Qu'est ce que la matière ?

[invite0234c510]

J’ai récemment entendu un prof de physique dire que le modèle de l’éléctron (donc de l'atome) n’était qu’une vue de l’esprit, que finalement la matière "on" ne savait pas ce que c’était. Sans rentrer dans les détails (bosons, quarks, et autres futures "inventions" des physiciens) j’aimerais savoir ce qu’est fondamentalement de la matière.
Pour vous dire le fond de ma pensée, la recherche de la nature de la matière actuellement m’apparaît comme une quête sans fin (un peu comme les recherches sur l’univers). D’ailleurs on va bientôt s’approcher d’un model de l’atome aussi complexe que celui de l’univers (qui nous dit d'ailleurs que notre univers n'est pas un "atome" a une autre échelle).

Alors la matière c'est quoi ?

Ps: J'ai un niveau peu étendu sur cette question (je suis en PT et c'est pas vraiment au programme tout ça) alors toute remarque même si elle vous parait anodine ou évidente est la bienvenue.
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[invite67d96d45]

salut !

Vaste question, que tu devrez posez dans la rubrique PHILO...

L'atome est composé d'un noyeau autour duquel gravite des éléctrons.

L'éléctron est tellement petit, et tellement loin du noyeau, qu'il y a du vide entre le noyeau est l'éléctron...

Si tu fais les calculs, tu vera que la matière est composé de 99,99% de vide... "La matière(le tout), est fait de vide (le rien) !!!!!!!!"

Amitiés

[invitea29d1598]

et tout ça sans regarder la matière du point de vue quantique...

il existe des livres assez récents (moins de dix ans je crois) qui sont pas de lecture très aisée (un peu plus compliqué que le journal de Mickey sûrement), mais qui s'adressent à un public assez vaste tout en restant (pour la plupart du contenu) dans ce que la science actuelle connait.

le plus abordable est

"les forces de la nature" par Paul Davies.

un autre plus technique est

"la matière espace-temps" par Gilles Cohen-Tannoudji (c'est pas celui du modèle) et Michel Spiro.

très intéressants, même si probablement pas de lecture facile, je le répête (vous pourrez pas dire que vous n'étiez pas prévenus )

[inviteb865367f]

Je pense que ce que ton prof voulais dire c'est que les particules, les atomes sont des "trucs", et qu'on ne fait qu'approcher "truc" par des représentations ou des modèles.

Finalement on ne sait pas ce que c'est mais en a t'on besoin ?

Corpuscules, ondes, quantum, cordes, ect ... et même d'autres modèles exotiques.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite0234c510]

En fait je vais essayer de m'expliquer un peu mieux :
Ce qui m’intéresse n’est pas le modèle, mais les propriétés de la matière (le modèle est approximatif, la propriété serait plutôt "vraie")

Quelques exemples de questions :

Peut on "re-créer" de la matière (on peut isoler les neutrons, les protons, les électrons, mais peut on faire l’inverse) ?

Peut on détruire de la matière ?
(« Rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme » donc on récupérerait de l’énergie, "une super-bombe atomique")

Liens entre énergie et matière ?


-Merci Rincevent

[invite285ab944]

oui tu peux creer, detruire et meme transformer la matiere:
-creer par collision de deux photons suffiasament energetique pour creer une paire de matiere-antimatiere (e-,e+) voir plus gros si l energie est plus grande
-annihiler par le processus inverse matiere +antimatiere= energie
-transformer par le processus d hadronisation ou meme par les desintegration liées a l interaction faible

[invitea29d1598]

you're welcome....

pour ces questions, je te donne les mêmes références. Ces livres ne se contentent pas d'exposer de manière froide. Ce sont des êtres humains qui essaient de comprendre.

sinon, pour répondre partiellement à ta question, avant Einstein (et son fameux E=mc²), on croyait que la masse et l'énergie étaient deux choses qui se conservaient individuellement.

et justement, ce que dit E= mc², c'est que tout objet de masse m contient une énergie du simple fait qu'il ait de la masse. Pas besoin de vitesse ou de chaleur pour qu'il ait de l'énergie.

et du coup:

- la masse est une forme particulière d'énergie

- l'énergie elle-seule est vraiment conservée

en fait, on peut plus ou moins dire (c'est pas d'une rigueur totale, mais c'est pas faux) que toute particule fondamentale "contient" de l'"énergie de masse et de l'énergie de mouvement (cinétique redéfinie de manière relativiste).

