Availability: De l'atome antique à l'atome quantique

De l'atome antique à l'atome quantique: à la recherche des mystères de la matière

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Main Authors:	Gruber, Christian (Author), Martin, Philippe A. 1941- (Author)
Format:	Book
Language:	French
Published:	Lausanne Presses polytechniques et universitaires romandes 2014
Edition:	Première édition, réimpression corrigée
Subjects:	Geschichte Atomistik Atom Atomphysik Kernphysik Atoms / History Nuclear physics / History
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adam_text	TABLE DES MATIERES AVANT-PROPOS ........................................................................... V TABLE DES MATIERES ................................................................. VII CHAPITRE 1 DE 1 ANTIQUITE AE NOS JOURS ....................................................... 1 1.1 PREAMBULE ..................................................................... 1 1.2 FIN DES MYTHES ET DEBUT DE LA SCIENCE OCCIDENTALE ........ 2 1.3 PREMIERE PERIODE : PHILOSOPHIE NATURELLE (600 AV. J. -C. A 1600). - ................................................. 3 1.4 PREMIERE REVOLUTION (1543-1686) ................................... 5 1.5 DEUXIEME PERIODE: PHYSIQUE CLASSIQUE (1600-1900)....... 7 1.6 ET LES ATOMES ? .............................................................. 8 1.7 DEUXIEME REVOLUTION (1900 - 1926) ...................................... 9 1.8 PERIODE MODERNE ......................................................... 12 1.9 ORDRES DE GRANDEURS .................................................... 14 CHAPITRE 2 PHILOSOPHIE NATURELLE ............................................................. 17 2.1 PREAMBULE ................................................................... 17 2.2 LES ELEMENTS ................................................................ 18 2.2.1 ECOLE DE MILET ................................................... 18 2.2.2 PERIODE PRESOCRATIQUE ........................................ 19 2.2.3 PLATON ............................................................... 20 2.2.4 ARISTOTE ............................................................. 23 2.3 ATOMISME .................................................................... 26 2.3.1 LES FONDATEURS ................................................... 26 2.3.2 EPICURE .............................................................. 29 2.3.3 LUCRECE .............................................................. 30 2.4 PHILOSOPHIE NATURELLE DANS D AUTRES CIVILISATIONS ......... 32 2.4.1 L ATOMISME INDIEN ............................................. 32 2.4.2 LA PHILOSOPHIE JUDEO-MUSULMANE ...................... 33 2.5 APRES LUCRECE EN OCCIDENT .......................................... 34 2.6 RESUME ........................................................................ 35 ANNEXE 1. LES VILLES ANTIQUES ...................................... 36 ANNEXE 2. CHRONOLOGIE ................................................ 37 $ B1IOTHEK DEUTSCHES MUSEUM Y .. X DE 1 ATOME ANTIQUE AE 1 ATOME QUANTIQUE CHAPITRE 3 GALILEE ET NEWTON ................................................................. 39 3.1 GALILEE (1564-1642) ..................................................... 39 3.1.1 INTRODUCTION BIOGRAPHIQUE ................................. 39 3.1.2 PRINCIPE DE LA RELATIVITE ET PRINCIPE D INERTIE .... 41 3.1.3 LOI DE LA CHUTE DES CORPS ................................... 47 3.1.4 BALISTIQUE .......................................................... 51 3.1.5 GALILEE ET LES MATHEMATIQUES ............................ 52 3.1.6 GALILEE ET LA MATIERE .......................................... 53 3.2 DE GALILEE A NEWTON ................................................... 54 3.2.1 PIERRE GASSENDI (1592-1655) ............................. 54 3.2.2 RENE DESCARTES (1596-1650) .............................. 54 3.2.3 CHRISTIAN HUYGHENS ET LA LOI DES CHOCS ............. 55 3.3 NEWTON (1643-1727) ET LA MECANIQUE .......................... 57 3.3.1 INTRODUCTION BIOGRAPHIQUE ................................. 57 3.3.2 MASSE-QUANTITE DE MATIERE ................................ 58 3.3.3 FORCE ................................................................. 