21 – Les particules de la matière 2

abondance des éléments

L'image ci-dessus représente l'abondance de quelques éléments présents dans l'Univers (les plus nombreux) et ici, plus précisément dans le système solaire. Vous pouvez constater que l'hydrogène (H) est nettement le plus abondant ainsi que l'hélium (He). Le lithium est une exception : il y en a peu. C, le carbone, N l'azote (N car en anglais l'azote s'appelle Nitrogen) et O l'oxygène sont également très nombreux. Un peu plus loin, le fer (Fe) montre également un pic. (le Z - en abscisse - représente le nombre atomique, c'est à dire le nombre de protons, ou le nombre d'électrons puisqu'il y a autant de protons qu'il y a d'électrons dans l'atome, et le n - en ordonnée - représente le nombre relatif des atomes les uns par rapport aux autres).

L'hydrogène et l'hélium composent respectivement environ 92 % et 7 % de toute la matière de l'Univers, le reste étant représentés par tous les autres atomes !

Notre corps est composé à 99 % de CHON : Carbone, Hydrogène, Oxygène, Azote.

Revenons à nos particules et plus précisément aux électrons. Des électrons il y en a partout. La lumière aussi est partout. La lumière est "portée" par les photons. Il arrive parfois qu'un photon heurte un électron, et là il peut se passer une chose extraordinaire. Je vous ai dit dans la note précédente que les orbitales étaient à des distances précises les unes des autres. Donc pour sauter d'une orbitale à une autre il faut que l'électron acquière juste la quantité d'énergie nécessaire, pas plus, pas moins.

 

les niveaux d'énergie de la lumière

Selon sa couleur un photon possède une certaine quantité d'énergie (voir l'image ci-dessus et ma note 17 – Explosion d'intelligence 2). Si le photon a la couleur qui correspond précisément à l'énergie nécessaire à l'électron pour qu'il passe d'une orbitale à une orbitale supérieure, le photon est avalé. Il disparaît. À ce moment, l'électron devient excité et conformément à ce qui a été dit plus haut, l'électron "saute" sur une orbitale supérieure, mais en fait un électron n'aime pas rester loin de son noyau, aussi dès qu'il le peut il va chercher à redescendre sur son orbitale inférieure. Pour cela il va émettre un photon possédant l'énergie correspondante, c'est à dire la bonne couleur.

D'un autre côté je vous ai dit que la mécanique quantique s'exprimait surtout à travers le formalisme mathématique. Or dans ses équations Paul Dirac trouvait, en 1928, qu'il devait y avoir des électrons avec une charge positive ! Et en 1932 un physicien américain, Carl Anderson, découvrit effectivement un électron avec une charge positive, qu'on appela "positon" (ou positron), ce qui lui valut le prix Nobel de physique en 1932, et le prix Nobel à Paul Dirac en 1933. Mieux même, on découvrit qu'à chaque particule élémentaire existait une "antiparticule". Le positon pour l'électron, l'antiproton pour le proton, l'antineutron pour le neutron et … le photon pour le photon. Oui, oui, je ne me suis pas trompé, le photon est sa propre antiparticule. Chaque antiparticule possède exactement les mêmes caractéristiques que sa particule mais avec une charge électrique opposée, or comme le photon a une charge électrique nulle, il est sa propre antiparticule. Le neutron, qui a aussi une charge électrique nulle est un cas particulier car il a bien une antiparticule qui est l'antineutron. C'est lié aux particules élémentaires, les quarks, qui le forment. Le neutron est composé de trois quarks alors que l'antineutron est composé de trois antiquarks.

image tirée du site du CERN

Le CERN (Conseil Européen de Recherche Nucléaire, devenu Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire), à Genève, prépare plusieurs expériences pour étudier l'antimatière. L'une d'entre elles, l'expérience GBAR, cherchera à vérifier s'il existe une antigravité, ce qui serait contraire à la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui dit que toute les particules, quelles qu'elles soient, obéissent à la gravité.

Plus précisément, après avoir fabriqué un atome d'antihydrogène, ils le soumettront à la seule gravité ce qui le fera tomber, mais tombera-t-il normalement vers le bas car soumis à la gravité, ou bien sera-t-il soumis à l'antigravité et tombera-t-il vers le haut ? À suivre …

atome d'hydrogène et atome d'antihydrogène

Alors pourquoi ne voit-on pas les antiparticules ? Pour une raison simple ; dès qu'une antiparticule rencontre sa particule, pouf, elles disparaissent toutes les deux en émettant de l'énergie, ce qui donne naissance à une paire de photons ! Et si la paire de photons passe à proximité d'un noyau atomique, la paire de photons, si elle a la bonne quantité d'énergie, se transforme à nouveau en une paire électron-positon ! On voit donc qu'un photon – de l'énergie – peut devenir un électron – de la matière – et inversement qu'un électron peut devenir un photon, selon la célèbre formule d'Einstein E = Mc² !

 

Avant d'aller plus loin, il va falloir aborder un sujet délicat, qui dépasse notre imagination. En effet ces échanges et ces transformations ne sont possibles que grâce à des particules "virtuelles", virtuelles car éphémères et qui circulent dans le vide … qui n'est donc pas vraiment vide !

C'est ce que nous verrons plus précisément la prochaine fois.

 

Note : la prochaine fois ne sera que dans deux semaines ; en effet suite à quelques soucis et à un emploi du temps particulièrement chargé en ce moment, pendant quelques temps je ne publierai une note qu'une semaine sur deux. Bien sûr vous en serez informé(e)s comme d'habitude par la newsletter.

 

À bientôt.