Accélérateur de particules Les physiciens savent, depuis la fin du X/Xe siècle, que l'atome est complexe, et composé de plusieurs...

« Accélérateur de particules Les physiciens savent, depuis la fin du X/Xe siècle, que l'atome est complexe, et composé de plusieurs particules.

Pour étudier la structure de ces dernières (pour vérifier si elles sont - ou non - élémentaires), /es expérimentateurs /es ont bombardées à l'aide d'autres particules.

Celles qui sont émises par /es réactions radioactives n'ayant pas une énergie-assez grande, ils ont accéléré celles qui possèdent une charge électrique, à l'aide d'accélérateurs de parti­ cules, de plus en plus volumineux et de plus en plus puissants (cyclotrons, synchrotrons, etc.). Une foule de particules nouvelles (la plupart issues des noyaux atomiques) a ainsi été découverte depuis 1930, et il est probable que cette évolution est loin d'être finie. Les lois de la physique subatomique sont en géné­ ral très différentes de celles de la physique classique, et /es travaux relatifs aux propriétés de l'atome et de ses différents constituants ont amené le développe­ ment d'une science qui est, sur bien des points, en rupture avec celle du siècle précédent. La découverte de la radioactivité naturelle a montré concrète­ ment que l'atome contient lui-même d'autres particules plus petites (voir art.

2, 6, 8, 13, 16, 18 et 21).

Les physiciens et les chimistes ont eu dès lors, parmi leurs préoccupations, celle de les identifier.

Par conséquent, de déterminer leur nature, leur masse (quand elles en ont une), leur charge électrique (quand elles en ont une), leurs propriétés, leurs mouvements éventuels, etc.

Et, chat échaudé craint l'eaufroide dit le dicton, ils se sont également souciés de leur éventuelle constitution.

Pendant près d'un siècle, ils avaient débattu de l'existence de l'atome (voir art.

2), considéré comme une particule ultime et insécable. Puisque tel n'était pas le cas, il convenait de vérifier, type de particule après type de particule, si les nouveaux corpuscules découverts étaient - ou non - élémentaires.

Une méthode, qui permet de le constater, revient à détruire (à casser) ladite Masse et Poids De nombreuses personnes ont eu, quand elles étaient au collège ou au lycée, beaucoup de difficultés à saisir la différence entre ces deux concepts.

L'ayant mal assimilée à l'époque, elles l'oublient, et sont plus tard incapables de la reformuler.

Les dictionnaires de physique spécialisés définissent la «masse inertielle» comme le «coefficient d'inertie» du corps.

Ils définissent à côté la "masse gravitationnelle». Nous pouvons nous limiter à une définition plus intuitive, qui fut aussi celle que Newton utilisa quand il la précisa vraiment pour la première fois dans l'histoire.

Il explique que la masse mesure la quantité de matière contenue dans le corps.

Ce n'est pas conceptuellement d'une rigueur extrême, et l'un des problèmes est de déterminer comment on peut, dans tous les cas, mesurer une telle «quantité».

Par ailleurs, on conjecture maintenant qu'il puisse y avoir des particules qui n'aient pas de masse (ou avoir peut-être une masse nulle, ce qui n'est pas obligatoirement la même chose).

De plus, l'équivalence masse-énergie, énoncée par Einstein (voir art. 20), peut aussi introduire des confusions.

Ceci étant, tout en ayant conscience de son imperfection, nous nous contenterons de l'énoncé de Newton cité plus haut, qui permet de comprendre intuitivement la différence évoquée. Le poids du même corps est alors la force d'attraction que la planète sur laquelle il se trouv~ (la Terre, donc, pour ce qui nous concerne) exerce sur ce corps.

Il est proportionnel à la masse du corps et à celle de la planète (voir art.

11): En un lieu donné sur la planète: P = M.g g est une grandeur physique qui mesure l'accélération de la pesanteur au lieu considéré.

Elle varie selon la po~ition du corps sur la Terre.