59 3.3.4 PRINCIPE DE L ACTION ET DE LA REACTION ON TROISIEME LOI DE NEWTON ............................... 59 3.3.5 PRINCIPE D INERTIE ON PREMIERE LOI DE NEWTON .................................................... 60 3.3.6 QUANTITE DE MOUVEMENT .................................... 61 3.3.7 LOI DE L ACCELERATION, ON DEUXIEME LOI DE NEWTON, ET MASSE D INERTIE ...................... 62 3.3.8 CONSERVATION DE LA QUANTITE DE MOUVEMENT ET DU MOMENT CINETIQUE: CAS GENERAL ................ 64 3.3.9 LOI DE LA GRAVITATION ......................................... 66 3.3.10 MASSE GRAVIFIQUE ACTIVE ET PASSIVE. PRINCIPE D EQUIVALENCE ..................................................... 69 3.3.11 NEWTON ET LA MATIERE ........................................ 70 3.3.12 NEWTON ET L ALCHIMIE ......................................... 71 3.4 RESUME ........................................................................ 73 ANNEXE. DEFINITION DES VECTEURS VITESSE ET ACCELERATION ET MOUVEMENT UNIFORMEMENT ACCELERE ......................... 74 CHAPITRE 4 LES ELEMENTS ET 1 HYPOTHESE ATOMIQUE ................................... 77 4.1 LES ELEMENTS ................................................................ 77 4.2 ANTOINE LAVOISIER ........................................................ 79 4.2.1 UN SAVANT DU SIECLE DES LURNIERES ...................... 79 4.2.2 DEFINITION DUN ELEMENT ..................................... 81 4.2.3 L AIR ET 1 EAU NE SONT PAS DES ELEMENTS .............. 81 4.2.4 LA COMBUSTION ET LA CHALEUR .............................. 83 4.2.5 RESUME DES PRINCIPES DE LAVOISIER .................... 84 4.3 ELECTROLYSE ................................................................... 84 4.3.1 HISTORIQUE ......................................................... 84 4.3.2 L ELECTROLYSE ...................................................... 85 4.3.3 MICHAEL FARADAY ET LES LOIS DE 1 ELECTROLYSE ...... 86 4.4 L HYPOTHESE ATOMIQUE ................................................. 87 4.4.1 LOI DE PROUST .................................................... 88 TABLE DES MATIERES XI 4.4.2 JOHN DALTON ...................................................... 89 4.4.3 MASSES ATOMIQUES .............................................. 90 4.5 CONTRIBUTIONS DE LA PHYSIQUE AE 1 EMERGENCE DE L ATOME .................................................................... 91 4.5.1 LOI DES GAZ PARFAITS ........................................... 92 4.5.2 LES DEUX HYPOTHESES D AVOGADRO ..................... 93 4.5.3 L UNITE DE MASSE ATOMIQUE ET LE NOMBRE D AVOGADRO ........................................................ 94 4.5.4 DETERMINATION DU NOMBRE D AVOGADRO .............. 96 4.5.5 LES ATOMES CROCHUS : VALENCE ............................. 98 4.6 CLASSIFICATION DES ELEMENTS .......................................... 98 4.6.1 TABLEAU DE MENDELEIEV ..................................... 99 4.6.2 TABLEAU PERIODIQUE ACTUEL ............................... 102 4.7 OBJECTIONS ET CONTROVERSES SUR LA REALITE ATOMIQUE.... 103 4.8 PREUVE DE 1 EXISTENCE DES ATOMES ............................... 104 4.8.1 AGITATION MOLECULAIRE ET MOUVEMENT BROWNIEN 104 4.8.2 L ARGUMENT D EINSTEIN ..................................... 106 4.8.3 MISE EN EVIDENCE DE LA STRUCTURE ATOMIQUE DES CRISTAUX PAR DIFFRACTION DE RAYONS X ......... 109 4.9 LES ATOMES ET LA LUMIERE ........................................... 110 4.9.1 SPECTRES D EMISSION ......................................... 110 4.9.2 SPECTRES D ABSORPTION ...................................... 112 4.10 PHENOMENES ONDULATOIRES .......................................... 114 4.10.1 ONDES .............................................................. 114 4.10.2 INTERFERENCES .................................................... 116 4.11 RESUME ...................................................................... 117 CHAPITRE 5 LES GRANDS PRINCIPES DE CONSERVATION. SYMETRIES ET INVARIANCES ...................................................... 119 5.1 INTRODUCTION .............................................................. 119 5.2 CONSERVATION DE 1 ENERGIE EN MECANIQUE .................... 120 5.2.1 PREAMBULE ....................................................... 