un électron qui bouge pas contient une quantité d'énergie égale à sa masse (fois le carré de c). Si il bouge, y'a une contribution additionnelle. Mais à côté de ça, il existe des objets dont l'énergie est purement cinétique: les photons. Ils n'ont pas de masse au repos (elle est nulle). Pour cette raison est pour d'autres, on considère généralement que les photons ne sont pas de la matière.

or, depuis que l'on connait l'antimatière, on sait qu'une réaction possible est

(electron) + (positron) ---> deux photons.

le positron etant l'antiparticule de l'électron. En clair, au debut tu as de la matière (dont l'antimatière est un cas particulier de ce point de vue là) qui devient de l'énergie pure.

initialement ton énergie est sous forme de masse et de mouvement, et à la fin tu n'as plus que du mouvement.

donc on sait faire disparaitre la matière, au moins partiellement. Car on a pas des tonnes d'antimatière (et heureusement sinon on serait plus là). En fait, ici-bas, on fabrique l'antimatière à partir d'énergie de mouvement que l'on transforme en matière et antimatière.

évidemment, tu peux toujours essayer de prendre deux ampoules, les mettre face à face jusqu'à ce que deux photons se rentrent dedans et que tu vois apparaitre une paire "electron-positron"...

mais sans vouloir te décourager....

donc ce qu'on fait, c'est que l'on envoie une particule de matière très accélérée dans un gros tas de matière. Et là y'a des chocs, des réactions, pas mal de l'énergie cinétique est transformée en particules, et tu obtiens un bon paquet de trucs divers.

le problème, c'est que tous ces gens-là sont très agités, et faut réussir à les arrêter si tu veux en faire des paquets (pour faire des paquets d'antimatière par exemple). Pour ça on peut utiliser des champs magnétiques très forts en diminuant aussi l'énergie de mouvement des particules. Bref, pas facile à faire.

ce qu'on a réussi à faire de plus complexe (au cern en Suisse), c'était construire quelques (moins de dix je crois) atomes d'anti-hydrogène. Ca a l'air tout simple comme ça, mais ça veut dire quoi (recette pour l'anti-hydrogène):

-faire comme décrit précedemment jusqu'à voir des anti-électrons (des positrons), en attraper un (mais pas avec les doigts sinon il va s'annihiler avec un électron pour donner des photons), l'arrêter (toujours sans les doigts), le mettre dans un coin

- faire pareil avec un anti-proton (beaucoup plus dur à produire car beaucoup plus massif)

- approcher les deux ensemble jusqu'à ce que la distance entre eux soit très petite, tellement que l'interaction électromagnétique les lie ensemble pour former un anti-atome.

et après, faut mettre tout ça dans un coin isolé si tu veux le garder. Car si ça touche le moindre morceau de matière, tout disparait en énergie...

en revanche, pour produire de la matière, c'est un peu plus simple. Enfin, pas super facile non plus, ça demande du matos, mais bon... et surtout: tu peux utiliser la technique précedente sans avoir ensuite des problèmes de stockage. Toutefois, ça revient très très cher en énergie, et c'est pas très utile donc: on a de la matière autour de nous...

seul truc assez "marrant" à construire avec la matière: des gros noyaux qui existent pas dans la nature. Tu prends des noyaux qui existent, tu les mets ensemble (facile à dire, mais pas tant que ça à faire). Tu vas libérer un peu d'énergie, éjecter quelques morceaux, mais tu peux réussir à produire des noyaux contenant des grands nombres de protons et de neutrons: ça s'appelle la fusion (la mythique fusion froide étant le fait de réussir à faire ça sans devoir initialement lancer les particules très vite les unes contre les autres. Mais ça reste un mythe). Tu libéres ainsi de l'énergie car les noyaux d'atomes tiennent ensemble grâce à ce que l'on nomme une "énergie potentielle". Comme son nom l'indique, elle est pas très concrête, mais on peut la "libérer" et la changer en un truc plus tangible: énergie cinétique ou matière. Encore une conséquence de E=mc² (enfin, je veux pas dire qu'on connaissait pas l'énergie potentielle avant Einstein. Juste on avait pas compris que ça pouvait devenir de la matière également).


Avec tout ça, tu peux produire des éléments artificiels dont les durées de vie sont très courtes: ils se désintègrent rapidement, parfois en quelques secondes.C'est pas très utile tant que tu sais pas faire ça de manière suffisamment propre pour en tirer de l'énergie (et faire une centrale à fusion ainsi). Enfin, si, deux types de personnes y voient un intérêt:

- les physiciens nucléaires qui peuvent ainsi tester leurs modèles de physique nucléaire;
- les bidasses car l'énergie libérée comme ça, tu n'as pas besoin de la canaliser pour en faire un gros pétard nucléaire...

y'a encore plein de trucs à dire en fait (et je suis loin de tout pouvoir te raconter), mais je pense que le mieux c'est de lire des bouquins toi-même (par exemple ceux que je t'ai cités ). J'ai juste essayé de te donner certaines des idées principales en espérant avoir cette fois répondu un peu à tes questions.

