fortes entre hadrons. Voici les hadrons les plus fréquemment observés :
- p : proton
- n : neutron
- π+, π0, π+ : pions
- ρ+, ρ0, ρ− : mésons ρ
- Λ : lambda
- K+, K0, ¯K0, K− : mésons K

Quarks

Les quarks sont les particules fondamentales qui forment la matière nucléaire. 1. Ils interagissent fortement (soumis à l’interaction forte) 2. Ils portent des charges électriques fractionnaires. 3. Ils possèdent une charge faible et forment des doublets d’interaction faible. 4. On leur associe aussi une charge colorée (couleur) et forment des triplets d’interaction forte. On compte six types ou saveurs de quarks (l’existence du quark top a été confirmée en 1995): les quarks up, down, étrange, charmé, bottom (encore appelé aussi le quark beauté pour des raisons historiques) et le quark top. Comme les leptons, ils peuvent être regroupés en doublets qui sont des copies conformes sauf pour ce qui est de leurs masses. De façon générale, on soupçonne que les familles de quarks et leptons sont reliées; il en existe trois de chaque. Pour le moment cependant, il semble que seuls des arguments de symétrie viennent appuyer cette assertion.

Bosons et Fermions

La mécanique quantique introduit la notion de moment cinétique intrinsèque d'une particule, le spin. Le spin peut prendre des valeurs qui sont des multiples de h/4π. Il détermine également le type de statistique auquel est soumise la particule.
- Bosons Les bosons sont des particules de spin entier (

0,\hbar , 2\hbar , 3\hbar ,...

), qui obéissent à la statistique de Bose-Einstein, c'est-à-dire qu'un système de deux bosons identiques, désignés par les indices 1 et 2 est décrit par une fonction d'onde qui est symétrique sous l'échange des particules :

\Psi

₁₂

\rightarrow \Psi

₂₁
- Fermions Les fermions sont des particules de spin demi-entier (

0,\hbar/2 , 3\hbar/2 , 5\hbar/2 ,...

) qui obéissent à la statistique de Fermi-Dirac, c'est-à-dire qu'un système de deux fermions identiques, désignés par les indices 1 et 2 est décrit par une fonction d'onde qui est antisymétrique sous l'échange des particules :

\Psi

₁₂

\rightarrow -\Psi

₂₁

Particules et antiparticules

La notion d'antiparticule fut proposée par Paul Dirac en 1928. Dirac interpréta certaines solution de l'équation qui porte son nom comme des antiparticules. Les solutions associées peuvent être interprétées comme des particules se propageant à rebours dans le temps ou encore comme des trous dans une mer de particules. Une antiparticule se caractérise par :
- une charge et des nombres quantiques opposés à ceux de la particule associée
- une masse et une durée de vie identiques à celles de la particule correpondante L'existence des antiparticules fut confirmée par Anderson dès 1933 par la découverte du positron (antiparticule de l'électron). Certaines particules, dont toutes les charges sont nulles, comme le photon ou le boson Z₀ sont leur propre antiparticule. Par convention, l'antiparticule est désignée par une barre supérieure.

Interactions et champs

La mécanique classique et la théorie quantique des champs ont des approches différentes lorsqu'il s'agit d'écrire les interactions.
- En mécanique classique : Un champ produit par une particule 1 à la position de la particule 2. La particule 2 interagit avec la valeur de ce champ.
- En théorie quantique des champs : L'interaction est interprétée comme un échange de quanta. L'échange obéit aux lois de conservation des nombres quantiques et de la quadri-impulsion. La quadri-impulsion obéit à l'équation d'onde dans les limites du principe d'incertitude de Heisenberg :

\Delta E . \Delta t > \hbar

\Delta x . \Delta p > \hbar

Les états transitoires sont appelés virtuels, par exemple, un photon virtuel peut avoir une quadri-impulsion telle que p² ≠ 0

Interactions électromagnétiques

Les interactions électromagnétiques se caractérisent par les propriétés suivantes :
- mettent en jeu des particules chargées
- constante de couplage

\alpha

=e/4

\pi

- temps d’interaction et/ou vie moyenne typique de ∼ 10⁻²⁰ s;
- section efficace typique de ∼ 10⁻³³ m²;
- échange de photons (γ);
- m_γ = 0, donc portée R = ∞.