Sa valeur est minimale à l'Equateur (9,7804 m/s2), maximale au pôle.

Elle diminue quand on s'élève en altitude. Un corps immobile a donc une masse constante, quel que soit le lieu de la Terre où il se trouve.

De même, cette mass.e est inchangée s'il est transporté (à une vitesse faible par rapport à celle de la lumière) sur un autre corps céleste, la Lune par exemple.

Par contre, son poids aura varié pendant le même temps et, rendu sur la Lune (dont la masse est environ 1/6e de celle de la Terre), celui-ci sera six fois plus faible qu'à l'origine. particule et à la séparer en particules différentes...

et plus « petites ».

Si l'on y parvient, la même question se repose à une échelle inférieure.

Si cela ne réussit pas, le caractère élémen­ taire de la particule étudiée n'en est pas pour autant démontré. Tout ce que l'on peut dire, c'est que ce corpuscule n'est pas fractionnable avec les moyens et les instruments dont on dispose actuellement.

Ce n'est peut-être que partie remise. Le bon sens nous dit que, pour détruire un édifice, nous pou­ vons par exemple le bombarder de projectiles.

Une boule de billard, projetée sur un groupe de ses semblables accolées, peut rompre l'unité du paquet central en le heurtant au bon endroit et avec une vitesse suffisante.

Les illustrations que la Sécurité routière diffuse pour vanter les mérites de la ceinture de sécu­ rité nous montrent que le corps d'un conducteur non attaché s'écrase d'autant plus violemment sur le volant et le pare-brise que sa vitesse est grande (et aussi que sa masse personnelle est plus élevée, mais ce n'est généralement pas évoqué, la diffé­ rence étant jugée négligeable). •V 1 Dès les premières études sur la radioactivité naturelle (voir art.

2, 16, 18 et 21), les physiciens avaient constaté que les maté­ riaux radioactifs émettaient de telles particules (parfois avec une grande vitesse et, par conséquent, une énergie relativement importante).

Les rayons dits a, par exemple, ont rapidement intéressé les expérimentateurs.

Ils sont constitués de noyaux d'hélium, c'est-à-dire d'un ensemble de 2 protons (voir art.

2). Les particules constituantes étant lourdes, leur énergie cinétique peut être grande si leur vitesse d'émission est suffisante.

Mais l'énergie de liaison, qui assure la cohésion des particules de certains noyaux, peut être élevée.

Par ailleurs, les noyaux repoussent les particules positives (voir plus loin).

Les physi­ ciens ont donc réalisé des appareils permettant d'accélérer les particules-projectiles.

L'on savait déjà bien manipuler les élec­ trons (voir art.

14 et 18), mais ceux-ci, du fait de leur faible masse (ils sont près de 2 000 fois plus légers que le proton) n'étaient pas des particules bien efficaces à cet égard.

Nous verrons (art.

16) l'intérêt présenté par le neutron, quand il fut découvert par Chadwick en 1932, mais les procédés d'accéléra­ tion déjà envisagés ne convenaient qu'aux particules électrisées;, L'énergie cinétique L'énergie acquise par un corps de masse m du fait de son mouvement est appelée son énergie cinétique*.

Elle vaut Ec = 1/2 m v2 , en mécanique 'classique dont nous nous contenterons ici (même si le mouvement des particules relève, quand leur vitesse est élevée, de la mécanique rela­ tiviste).

Quand le corps est brutalement arrêté dans son mouvement (sa vitesse passe, en une fraction de seconde, de v à zéro), l'énergie qu'il possédait entraîne la destruction de l'édifice constitué par le mobile.

D'où le danger des chocs à grande vitesse (les lois des chocs ont été établies, pour l'essentiel, par Galilée, Huygens et Newton). L'énergie cinétique d'un mobile peut, dans certains cas, être transformée en une autre forme d'énergie et utilisée dans la pratique.

