De l'atome aux particules élémentaires

Vincent Métivier

Sujets

• Appelez-moi le Père Noël !
• Particules élémentaires
• Maison de Dampierre
• Vitesse de la lumière
• Technique
• Propriété macroscopique

Informations

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Extrait

Cours de FI3 Vincent Métivier Version août 2004 Table des Matières 3 1 - INTRODUCTION A LA PHYSIQUE MODERNE................................................ 7 1. Apogée et Crise de la physique classique .....................................................9 2. Introduction aux phénomènes quantiques .................................................11 2.1 Rayonnement du corps noir et naissance des « quanta » (Planck) ............................11 2.2 Les Photons ou quanta de lumière (Einstein)..........................................................12 2.3 Dualité onde - corpuscule ......................................................................................12 2.4 Fonction d’onde et probabilité de présence .............................................................14 2.5 Relations d’incertitude (Heisenberg) .......................................................................14 3. La théorie de la relativité (Einstein)17 3.1 Transformations galiléennes...................................................................................17 3.2 Vitesse de la lumière..............................................................................................17 3.3 Principes de la relativité restreinte (postulats d’Einstein) ........................................18 3.4 Espace-temps et Transformations de Lorentz .........................................................19 3.4.1 Quadrivecteur espace-temps .................................................................................... 19 3.4.2 Transformations de Lorentz 19 3.4.3 Contraction des longueurs et Dilatation du temps .................................................... 20 3.5 Énergie relativiste ..................................................................................................21 3.5.1 Impulsion relativiste................................................................................................. 21 3.5.2 Énergie totale ........................................................................................................... 22 3.6 Masse et Énergie....................................................................................................23 3.6.1 Quadrivecteur impulsion-énergie.............................................................................. 24 3.7 Pour aller plus loin... .............................................................................................24 4. Du microscopique au macroscopique.........................................................27 4.1 Ordres de grandeur................................................................................................27 4.2 Mécanique statistique et mécanique quantique ......................................................28 4.3 Distribution de Maxwell-Boltzmann .......................................................................28 4.4 Statistiques quantiques .........................................................................................29 4.4.1 Statistique de Bose-Einstein (1924-1925) ................................................................. 30 4.4.2 Statistique de Fermi - Dirac (1926)........................................................................... 30 4.5 Comparaison des différentes statistiques................................................................31 4.6 Quelques conséquences… ......................................................................................31 4.6.1 Condensation de Bose-Einstein ................................................................................ 31 4.6.2 Gaz de Fermi et électrons de conduction................................................................... 33 4.6.3 Supraconductivité .................................................................................................... 34 5. L’Ère de la Cohabitation ? .........................................................................35 2 - DE L’ATOME AUX PARTICULES ELEMENTAIRES....................................... 37 1. L’Atome 39 1.1 Bref rappel historique ............................................................................................39 1.2 Les Ébauches du modèle atomique : découverte du noyau......................................39 1.3 L’Atome de Bohr41 1.4 L’Atome quantique.................................................................................................42 1.4.1 Aspect ondulatoire et quantification du moment cinétique........................................ 42 1.4.2 Équation de Schrödinger (atome d’hydrogène) et nombres quantiques...................... 43 1.4.3 Le Spin de l’électron 45 1.5 Comblement électronique.......................................................................................45 1.6 Transition de niveaux et rayonnement X ................................................................50 1.6.1 Origine et règles de sélection .................................................................................... 50 1.6.2 Effet Auger ............................................................................................................... 51 1.6.3 Compétition électrons Auger - émission X................................................................. 51 4 Physique Subatomique et Radioactivité 2. Le Noyau atomique....................................................................................52 2.1 Constitution et définitions......................................................................................52 2.2 Masse et énergie de liaison.....................................................................................54 2.2.1 Énergie de liaison du noyau 54 2.2.2 Masse et excès de masse .......................................................................................... 55 2.3 Modèles nucléaires.................................................................................................56 2.3.1 Le Modèle de la goutte liquide................................................................................... 56 2.3.2 Le Modèle en couches............................................................................................... 58 2.4 Systématique des noyaux.......................................................................................60 2.5 Rayon nucléaire et densité de charge......................................................................60 2.6 Moments nucléaires et applications........................................................................62 2.6.1 Définitions................................................................................................................ 62 2.6.2 Application : Résonance Magnétique Nucléaire (RMN)............................................... 62 2.7 Réactions nucléaires ..............................................................................................63 2.7.1 Définition ................................................................................................................. 63 2.7.2 Lois de conservation................................................................................................. 64 2.7.3 Bilan énergétique ..................................................................................................... 64 2.7.4 Exemples et applications .......................................................................................... 64 3. Particules élémentaires et Interactions fondamentales..............................67 3.1 Les Grandes étapes................................................................................................67 3.1.1 Antiparticules........................................................................................................... 67 3.1.2 Le Méson de Yukawa et l’interaction forte................................................................. 68 3.1.3 Le Neutrino .............................................................................................................. 69 3.1.4 Le Modèle des quarks (1964) .................................................................................... 71 3.1.5 Les Bosons intermédiaires........................................................................................ 72 3.2 Le Modèle Standard ...............................................................................................73 3.2.1 Quarks et leptons 73 3.2.2 Les Vecteurs d’interaction 75 3.3 Les Interactions fondamentales..............................................................................75 4. Big-Bang et formation de la matière ..........................................................77 4.1 Observation d’un univers en expansion..................................................................77 4.2 Les Premiers instants... ?.......................................................................................79 4.3Premières secondes...80 4.3.1 Confinement des quarks........................................................................................... 80 4.3.2 Nucléosynthèse primordiale...................................................................................... 81 4.4 Passage de l’opacité à la transparence....................................................................81 4.5 Nucléosynthèse stellaire.........................................................................................82 5. Symétries et invariances ...........................................................................85 5.1 Ordre et symétries .................................................................................................85 5.2 Symétries et lois de conservation............................................................................86 5.3 Théorème CPT .......................................................................................................86 5.3.1 Violation de la parité P .......................................................