[invite03f54461]

or, depuis que l'on connait l'antimatière, on sait qu'une réaction possible est

(electron) + (positron) ---> deux photons.

le positron etant l'antiparticule de l'électron. En clair, au debut tu as de la matière (dont l'antimatière est un cas particulier de ce point de vue là) qui devient de l'énergie pure.

initialement ton énergie est sous forme de masse et de mouvement, et à la fin tu n'as plus que du mouvement.

évidemment, tu peux toujours essayer de prendre deux ampoules, les mettre face à face jusqu'à ce que deux photons se rentrent dedans et que tu vois apparaitre une paire "electron-positron"...

mais sans vouloir te décourager....

Et en collant 2 lampes à rayons x face à face, ça marcherait mieux ?

[invitea4a042cf]

Alors la matière c'est quoi ?

C'est la question que se posent notamment ceux qui travaillent sur la "théorie des cordes". Selon cette théorie, chaque particule serait une sorte de "vibration" d'une corde, le mode de vibration déterminant la nature de la particule. C'est une théorie très compliquée (avec plein de nouvelles dimensions d'espace), très élégante (elle définit toutes les particules avec un tout petit nombre de variables au départ). Problème : elle n'a pas le moindre début de commencement de vérification expérimentale, car les énergies qu'il faudrait mettre en jeu pour vérifier cette théorie sont inaccessibles.

L'atome est composé d'un noyau autour duquel gravite des éléctrons.

C'est un modèle, assez simplifié.

[invitea29d1598]

> Et en collant 2 lampes à rayons x face à face, ça marcherait mieux ?

en fait, pour fabriquer une paire électron-positron qui reste sagement là, il faudrait que tu aies deux lampes qui émettent chacune des photons dont l'énergie est égale à l'énergie de masse de l'électron. En gros:

9. 10^-31 kg fois la vitesse de la lumière au carré.

cette énergie doit être égale à celle d'un photon qui est

constante de Planck fois fréquence

si je me plante pas en tapotant sur la calculatrice une longueur d'onde d'environ de quelques 10^-12 m

à toi de voir quelle couleur c'est...

ah oui, autre problème: il faut ensuite que tes deux photons se foncent bien dedans... faut pas qu'il se rate... et ça, c'est pas gagné non plus...

[invite88ef51f0]

Ca existe les lampes à rayon gamma?

[invitea29d1598]

> Ca existe les lampes à rayon gamma?

C'est de la radioactivité. Donc ça existe à l'état naturel ou bien artificiel. On sait faire produire des photons aussi énergétiques en grosse quantité, mais seulement avec des moyens assez lourds: collisionneur de particules ou centrale nucléaire. Mais bon, faut pas imaginer qu'on est capable de produire une sorte de lampe qui éclaire bien (et heureusement d'ailleurs qu'on sait pas: y'aurait toujours des tarrés pour en faire uen super arme). Mais je crois que l'on peut dire que d'une certaine façon, ce que l'humanité a fabriqué et qui ressemble le plus possible à ça, c'est Tchernobyl après incident : une bonne vieille source bien radioactive et intense.

m'enfin, à échelle plus réduite (et au moins dangereuse), on en voit apparaître assez couramment dans des expériences. Un exemple en science de la terre (géophysique). On bombarde des éléments naturels stables avec des neutrons, ça produit des trucs similaires mais plus riches en neutrons et radioactifs. Qui en se désintégrant donnent beaucoup d'information aux gens qui font ça. Et dans ces expériences, ils voient justement parfois des paires electrons-positrons apparaitre, apparition provoquée par la collision entre un photon très énergétique(produit par la collision initiale entre le neutron et le noyau) qui tape ensuite dans la matière:

http://www.unites.uqam.ca/sct/harnois/sct_inaa.html

sinon, la nature a des sortes de "lampes à rayons gammas" que l'on comprend pas encore très bien. Heureusement, ce sont des trucs astrophysiques assez éloignés. Donc on voit, mais c'est pas dangereux:

http://bardessciences.net/decembre2002-_image-plus.html

enfin, pour revenir sur Tchernobyl, je suis pas certain non plus que ça ait donné une lampe à rayons gammas car y'a plusieurs types de radioactivités et je sais pas très bien ce qui s'est passé là-bas (d'ailleurs, pour pas avoir de problème avec les autorités Russes, vaut mieux ne pas savoir):

http://www.contratom.ch/bandazhevsky...tchertkoff.htm

[invitee069ea4c]

Petite précision sur la matière telle qu'on la connait actuellement :

Toutes les particules élémentaires (électron, proton, neutron) sont composées de quarks (je crois qu'il y en a 6 , mais il faut que je vérifie)

Savoir si les quarks sont, eux même, composé de particules plus petites est, pour l'instant, hors de notre portée.