Soit par exemple une masse M d'eau, rete­ nue d_ans un lac de barrage, à une hauteur h au-dessus de l'usine.

Elle possède, du fait de son altitude, la possibilité de libérer une certaine quantité d'énergie (dite énergie poten­ tielle, et qui vaut Mgh).

Si les employés du barrage ouvrent les vannes et laissent arriver, par les grosses canalisations appropriées, la totalité de l'eau à la turbine (ou aux turbines) de l'usine, cette énergie Mgh se transforme en énergie ciné­ tique (correspondant à la vitesse v de chute de l'eau) qui fait tourner la turbine (Mgh = 1/2 Mv2, aux pertes dues aux frot­ tements près) (voir art.

11). • L'énergie est exprimée en joules dans le système international, quand la masse est exprimée en kilogrammes et la vitesse en mètres par seconde. Particules et charges électriques Nombreux sont les concepts scientifiques dont l'origine est directement inspirée par l'expérience sensible, et même par une pratique courante qui était déjà séculaire quand (avant le concept) la notion est apparue dans l'histoire.

L'un des textes considérés comme les plus anciens parmi ceux qui nous don­ nent des renseignements sur les connaissances scientifiques et techniques des Grecs de l'époque archaïque (entre le XIIIe et le VIIIe siècle A.C.), est le poème d'Homère, L 'fliade.

Les notions de vitesse, de force, l'affirmation de l'existence d'une relation entre les deux grandeurs, celles de longueur (bien sûr), de durée, de surface, etc., font d'abord partie de la vie com­ mune avant que d'être traduites dans un quelconque texte, généralement empirique et concret au départ.

Dès lors, quand apparaît la formulation scientifique, elle doit souvent (pas tou­ jours) être traduite par une expression dont le sens se différen­ cie de celui du langage habituel et qui, quelquefois, s'y oppose (voir art.

5 et 15). Notion et concept Notion et concept ont des significations voisines.

Le sens de notion est toutefois intuitif et assez vagué.

Celui de concept se rapporte à un objet mental plus abstrait et aussi plus précis. Il n'en est pas de même de la charge électrique.

Si l'on éntre­ prend de décrire scientifiquement ce qu'est la matière (ce que sont ses multiples formt:_s), sans se limiter à une définition phi­ losophique, même très pertinente (telle celle de Lénine: « La matière est la réalité objective qui existe indépendamment de notre conscience»), une fois énumérées les caractéristiques mécaniques élémentaires (et liées à l'intuition), on est obliga­ toirement amené à les compléter par des concepts sans rapport direct avec l'expérience sensible.

L'efficacité, la rentabilité dictent peut-être aux scientifiques de retenir alors la définition axiomatique, dûment précisée ensuite.

Par exemple : « charge électrique.: caractéristique scalaire de la matière, associée à certaines particules élémentaires» (J.P.

Mathieu, A.

Kastler et P..

Fleury).

Mais il paraît difficile de commencer ainsi, face à des auditeurs n'ayant pas une culture scientifique suffisante. Les grandeurs physiques Une grandeur physique est définissable par 1 ou 3 caractéristiques, 4 si l'on inclut le temps: • Une grandeur scalaire est définissable par un nombre unique (accompagné d'une unité, évidemment).

Ex.; la température, la pression, la r,:iasse ... • Une grandeur vectorielle est définissable par trois nombres (même remarque que ci-dessus).

Ce peuvent être les trois composantes de la grandeur si l'on a déterminé un référentiel (voir art.

21), ou les caractéristiques géométriques du vecteur représentatif (origine, direction, sens et intensité).

Ex.

: force, vitesse ... • Les quadri-vecteurs s'obtiennent en ajoutant le temps, convenablement transformé en longueur, aux trois composantes précédentes. Une approche historique permet de se faire quelquefois une idée satisfaisante.

Les chroniqueurs racontent que le philosophe et mathématicien Thalès de Milet (VIIe-vie siècles A.C.) avait observé que des morceaux d'ambre, frottés par un tissu, attiraient des corps légers.

