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

20 – Les particules de la matière - 1

L'image ci-dessus représente différentes images d'un électron en trois dimensions.

Aujourd'hui nous allons explorer la matière et voir quelles sont ces particules-ondes (ces "ondicules") qui la composent et voir un peu plus comment elles se comportent.

La matière, toute la matière quelle qu'elle soit : roches, plantes, animaux dont nous-mêmes, est composée de ces seules particules-ondes. Seule leurs nombres, leurs liaisons et leurs agencements diffèrent.

Si nous prenons un minuscule morceau de matière, nous allons obtenir un atome. Atome vient d'un mot grec qui signifie "que l'on ne peut pas couper". Bien sûr les philosophes grecs de l'antiquité qui pensaient que la matière était constituée de minuscules parties que l'on ne pouvait pas diviser, les atomes, ne connaissaient pas l'atome de la même façon que nous mais imaginer cela était particulièrement remarquable.

Nous avons donc un atome mais nous savons depuis un peu plus d'un siècle, que l'atome n'est pas la partie la plus petite de la matière.

Un atome est composé d'un ou plusieurs électrons et d'un noyau. Étant donné le comportement de l'électron – qui est une onde-particule (et pas seulement l'électron, toutes les particules élémentaires) – seul une séquence filmée pourrait vous donner une idée de ce qu'est un atome. La moins mauvaise représentation par une image est figurée ci-dessous. L'image ci-dessous représente un atome d'hydrogène qui ne comporte qu'un seul électron autour de son noyau, dont on ne sait pas quelle est sa position.

un nuage flou de l'électron tournant autour du noyau

 

19 – Singularités de l'extrêmement petit

L'image ci-dessus représente une, et une seule, particule élémentaire qui va franchir un obstacle comportant deux fentes.

Je vais vous raconter quelques-unes des bizarreries du monde de l'extrêmement petit. Ne cherchez pas à comprendre mais, comme au spectacle étonnez-vous. Sachez quand même que ces bizarreries sont à la base de toute la matière, roches, plantes, animaux dont nous-mêmes. Sachez encore que l'utilisation de ces bizarreries est à la base des instruments les plus étonnants et les plus performants de notre époque.

Je ne vous les expliquerai pas, même un petit peu, il faudrait que je vous donne des précisions plutôt complexes et qui resteraient insuffisantes. D'ailleurs Richard Feynman (1918 – 1988), l'un des plus grands physiciens de la seconde moitié du 20ème siècle, prix Nobel 1965, et un grand pédagogue, avait l'habitude de dire à la fin de son cours sur la mécanique quantique : "Si vous m'avez compris, c'est que je n'ai pas été clair !"

Richard Feynman

 

17 – Explosion d'intelligence 2

L'image ci-dessus représente le spectre total de la lumière. Vous pouvez constater que la lumière qui est visible par nos yeux n'est qu'une toute petite partie de la lumière.

Vous lisez cette note confortablement installé(e), du moins je vous le souhaite. À côté de vous peut-être un feutre rouge, un crayon papier jaune ou vert ou bien un calepin bleu. Pourquoi, me direz-vous, cette liste d'objets colorés ? Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi nous voyons des couleurs et pas tout en blanc, puisque la lumière est blanche ? Qu'est-ce qui fait le rouge, le bleu ou bien une autre couleur ?

Depuis Maxwell on sait que la couleur correspond à la fréquence à laquelle la lumière est émise. Donc les substances n'émettent la lumière qu'à certaines fréquences. L'ensemble des fréquences qui caractérisent une substance s'appelle le "spectre" (non, ce n'est pas un fantôme !).

Un spectre est un ensemble de petites lignes colorées (voir l'image ci-dessous).

On connaissait les spectres de nombreuses substances, mais pourquoi telle substance avait-elle tel spectre et pas un autre ? Au début du 20ème siècle on ne le sait pas. Sans entrer dans les détails, sachez que c'est en rapport avec les atomes.

 

16 – Explosion d'intelligence 1

L'image ci-dessus représente les savants Maxwell, Thomson et Planck.

Avant de plonger vers le monde du tout petit, de l’extrêmement petit, je voudrais vous présenter quelques-unes des personnes qui ont fait la physique que nous utilisons aujourd'hui et grâce auxquelles nous comprenons le monde comme nous le comprenons et qui sont à l'origine de beaucoup d'outils que nous utilisons.

A la fin du 19ème siècle, toutes les sciences bougent. Les idées évoluent rapidement et les instruments également. De nombreux scientifiques mériteraient d'être cités. Le savant anglais Maxwell a unifié l'étude de l'électricité et du magnétisme en élaborant la théorie de l'électromagnétisme. L'électron a été découvert en 1897 par Thomson, mais beaucoup de scientifiques ne croient pas vraiment à l'existence de l'atome. Les physiciens savent que la lumière est une onde et beaucoup pensent que, comme toute onde, elle se déplace dans un milieu, l'éther. Par contre on sait que la vitesse de la lumière est la même quelle que soit sa direction. Le physicien allemand Max Planck introduit dans ses calculs l'idée que l'énergie est transmise par paquets, qu'on appellera des "quanta".

Beaucoup d'autres domaines évoluent également (mathématiques, chimie, médecine, radioactivité).

La toute fin du 19ème siècle et surtout le tout début du 20ème voient une véritable explosion d'intelligences supérieures.