La seule chose certaine, c'est que protons et neutrons forment le noyau autour duquel se situe (et non pas "gravite", ce n'est pas une interaction gravitationnelle, mais une interaction électromagnétique) l'électron.

La position exacte des électrons est inconnue, mais on leur attribue des probabilités de présence qui sont définies par leurs niveaux d'énérgie (et là, ça se complique, alors je m'abstient...) ces probabilités nous donnent les orbitales atomiques ou moléculaires qui sont des sortes de "zones de l'espace autour du noyau" où on a le plus de chance de "croiser" un électron.

Ce qui est certain, c'est que la distance entre le noyau et les électrons est énorme (à titre de comparaison : si l'atome est un stade de foot, le noyau est une tête d'épingle plantée en son centre et l'électron une micropoussière qui se balade quelque part dans les gradins)

Donc, la matière est essentiellment composée de vide :
Si on "comprime" tous les quarks de l'Univers en un seul point, l'Univers entier tiendrait dans un dé à coudre !

[invitea29d1598]

> Toutes les particules élémentaires (électron, proton, neutron) sont
> composées de quarks (je crois qu'il y en a 6 , mais il faut que je
> vérifie)

euh, y'a bien 6 quarks, mais les électrons sont pas formés de quarks... seuls le proton et le neutron (pour ceux que tu cites) ne sont pas élémentaires.

> La position exacte des électrons est inconnue,

pire que ça: elle est indéterminée. C'est pas que l'électron a une position et qu'on la connait pas. Le truc, c'est qu'il en a pas tant que l'on ne la mesure pas.

[invitee069ea4c]

Ah bon ? Les électrons ne sont pas composés de quarks ? ben il faudra que j'étudie la question, ça m'évitera de raconter n'importe quoi à mes élèves.... (de toute façon, heureusement, ce n'est pas au programme

Et sinon, je n'ai cité que les particules massiques comme composants de la matière (à l'exclusion donc des neutrinos, photons etc... que je classe dans la catégorie énergétique , mais tout ça c'est un peu loin pour moi, alors je fais peut être de mauvais raccourcis ops: )

[invitea29d1598]

> Ah bon ? Les électrons ne sont pas composés de quarks ?

non. Sont composés de quarks ceux que l'on nomme les "hadrons".

l'électron fait partie (avec le neutrino) de la famille des leptons (particules de matière qui sont insensibles à l'interaction nucléaire forte). Et de même que tu as 6 quarks (que tu peux mettre ensemble pour former les mésons et les baryons, qui sont les deux grandes classes de hadrons) tu as 6 leptons. Et tous ces 2x6 trucs sont repartis en "3 générations" faites de 2 leptons et 2 quarks. La première généartion contient l'électron, le neutrino (dit électronique car il en existe 3, un par génération) et les quarks up et down. Ces deux derniers sont les quarks qui constituent le proton et le neutron. D'ailleurs, on peut "construire" tout l'univers familier qui nous entoure grâce à ces 4 particules et l'existence des deux autres générations restent un peu "mystérieuse".

> ben il faudra que j'étudie la question, ça m'évitera de raconter n'importe quoi à mes élèves.... (de toute façon, heureusement, ce n'est pas au programme)

je crois que c'est une bonne idée d'en parler. Ca fait toujours réver toutes ces p'tites choses...

si tu veux une bonne référence, je te conseille

"les forces de la Nature" par Paul Davies

> Et sinon, je n'ai cité que les particules massiques comme composants de la matière (à l'exclusion donc des neutrinos, photons etc... que je classe dans la catégorie énergétique , mais tout ça c'est un peu loin pour moi, alors je fais peut être de mauvais raccourci)

en fait, comme tu le vois par (le bref résumé de) la classification qui précéde le neutrino est plus proche de la matière usuelle que le photon ne l'est. D'ailleurs, des expériences récentes (enfin, elles le sont de moins en moins chaque jour ) font que l'on croit désormais que le neutrino a une masse petite mais non nulle. Autre point commun entre ces particules (leptons et quarks): ce sont des fermions. C'est-à-dire qu'elles ont un spin (moment angulaire intrinsèque) qui est un nombre demi-entier de fois la constante de Planck (divisée par deux pis). Cela les oppose aux bosons dont le spin est un nombre entier de fois l'unité fondamentale h/(2 pi). Mais ce qui est important c'est pas tant ce fait que ce qu'il implique quant à la "statistique" des particules. En effet les fermions obéissent au principe d'exclusion de Pauli qui dit que deux d'entre ne peuvent jamais être dans le même état. Alors que pour les bosons, c'est autorisé (et même favorisé car cela permet d'avoir des états de plus faibles énergies pour le système global). Concrétisation de tout ça:

- tu peux pas faire un laser d'électrons, mais tu peux en faire un de photons (ce sont des bosons): car dans un laser tu as un max de particules dans le même état, ce qui fait la "cohérence" du truc.

- la matière résiste quand on appuie dessus (la force électromagnétique aide aussi, mais le fait que la matière soit faite de fermions est fondamentale).

remarques finales:

- si tu mets des fermions ensembles, les spins s'additionant (plus ou moins car ils sont plus proches de vecteurs que de nombres) tu obtiens un boson si tu en mets un nombre pair et un fermion si tu en mets un nombre impair. C'est ce qui permet à deux électrons de se mettre ensemble pour former un "faux-boson" (on parle de paire de Cooper) qui est utile dans le phénomène de superconductivité (toutes les paires ou presque sont dans le même état fondamental, ce qui donne une cohérence rappelant celle du laser). De même l'hélium 4 est superfluide car le noyau est un boson, alors que l'hélium 3 est pas superfluide (en fait, l'hélium 3 peut l'être aussi si tu le refroidis suffisamment pour que les atomes d'hélium forment des paires comme les électrons dans les supraconducteurs. Si la température est trop élevée, l'agitation thermique brise les paires et le phénomène disparait).

- pour les particules élémentaires (non composées) on a des fermions (qui forment les 3 générations) que l'on considère comme la matière. Les autres particules élémentaires qui existent sont celles associées aux interactions. Ainsi, selon notre compréhension actuelle des choses, chacune des 4 interactions fondamentales (électromagnétisme, interaction nucléaire faible, chromodynamique quantique et gravitation) est "véhiculée" par une ou des particules associées et qui sont toutes des bosons.

pour l'électromagnétisme, il y a le photon

pour l'interaction nucléaire faible, trois bosons: Z, W+ et W-

pour la chromodynamique (interaction entre les quarks) on a 8 "gluons"

et pour la gravitation, même si on a pas de théorie quantique, nos connaissances actuelles nous aident à prédire qu'il devrait y avoir un "graviton" qui est lui-aussi un boson.

y'a encore beaucoup à dire, mais ça me paraissait pas complètement inutile de te faire un bref résumé de choses qui me paraissent pas mal à raconter à des élèves

[invitee069ea4c]

Et bien, il me reste du boulot !
D'autant plus que je me suis inscrit à l'agrégation !

Je vais donc bucher tout ça et dans deux ou trois mois je pourrai tenir le même discours.

En attendant, j'ai copié ton post sur mon pc et je vais l'étudier.
Ligne par ligne....

merci

[invitea29d1598]

de rien... ops:

mais avant de perdre trop de temps sur ces lignes pas très détaillées, essaie de voir le bouquin de Davies... tu trouveras pas mal des trucs que je t'ai dits mieux expliqués dans son livre (et avec plus de détails).

[invite38220e6a]

Bonjours, pour ma part j'aimerais introduire un nouveau modèle de l'atome permetant d'explique le plus de phenomenes possible. C'est le modéle de "l'oeuf" voir mon site marsunet.free.fr. Dans ce modele le noyau est d'une seul matière sans vide et ce qui entoure ce noyau est la pulpe et constitue aussi le photon et l'electron. La quantité de pulpe et variable en fonction de son etat, gaz beaucoup, liquide moyen, solide peu.

[invite8c514936]

C'est le modéle de "l'oeuf"

Je crois que tu devrais préciser qu'il s'agit d'un modèle humoristique, Marsunet, juste au cas où... Heu... c'est bien de l'humour, hein ???

Moi j'ai bien rigolé en tout cas !

[invite38220e6a]

Je sens que l'on va me traité de crane "d'oeuf", mais ... c'est pas d'l'humour. Et si j'en parle ici c'est qu'il me semble viable (pas l'oeuf ni mon crane, mais le modèle).

Ce ci dit il me semble peut-être preferable d'ouvrire une discution sur ce sujet.

Mais au moins il a le mérite de faire rigolé, et c'est pas peu de chose en science.