Interactions faibles

Les principales manifestations des interactions faibles sont: 1. La désintégration β du neutron, ex. n → p + e− + ¯νe. 2. La capture d’antineutrinos, ex. p+ ¯νe → n + e+. 3. Les réactions hadroniques pures, ex. la désintégration des Σ, peuvent passer par le mode faible ou le mode électromagnétique mais les caractéristiques diffèrent suivant le mode de désintégration: int. faibles int. e.m. Σ− → n + π | Σ0 → Λ + γ ΔS = 1 | ΔS τ ' 10−10 s τ ' 10−19 s où ΔS est le changement du nombre quantique d’étrangeté et τ est la vie moyenne ou durée des interactions. Les interactions faibles sont alors caractérisées par les propriétés suivantes:
- mettent en jeu des neutrinos ou des quarks qui changent de saveur, c’est-à-dire des particules ayant une charge faible;
- couplage faible (entre protons): α_Fermi = G_F m² _p/4π ≈ 10⁻⁶;
- temps d’interaction et/ou vie moyenne typique de ∼ 10⁻⁸ s;
- section efficace de ∼ 10⁻⁴⁴ m²;
- échange de bosons W^± (courants chargés) et Z⁰ (courant neutre);
- m_W = 80 GeV, donc portée R = 10⁻¹⁸ m. Les interactions électromagnétiques et faibles (électrofaibles) sont unifiées dans le modèle de Glashow-Weinberg-Salam (1967). Mais à basse énergie, la symétrie est brisée et les deux forces semblent distinctes. Les interactions faibles mettent en jeu un couplage faible g_W et l’échange des bosons de jauge W^± et Z⁰. Les réactions faibles sont caractérisées par une amplitude de probabilité de la forme : Amplitude ∝ g²_W/(q² − M²_W,Z) où q² est le transfert de quadri-impulsion porté dans l’échange du quantum. Dans la limite q² → 0, la théorie de Glashow-Weinberg-Salam se ramène à la théorie des interactions faibles de Fermi (1935) où les interactions impliquant quatre particules sont ponctuelles et de force G_F , la constante de Fermi. G_F ∼= 10⁻⁵ GeV⁻². Le modèle de Glashow-Weinberg-Salam a l’avantage sur la théorie de Fermi d’être renormalisable. C’est aussi un exemple d’unification de forces (faible et e.m.).

Interactions électrofaibles

Interactions fortes

Les interactions fortes sont fréquentes dans les collisions de hadrons à haute énergie. Elles impliquent, au niveau fondamental, les interactions entre quarks et gluons. On les retrouve par exemple dans la collision K⁻ + p → Σ⁰ dont la durée est d’environ τ= 10⁻²³ s. Les interactions fortes sont caractérisées par les propriétés suivantes:
- mettent en jeu des particules portant une charge colorée (quarks et/ou gluons);
- couplage très fort: α_s ∼ 1;
- temps d’interaction et/ou vie moyenne typique de ∼ 10⁻²³ s;
- section efficace typique de ∼ 10⁻³⁰ m²;
- échange de gluons;
- confinement des quarks et gluons;
- liberté asymptotique;
- portée effective de R = 10⁻¹⁵ m en raison du confinement.

