La plupart des gens, lorsqu'ils imaginent un atome, imaginent un petit noyau, composé de protons et de neutrons, autour duquel se déplacent un ou plusieurs électrons. Cette vision est basée sur une interprétation de la mécanique quantique basée sur les particules. Mais il ne suffit pas de décrire les atomes dans des conditions standard.
Si vous voulez révéler les secrets de l'univers, il vous suffit de l'interroger jusqu'à ce qu'il donne des réponses sous une forme dans laquelle vous pouvez les comprendre. Lorsque deux quanta d'énergie interagissent - qu'il s'agisse de particules ou d'antiparticules, massives ou sans masse, de fermions ou de bosons - son résultat, en principe, peut vous renseigner sur les règles et les lois auxquelles ce système obéit. Si nous connaissons toutes les variantes possibles des résultats de toute interaction, y compris leurs probabilités relatives, alors seulement pouvons-nous dire que nous comprenons ce qui se passe.
Étonnamment, tout ce que nous savons de l'univers peut être lié d'une manière ou d'une autre à l'entité la plus humble que nous connaissons: l'atome. Un atome est la plus petite unité de matière qui conserve encore les caractéristiques uniques du monde macroscopique, telles que les propriétés physiques et chimiques. Et en même temps, c'est fondamentalement une entité quantique, avec ses niveaux d'énergie, ses propriétés et ses lois de conservation. De plus, cet atome banal est associé aux quatre interactions fondamentales connues. Dans un seul atome, vous pouvez en fait voir toute la physique. Et voici ce qu'elle peut nous dire sur l'univers.
Des échelles macroscopiques aux échelles subatomiques, la taille des particules fondamentales joue un petit rôle dans la détermination de la taille des structures composites. On ne sait pas encore si ces blocs de construction sont vraiment des particules fondamentales et ponctuelles, mais nous comprenons comment l'univers fonctionne de grandes échelles cosmiques à de petites échelles subatomiques. Le corps humain contient environ 10 28 atomes.
Ici sur Terre, il y a environ 90 éléments qui sont apparus naturellement - à la suite du cours des processus cosmiques qui les ont créés. Essentiellement, un élément est un atome dont le noyau est composé de protons, (et éventuellement) de neutrons. Il y a plusieurs électrons autour du noyau, dont le nombre est égal au nombre de protons. Chaque élément possède son propre ensemble de propriétés, notamment:
- dureté,
- Couleur,
- point de fusion et d'ébullition,
- densité (quantité de masse par volume),
- conductivité (la facilité avec laquelle les électrons se déplacent lorsqu'une tension électrique est appliquée)
- électronégativité (à quel point un noyau atomique tient fermement les électrons lorsqu'il est lié à d'autres atomes),
- l'énergie d'ionisation (combien d'énergie est nécessaire pour assommer un électron),
ainsi que bien d'autres. Fait intéressant, le type d'atome (et, par conséquent, toutes ses propriétés) est déterminé par une seule quantité: le nombre de protons dans le noyau.
La variété des atomes et les règles quantiques régissant les électrons se déplaçant en orbite autour des noyaux - des particules identiques - permettent sans exagération de dire que tout sous le Soleil est constitué d'atomes - sous une forme ou une autre.
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Chaque atome avec un ensemble unique de protons dans le noyau forme des liaisons uniques avec d'autres atomes, il peut donc y avoir un nombre presque infini de types de molécules, d'ions, de sels et de structures plus grandes. Les particules subatomiques agissent les unes sur les autres principalement à l'aide de forces électromagnétiques. En conséquence, au fil du temps, des structures macroscopiques se forment, que nous observons non seulement sur Terre, mais dans tout l'univers.
La propriété commune de tous les atomes est leur masse. Et plus il y a de protons et de neutrons dans le noyau, plus la masse de l'atome est grande. Et bien que ce soient des entités quantiques et que le diamètre d'un atome ne dépasse pas un angström, le champ d'action de la gravité n'est limité par rien. Tout objet avec de l'énergie - y compris l'énergie de repos qui donne la masse des particules - déformera le tissu de l' espace - temps selon la théorie de la relativité générale d'Einstein. Quelle que soit la taille de la masse, quelle que soit la distance, la courbure de l'espace-temps causée par un nombre quelconque d'atomes - que ce soit 10 57 atomes dans une étoile, 10 28 atomes dans un corps humain ou un atome d'hélium - se produira exactement conformément à la relativité générale.
L'apparition de masse dans un réseau tridimensionnel vide fait plier ses lignes d'une certaine manière. Ils semblent étirés vers la masse. La courbure de l'espace due à l'effet gravitationnel de la Terre est l'un des moyens de visualiser la gravité et la différence fondamentale entre la relativité générale et restreinte.