120 5.2.2 ENERGIE CINETIQUE ............................................. 121 5.2.3 ENERGIE POTENTIELLE GRAVIFIQUE .......................... 122 5.2.4 ENERGIE POTENTIELLE ELASTIQUE ........................... 124 5.2.5 ENERGIE POTENTIELLE D INTERACTION ..................... 125 5.2.6 CONSERVATION DE 1 ENERGIE LORS DE COLLISIONS BLAST IQUES ......................................................... 126 5.3 CONSERVATION DE 1 ENERGIE AU-DELAE DE LA MECANIQUE ... 128 5.3.1 ENERGIE THERMIQUE ........................................... 128 5.3.2 ENERGIE CHIMIQUE ............................................. 129 5.3.3 PREMIER PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE....... 130 5.4 PRINCIPE DE CONSERVATION DE LA QUANTITE DE MOUVEMENT ET DU MOMENT CINETIQUE ......................... 131 5.5 AUTRES GRANDS PRINCIPES DE CONSERVATION ................... 131 5.6 SYMETRIES ................................................................. 132 5.6.1 TRANSLATIONS ET ROTATIONS DANS L ESPACE ........... 134 5.6.2 TRANSLATIONS DANS LE TEMPS .............................. 135 XII DE 1 ATOME ANTIQUE AE 1 ATOME QUANTIQUE 5.6.3 AUTRES EXEMPLES DE SYMETRIES CONTINUES ......... 135 5.6.4 SYMETRIES BRISEES ............................................. 136 5.7 SYMETRIES DISCRETES .................................................... 137 5.7.1 PARITE P .......................................................... 138 5.7.2 CONJUGAISON DE CHARGE C ................................. 139 5.7.3 INVERSION TEMPORELLE T .................................... 141 5.8 RESUME ...................................................................... 143 CHAPITRE 6 RELATIVITE D EINSTEIN: MASSE-ENERGIE ................................... 145 6.1 INTRODUCTION .............................................................. 145 6.1.1 SUR LA VITESSE DE LA LUMIERE ............................. 145 6.1.2 SUR LA PROPAGATION DE LA LUMIERE : TETHER ....... 146 6.2 ALBERT EINSTEIN: 1905 ANNUS MIRABILIS ...................... 147 6.2.1 PRINCIPE DE LA RELATIVITE (1905) ....................... 148 6.2.2 DILATATION APPARENTE DU TEMPS ....................... 149 6.2.3 SIMULTANEITE .................................................... 153 6.2.4 CONTRACTION APPARENTE DES LONGUEURS .............. 154 6.3 STRUCTURE DE 1 ESPACE-TEMPS ...................................... 156 6.4 LA MASSE DANS LA THEORIE RELATIVISTE .......................... 159 6.4.1 ARGUMENT HEURISTIQUE ..................................... 159 6.4.2 ARGUMENT D EINSTEIN (1905) ............................ 160 6.4.3 ENERGIE, QUANTITE DE MOUVEMENT ET ENERGIE CINETIQUE ............................................. 165 6.4.4 VERIFICATION EXPERIMENTALE ............................... 166 6.4.5 MASSE RELATIVISTE ............................................. 167 6.5 RESUME ...................................................................... 169 ANNEXE 1. STRUCTURE INVARIANTE SUR L ESPACE-TEMPS : PASSE, FUTUR, AILLEURS .................................................. 170 ANNEXE 2. SUR LA TRANSFORMATION DE L ENERGIE ............ 172 CHAPITRE 7 LES QUANTA ET LA STRUCTURE DE L ATOME ................................. 173 7.1 PROBLEMES OUVERTS ET DECOUVERTES ............................. 173 7.2 DECOUVERTE DE 1 ELECTRON ........................................... 174 7.2.1 LES RAYONS CATHODIQUES ................................... 174 7.2.2 JOSEPH JOHN THOMSON .................................... 175 7.2.3 L ATOME DE THOMSON ...................................... 178 7.2.4 ROBERT MILLIKAN ET LA CHARGE DE 1 ELECTRON ...... 179 7.3 RAYONNEMENT THERMIQUE ........................................... 180 7.3.1 LES LOIS DE WIEN ET RAYLEIGH-JEANS ................. 180 7.3.2 QUANTIFICATION DE PLANCK ................................. 181 7.4 EFFET PHOTOELECTRIQUE ................................................. 184 7.4.1 HISTORIQUE EXPERIMENTAL .................................. 184 7.4.2 EINSTEIN ET L EFFET PHOTOELECTRIQUE ................... 186 7.4.3 COMPTON ET LA DIFFUSION DE LA LUMIERE ............. 187 7.5 DECOUVERTE DU NOYAU ATOMIQUE ................................. 188 7.5.1 EXPERIENCE DE RUTHERFORD ............................... 