Interactions gravitationnelles

Il n’existe pas actuellement une théorie quantique gravitationnelle satisfaisante bien que la supergravité, les cordes ou les supercordes soient de bons candidats. Par contre, une théorie quantique gravitationnelle devrait posséder les caractéristiques suivantes:
- implique tout ce qui possède une énergie-masse et qui modifie la métrique (tenseur énergie- impulsion);
- couplage très faible au niveau subatomique: le couplage typique entre deux protons est α_G = G_Nm²_p /4π = 4.6 × 10⁻⁴⁰;
- le graviton, boson d’interaction de spin 2 correspond à une fluctuation quantique de la métrique
- masse nulle du graviton, la gravitation ayant une portée infinie.

Tableau Récapitulatif

Le modèle standard de la physique des particules

L'état actuel de la classification des particules élémentaires s'appelle le modèle standard. Il décrit les forces fondamentales fortes, faibles, et électromagnétiques en utilisant des bosons médiateurs connus sous le nom de boson de jauge. Les bosons de jauge sont le photon, les bosons W^-, W⁺ et Z, les gluons et le graviton. Le modèle contient également 24 particules fondamentales, qui sont les constituants de la matière : les quarks et les leptons. Il prévoit aussi l'existence d'un type de boson connu sous le nom de boson de Higgs, mais qui n'a pas encore été observé.

Principales intéractions avec la matière

Selon leur nature et leur énergie, les particules interagiront différamment avec la matière. Ces interactions sont les suivantes :

Particules chargées

Particules légères : électrons, positrons

- Bremsstrahlung (rayonnement de freinage), dominant au delà de 10 MeV
- Diffusion inélastique avec les atomes (cortège électronqiue)
- Diffusion élastique avec les noyaux
- Rayonnement Cherenkov
- Réactions nucléaires

Particules lourdes: muons, protons, alpha, pions

- Diffusion inélastique avec les atomes dominante
- Diffusion élastique avec les noyaux: peu d’énergie transférée, car particules plus légères que le noyau
- Rayonnement Cherenkov
- Réactions nucléaires
- Bremsstrahlung

Particules non chargées

Photons

Contrairement aux particules chargées qui déposent leur énergie de manière continue le long de leur trajectoire, les interactions des photons sont localisées. Lorsqu'ils traversent un milieu, les photons traversent une certaine distance sans être affectés puis déposent brutalement de l'énergie par les interactions suivantes :
- Effet photoélectrique
- Diffusion Compton
- Production de paires e+ e-
- Réactions nucléaires (faible contribution) La probabilité de produire une interaction est une fonction exponentielle de la distance parcourue. La fraction des photons qui subissent une interaction après avoir traversé une distance x est 1-e^-µx où µ est le coefficient d'absorption, exprimé en cm^-1, qui est la somme des coefficients d'absorption des différentes interactions. L'absorption peut être paramétrée plus généralement par le coefficient d'atténuation massique µ/rho; exprimé en cm²/g et qui est indépendant de la densité du matériau absorbant.

Neutrons

- Diffusion élastique
- Diffusion inélastique
- Capture nucléaire
- Réactions nucléaires (fission)

Neutrinos

- interactions électrofaibles (création de leptons)

Détecter les particules

Les détecteurs de particules sont basés sur les phénomènes de leurs interactions avec la matière, qui ont été abordés précédemment. Les principes de quelques types des détecteurs de particules couramment utilisés aujourd’hui vont être détaillés.

Les détecteurs à ionisation

Ce type de détecteur mesure la charge déposée par une particule chargée traversant un milieu ionisable, qui peut être un gaz, un liquide, voire un solide, chacun ayant ses avantages et ses applications. Une particule chargée suffisamment énergétique est capable d'arracher les électrons des atomes du milieu traversé, c'est le processus d'ionisation. Le nombre moyen de paires d’électrons et d'ions primaires ainsi créées par le passage d’une particule chargée est donné par la formule de Bethe-Bloch: N = -d.dE/dx / W où d est l’épaisseur du détecteur, et W l’énergie moyenne nécessaire pour créer une paire. Dans les gaz W est de l'ordre de 30