Vulgarisation scientifique - Les atomes et particules

Pour comprendre l'Univers, il est impératif de comprendre ce qui le compose. En effet, depuis des milliers d'années, les scientifiques cherchent des réponses aux grandes Questions, comme de quoi est fait le monde ?

Les atomes et les particules subatomiques représentent toute la matière de l'Univers. En effet, la matière résulte de l'interaction, de l'association, de particules, d'atomes, puis de molécules. Nous sommes nous-mêmes un assemblage unique d'atomes.

Les atomes :

Nous vivons dans un univers avec des dimensions extravagantes, ici nous allons aborder ce qui le constitue, ce que nous ne pouvons même pas voir au microscope, l'infiniment petit : les atomes et particules subatomiques. La matière est composée de molécules, elles-mêmes composées d'atomes, puis eux-mêmes composés de particules plus petites, appelées particules subatomiques : des particules plus petites que les atomes et composant la matière. Dans un atome, on retrouve les particules suivantes : le neutron (de charge électrique neutre) et le proton (de charge électrique positive), qui représentent le noyau des atomes, et l'électron (de charge électrique négative) tournant autour du noyau. Les protons et neutrons ne sont pas que des particules subatomiques mais aussi des "particules composites", c’est-à-dire, des particules qui sont composées de particules encore plus petite, en l’occurrence, les quarks : le neutron est composé de 2 quarks down et d'1 quark up, associés à des gluons, le proton lui, est composé de 2 quarks up et d'1 quark down, eux aussi associés à des gluons. Si vous avez du mal à vous en souvenir, il existe un moyen très simple : le neutron a pour première lettre "n", quarks down a pour dernière lettre "n", donc 2 quarks down car 2 "n", pareil pour les protons : le proton a pour première lettre "p", quarks up a pour dernière lettre "p", donc 2 quarks up car 2 "p". Les quarks up et down, ainsi que l’électron, sont des particules élémentaires, c’est-à-dire qu’elles ne sont composées de rien de plus petit, contrairement aux protons et aux neutrons.

L'image ci-dessous est la représentation conventionnelle de l'atome, mais les atomes ne ressemblent pas à ça dans la réalité, et n'ont bien sûr pas de couleurs.

Représentation conventionnelle d'un atome

La masse des atomes :

Évidemment, chaque atome ou particule possède une masse, les scientifiques utilisent le nombre de masse A et le numéro atomique Z, A correspond au nombre de nucléons d’un atome, c’est-à-dire la somme des protons et des neutrons. Le numéro atomique Z correspond au nombre de charges positives dans un atome, on parle donc du nombre de protons (le neutron a une charge électrique neutre). On peut déduire facilement le nombre d'électrons dans un atome grâce à son numéro atomique Z car il doit toujours y avoir le même nombre de protons et d'électrons, si ce n'est pas le cas, on parle alors d'ions car l'atome en question est chargé électriquement. Pour déduire le nombre de neutrons, on fait la soustraction A - Z.

L’atome le plus léger de l’Univers est l'hydrogène, qui ne possède qu’un proton et un électron, avec un numéro atomique Z de 1 et un nombre de masse A de 1 aussi. Chaque atome est classé dans le tableau périodique des éléments. Le photon, la particule élémentaire qui compose la lumière, ne possède pas de masse, elle peut donc voyager à une vitesse incroyable de 300 000 km/s (la vitesse de la lumière). Les particules obtiennent leur masse grâce aux bosons de Higgs, du champ de Higgs, qui est un champ qui remplit l’Univers en donnant de la masse aux particules.

Lorsque plusieurs atomes se lient, les molécules :

Pour que plusieurs atomes s’associent afin de former une molécule, il doit y avoir une source d’énergie capable d’éjecter un électron hors de l’attraction électrostatique de son noyau (les nucléons), jusqu’à ce qu’un autre atome le choppe. Tout atome a une charge électrique neutre de base car si la totalité des charges électriques positives est égale à la totalité des charges négatives dans un atome, l'atome en question n'est donc pas chargé électriquement et n’est pas affecté par la répulsion électrostatique, mais quand deux atomes de charges électriques différentes sont proches l’un de l’autre, ils s’attirent et s’associent, on obtient une molécule avec liaison ionique, l’autre liaison qui existe est la liaison covalente, plusieurs atomes se partagent mutuellement des électrons.

Classification :

Les atomes et les particules sont classés. Commençons par les fermions : toutes les particules de matière sont des fermions, comme les neutrons, les protons,… avec un spin demi-entier (le spin en physique quantique est une des propriétés internes des particules, au même titre que la masse ou la charge électrique,…), ensuite on a les bosons, qui regroupent les particules d’interactions : les photons, les gluons, les bosons W et Z, et les bosons de Higgs.

Bosons et fermions (liste non-exhaustive)

- Les différentes "saveurs" des quarks (fermions) et leur antiparticule respective :

- Les leptons (fermions), avec leur antiparticule :

- Les bosons (= bosons de jauge) :