Il existe également des particules chargées électriquement dans les atomes. Les protons ont une charge électrique positive; les neutrons sont neutres; la charge des électrons est de grandeur égale et de signe opposé à la charge de protons. Tous les protons avec des neutrons sont liés dans un noyau atomique d'un diamètre de seulement 10-15m (femtomètre), et les électrons sont dans un nuage 100 000 fois plus grand. Chaque électron est à son propre niveau d'énergie unique et ne peut se déplacer de niveau en niveau qu'avec un changement discret d'énergie.
Ceci est remarquable pour deux raisons. Premièrement, lorsqu'un atome s'approche d'un autre (ou d'un groupe d'atomes), ils peuvent interagir. Au niveau quantique, leurs fonctions d'onde peuvent se chevaucher et les atomes se lient pour former des molécules, des ions et des sels. Ces structures connectées ont leurs propres formes et configurations uniques de nuages d'électrons. En conséquence, ils ont leurs propres niveaux d'énergie uniques, n'absorbant et n'émettant des photons qu'à certaines longueurs d'onde.
Les transitions électroniques atomiques dans l'atome d'hydrogène et les longueurs d'onde des photons résultants démontrent l'énergie de liaison et la relation entre un électron et un proton en physique quantique.
Ces transitions électroniques dans un atome ou un groupe d'atomes sont uniques: elles sont différentes pour chaque atome ou configuration d'un groupe d'atomes. En détectant les raies spectrales d'un atome ou d'une molécule - peu importe qu'il s'agisse d'absorption ou d'émission - vous pouvez immédiatement dire de quel type d'atome ou de molécule il s'agit. Les transitions électroniques internes sont cohérentes avec un ensemble unique de niveaux d'énergie, et les transitions d'électrons indiquent sans ambiguïté le type et la configuration de l'atome / des atomes.
Dans tout l'univers, les atomes et les molécules obéissent aux mêmes règles: les lois de l'électrodynamique classique et quantique, qui régissent toutes les particules chargées. Même à l'intérieur du noyau atomique lui-même, constitué de quarks et de gluons chargés sans charge électrique, les connexions électromagnétiques jouent un rôle essentiel. Cette structure interne explique pourquoi le moment magnétique d'un proton est presque trois fois plus fort que le moment magnétique d'un électron (et a le signe opposé), alors qu'un neutron a un moment magnétique qui est presque deux fois celui d'un électron et a le même signe.
Le niveau d'énergie le plus bas de l'hydrogène (1S) en haut à gauche a un nuage d'électrons probabiliste très dense. À des niveaux d'énergie plus élevés, les nuages sont similaires, mais ont une structure plus complexe. Pour le premier état excité, il existe deux configurations indépendantes: 2S et 2P, qui, du fait d'un effet presque imperceptible, produisent des niveaux d'énergie différents.
Bien que l'interaction électrique fonctionne sur des distances assez grandes - en fait, comme la gravité, elle n'a pas non plus de limites - la neutralité électrique de l'atome dans son ensemble joue un rôle incroyablement important dans la compréhension du comportement de l'univers entier. L'interaction électromagnétique est incroyablement forte - deux protons sont repoussés avec une force 10 36 fois supérieure à leur attraction gravitationnelle!
Mais comme les objets macroscopiques auxquels nous sommes habitués consistent en autant d'atomes, et comme les atomes eux-mêmes sont électriquement neutres, nous ne remarquons quelque chose que si:
- l'objet a une charge électrique, comme un électroscope chargé,
- lorsque la charge circule d'un endroit à l'autre, comme lors d'un coup de foudre,
- lorsque les charges se séparent, créant un potentiel électrique, comme dans une batterie.
L'un des exemples les plus simples et les plus intéressants de ces processus peut être vu en frottant un ballon sur votre propre T-shirt, puis en essayant de l'appuyer contre vos cheveux ou un mur. La balle collera car la transition ou la redistribution d'un petit nombre d'électrons confère à l'objet une charge qui peut vaincre la force de gravité. Ce sont des forces de van der Waals , elles agissent entre les molécules, et même des objets en général neutres peuvent avoir une interaction électromagnétique qui peut résister à la gravité sur de courtes distances.
En frottant deux matériaux différents, comme le tissu et le plastique, vous pouvez transférer des charges de l'un à l'autre, provoquant la charge des deux objets.
Aux niveaux classique et quantique, une énorme quantité d'informations associées aux interactions électromagnétiques est codée dans l'atome, tandis que la relativité générale «classique» (et non quantique) est suffisante pour expliquer les interactions atomiques et subatomiques que nous ayons jamais rencontrées. Si vous vous enfoncez encore plus profondément dans l'atome, à l'intérieur des protons et des neutrons, vous pouvez révéler la nature et les propriétés des interactions fondamentales restantes: faibles et fortes.