188 7.5.2 MODELE PLANETAIRE DE 1 ATOME DE RUTHERFORD... 190 TABLE DES MATIERES XIII 7.6 FORMULES DE BALMER ET DE RYDBERG-RITZ ................... 192 7.7 ATOME DE BOHR ET LIGNES SPECTRALES ........................... 193 7.7.1 MODELE DE BOHR ............................................. 193 7.7.2 EXPLICATION DES LIGNES SPECTRALES ..................... 195 7.7.3 MODELE DE SOMMERFELD .................................... 196 7.7.4 LE TABLEAU PERIODIQUE ..................................... 198 7.8 LE SPIN ...................................................................... 200 7.8.1 EXPERIENCE DE STERN-GERLACH ........................... 200 7.8.2 DECOUVERTE DU SPIN ......................................... 201 7.8.3 PROCESSUS DE MESURE EN PHYSIQUE QUANTIQUE ET SON INTERPRETATION ....................................... 203 7.8.4 APPLICATIONS .................................................... 205 7.9 RESUME ...................................................................... 207 CHAPITRE 8 LA PHYSIQUE QUANTIQUE ........................................................ 209 8.1 ONDES DE MATIERE ...................................................... 209 8.1.1 HYPOTHESE DE LOUIS DE BROGLIE ........................ 209 8.1.2 ONDES STATIONNAIRES ......................................... 211 8.1.3 PHYSIQUE CLASSIQUE. ONDES ET PARTICULES . ........ 212 8.1.4 UNE EXPERIENCE DE PHYSIQUE QUANTIQUE : ONDE ON PARTICULE? .......................................... 214 8.1.5 LE PRINCIPE DE COMPLEMENTARITE DE BOHR ........ 215 8.1.6 LE MICROSCOPE ELECTRONIQUE ............................. 217 8.2 LA MECANIQUE QUANTIQUE ........................................... 219 8.2.1 ETATS EN MECANIQUE QUANTIQUE ........................ 219 8.2.2 INTERPRETATION DE LA FONCTION D ONDE ............... 220 8.2.3 LE PRINCIPE D INCERTITUDE ON D INDETERMINATION DE HEISENBERG ..................... 222 8.2.4 QUELQUES APPLICATIONS DU PRINCIPE D INCERTITUDE .................................................... 224 8.3 EVOLUTION TEMPORELLE D UNE FONCTION D ONDE .............. 226 8.3.1 PARTICULE LIBRE ................................................. 226 8.3.2 EFFET TUNNEL ..................................................... 227 8.3.3 INDISCERNABILITE DES CHEMINS ............................ 229 8.4 ETATS STATIONNAIRES .................................................... 233 8.4.1 PARTICULE ENTRE DEUX MURS IMPENETRABLES........ 233 8.4.2 ELECTRON AUTOUR DU NOYAU ............................... 234 8.4.3 REPRESENTATION GRAPHIQUE DES ETATS ELECTRONIQUES DE L ATOME D HYDROGENE .............. 237 8.5 SYSTEMES DE PARTICULES IDENTIQUES ............................. 239 8.5.1 PRINCIPE D EXCLUSION DE PAULI .......................... 239 8.5.2 FERMIONS ET BOSONS .......................................... 240 8.5.3 PARTICULES DISCERNABLES ET INDISCERNABLES......... 242 8.6 RESUME ...................................................................... 243 ANNEXE. COMPLEMENT SUR 1 INTERPRETATION DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE ................................................... 244 XIV DE 1 ATOME ANTIQUE AE 1 ATOME QUANTIQUE CHAPITRE 9 LA MATIERE CONDENSEE .......................................................... 247 9.1 LA LIAISON CHIMIQUE ................................................... 247 9.1.1 LA LIAISON COVALENTE ......................................... 248 9.1.2 LA LIAISON IONIQUE ............................................ 251 9.2 LES ETATS DE LA MATIERE .............................................. 252 9.2.1 ORDRE ET DESORDRE ............................................ 252 9.2.2 LE SOLIDE CRISTALLIN ........................................... 252 9.3 TRANSITIONS DE PHASES ................................................ 254 9.3.1 LES FORCES INTERATOMIQUES ............................... 254 9.3.2 LA TRANSITION DE PHASE FERROMAGNETIQUE.......... 255 9.3.3 ELABORATION D UN MODELE MICROSCOPIQUE ......... 256 9.4 RESUME ...................................................................... 260 CHAPITRE 10 RADIOACTIVITE ET PHYSIQUE NUCLEAIRE .................................... 261 10.1 LE MYSTERE ET 1 ETUDE DES RAYONS ............................... 