En descendant à l'échelle du femtomètre, vous commencez à remarquer les effets des interactions fortes. Pour la première fois, il se manifeste entre différents nucléons - protons et neutrons, dont tout noyau est constitué. L'interaction électrique entre deux nucléons les repousse (les charges des protons sont les mêmes), ou ne se produit pas (les neutrons n'ont pas de charges). Mais à petites distances, il existe une interaction encore plus forte que l'électromagnétique: une forte interaction qui fonctionne entre les quarks par l'échange de gluons. Différents protons et neutrons peuvent échanger des paires de quarks-antiquarks - mésons - cela les lie dans le noyau et, avec une configuration appropriée, surmonte la force de répulsion électromagnétique.
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Dans les profondeurs du noyau atomique, l'interaction forte se manifeste d'une manière différente: les quarks individuels échangent constamment des gluons. Outre la charge gravitationnelle (masse) et la charge électromagnétique inhérente à la matière, il existe également une charge caractéristique des quarks et des gluons: la couleur. Ils n'attirent pas toujours, comme la gravité, ou ils ont deux charges qui peuvent être repoussées ou attirées comme des charges électriques. Ils ont trois couleurs indépendantes - rouge, vert et bleu - et trois anti-couleurs. On les trouve uniquement dans une combinaison «incolore», dans laquelle les trois couleurs (ou anti-couleurs) sont combinées, ou des combinaisons couleur-anti-couleur sont combinées.
Garder les protons et les neutrons intacts est l'échange de gluons - en particulier lorsque les quarks s'éloignent et que la forte force augmente. Plus vous pouvez transférer d'énergie lors de collisions avec des particules subatomiques, plus vous pouvez voir de quarks, d'antiquarks et de gluons. Il semble que l'intérieur du proton soit rempli de toute une mer de particules, et plus vous le frappez fort, plus ils deviennent collants. En allant plus loin par la quantité d'énergie maximale dont nous disposons, nous ne voyons toujours aucune restriction sur la densité de ces particules subatomiques à l'intérieur des noyaux atomiques.
Le proton n'est pas que trois quarks avec des gluons. C'est toute une mer de particules denses et d'antiparticules. Plus nous étudions le proton, plus nous dépensons d'énergie pour les collisions inélastiques, plus nous y trouvons de structure interne.
Mais tous les atomes ne sont pas capables de vivre éternellement dans une configuration stable. De nombreux atomes subissent une désintégration radioactive - tôt ou tard, ils émettent une ou plusieurs particules, ce qui modifie fondamentalement leurs propriétés. Le type de désintégration le plus courant est la désintégration alpha , dans laquelle un atome instable crache un noyau d'hélium avec deux protons et deux neutrons. Le deuxième type le plus courant est la désintégration bêta , dans laquelle un atome crache un électron et un neutrino anti-électron, et l'un des neutrons du noyau se transforme en proton.
Cela nécessite une autre force nouvelle: la force nucléaire faible. Cela dépend de son type de charge - faible, qui est une combinaison d' hypercharge faible et isospin faible . Les charges faibles se sont avérées extrêmement difficiles à mesurer, car les interactions faibles sont des millions de fois plus faibles que fortes ou électromagnétiques - jusqu'à ce que vous descendez à des échelles extrêmement petites, telles que 0,1% du diamètre d'un proton. De faibles interactions peuvent être observées dans un atome approprié, prêt pour la désintégration bêta. Il s'avère que les quatre interactions fondamentales peuvent être sondées simplement en étudiant l'atome.
Représentation schématique de la désintégration bêta d'un noyau atomique massif. Le neutron se transforme en un proton, un électron et un neutrino anti-électron. Avant la découverte des neutrinos, il semblait que l'énergie et l'élan n'étaient pas conservés dans les désintégrations bêta.
Il en découle quelque chose de remarquable: si vous prenez une particule de l'Univers, même pas encore ouverte, mais soumise à l'une de ces interactions, elle interagira également avec les atomes. Grâce à des interactions avec des particules à l'intérieur d'un atome banal, nous avons découvert un grand nombre de particules - y compris toutes sortes de neutrinos et d'antineutrinos. Un atome est à la fois ce dont nous sommes faits et une fenêtre sur la vraie nature de la matière.
Plus nous examinons les éléments constitutifs de la matière, mieux nous comprenons la nature de l'univers lui-même. Ce n'est qu'en interrogeant l'Univers sur le sujet des règles auxquelles obéissent toutes les particules et antiparticules, et comment elles se lient les unes aux autres, que nous pouvons comprendre sa structure. Et si la science et la technologie, soumises à nous, nous permettent de creuser de plus en plus profondément, il serait dommage de refuser la recherche uniquement parce qu'elles ne peuvent nous garantir une nouvelle découverte révolutionnaire. La seule chose que l'on sait avec certitude: si on ne creuse pas plus profondément, on ne trouvera jamais rien.