261 10.1.1 LES RAYONS X ................................................... 261 10.1.2 DECOUVERTE DE LA RADIOACTIVITE ........................ 263 10.1.3 DESINTEGRATION DU NOYAU ................................. 264 10.2 DECOUVERTE DU PROTON ET DU NEUTRON ......................... 266 10.2.1 TRANSMUTATIONS ARTIFICIELLES ET DECOUVERTE DU PROTON ........................................................ 266 10.2.2 L HYPOTHESE PROTON-ELECTRON DE RUTHERFORD .... 267 10.2.3 DECOUVERTE DU NEUTRON .................................... 268 10.2.4 LES ISOTOPES ET LE TABLEAU PERIODIQUE REVISITE.. 269 10.3 NOUVELLES FORCES ......................................................... 271 10.3.1 L INTERACTION FORTE ........................................... 271 10.3.2 YUKAWA: UNE NOUVELLE VISION DES FORCES........... 272 10.3.3 L ISOSPIN : UNE NOUVELLE SYMETRIE ..................... 275 10.3.4 UNE NOUVELLE PARTICULE ET LA FORCE FAIBLE.......... 276 10.4 ENERGIE NUCLEAIRE ....................................................... 277 10.4.1 STABILITE DES NOYAUX ........................................ 277 10.4.2 ENERGIE DE LIAISON ET DEFAUT DE MASSE ............. 278 10.4.3 LA FISSION ......................................................... 279 10.4.4 LA FUSION ......................................................... 280 10.4.5 ROLES DES QUATRE FORCES FONDAMENTALES SUR LA TERRE ...................................................... 282 10.5 RESUME ...................................................................... 282 CHAPITRE 11 LES PARTICULES ELEMENTAIRES ET LE MODELE STANDARD .............. 285 11.1 PERIODE 1935 - 1950 ................................................... 285 11.1.1 RAYONS COSMIQUES ET DETECTEURS ...................... 285 11.1.2 ANTIPARTICULES ................................................. 288 11.1.3 PARTICULES ELEMENTAIRES DANS LES RAYONS COSMIQUES ........................................................ 291 11.2 DES PARTICULES ELEMENTAIRES AN MODELE STANDARD....... 294 11.2.1 LA ZOOLOGIE DES PARTICULES : PREMIERE CLASSIFICATION VERS 1950 .................................... 294 TABLE DES MATIERES XV 11.2.2 RECHERCHE D UNE NOUVELLE CLASSIFICATION ........... 296 11.2.3 LES QUARKS ....................................................... 298 11.3 INTERACTIONS ............................................................... 302 11.3.1 INTERACTIONS FORTES ET GLUONS ............................ 303 11.3.2 INTERACTION FAIBLE ET BOSONS INTERMEDIAIRES...... 303 11.3.3 INTERACTIONS FAIBLES ET QUARKS .......................... 304 11.3.4 INTERACTIONS ET LOIS DE CONSERVATION ................. 305 11.3.5 BOSON DE HIGGS ............................................... 306 11.4 LE MODELE STANDARD ................................................... 307 11.5 RESUME ...................................................................... 308 ANNEXE. CHRONOLOGIE DE LA DECOUVERTE DES PARTICULES 309 CHAPITRE 12 ENIGMES DE 1 UNIVERS ........................................................... 311 12.1 MATIERE NOIRE ............................................................. 312 12.2 ENERGIE NOIRE ............................................................. 314 12.3 CONCLUSIONS ............................................................... 315 BIBLIOGRAPHIE ....................................................................... 317 ANTIQUITE ............................................................................. 317 GALILEE ................................................................................. 317 NEWTON ................................................................................ 318 PHYSIQUE : GENERALITES ........................................................... 318 Q UANT IQUE ............................................................................ 318 MATIERE ET ATOMES ................................................................ 319 RADIOACTIVITE ET PARTICULES ELEMENTAIRES .............................. 319 HISTOIRE ................................................................................ 320 INDEX ................................................................................... 321
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