Le même résultat est obtenu grâce à quantité d'autres matériaux, notamment la plupart des matières plastiques.

C'est ce que font les appareils électriques (ou les disques microsillons qui existent encore, ou les écrans de télévision) quand ils attirent la poussière.

L'ambre est une résine fossile (rouge, jaune, quelquefois noire, parfois translucide, quelquefois opaque), qui servait (et qui sert encore) à faire des bijoux.

Les principaux gisements connus sont au Nord de l'Europe, sur les bords de la Baltique, et un commerce'régulie'r existait entre cette région et les pays méditerranéens.

Ambre se dit elektron en grec, d'où électricité et tous ses dérivés. Les connaissances sur ce sujet sont restées en l'état pendant près de 24 siècles.

A la fin du XVII 0 siècle, le bourgmestre de Magdebourg (auquel on doit également une pompe pneumatique pour réaliser le vide de gaz dans une enceinte fermée) a inventé une machine, multipliant les effets de l'expérience de Thalès, où une boule de cire, tournant autour d'un axe sous l'action d'une manivelle, remplaçait la tige d'ambre.

La machine a été améliorée ensuite (Ramsden, Wimshurt ...

) et une expérimentation - empirique et qualitative - s'est développée au XVIII 0 siècle, les effets spectaculaires obtenus (éclairs puissants, attractions plus importantes ...

) impressionnant un public mondain europ~en, à l'époque « très curieux de science». On a découvert aussi que, selon la nature du matériau frotté, le type de phénomène était identique, mais que dans certains cas, l'on avait une répulsion, dans d'autres une attraction.

Il y avait donc, dirent les physiciens, deux types d'électricité:· celle que l'on obtenait en frottant des matériaux résineux, comme l'ambre, et qui fut baptisée électricité résineuse (puis négative par B.

Franklin); celle que l'on obtenait en frottant des corps tels que le verre, et qui fut baptisée électricité vitrée (ou positive). Une tige d'ambre frottée attirait une tige de verre dans les mêmes conditions, mais repoussait une autre tige d'ambre. L'idée de l'existence de deux sortes d'électricité fut suivie - après la découverte de la pile électrique - par l'affirmation, chez certains auteurs, de 1'existence de deux fluides électriques (qui fut abandonnée un peu plus tard). Les expériences faites par l'ingénieur C.

Coulomb vers 1785, sa mise au point d'un instrument de mesure (ou de comparaison) des charges, à partir de la détermination des forces d'attraction et de répulsion qu'elles sont susceptibles de produire entre elles, ont permis de passer de la description qualitative des phénomènes à la mesure des grandeurs mises en jeu et à l'établissement de relations mathématiques entre ces grandeurs.

Coulomb a ainsi vérifié expérimentalement que deux charges q et q' se repoussent (ou s'attirent, cela dépend de leurs signes respectifs), selon une force f, proportionnellement à leurs valeurs et inversement proportionnellement au carré dé leur distance r : f= k.

qq' (k est un coefficient, r est la distànce des 2 charges) r2 On est donc amené à définir, à ce stade, la charge électrique comme une caractéristique de la matière que l'on peut notamment faire apparaître en frottant, à l'aide d'un objet approprié, un fragment de cette matière.

Il en existe deux typ~s dans la nature qui produisent des effets mécaniques opposés. Un 1J1atériau courant est généralement neutre de ce point de vue, c'est-à-dire qu'il ne produit pas les effets précédents, ni dans un sens ni dans l'autre.

Deux morceaux de verre, par exemple, sont parfaitement inertes quand on les met en présence.

En les frottant avec des chiffons de laine, on leur arrache des charges négatives (des électrons) et ils se chargent positivement. Les études faites au XIX siècle (particulièrement l'électrolyse) ont montré que, dans diverses circonstances, des particules électrisées (de grosseurs, de structures et de charges diverses - les ions) apparaissent.

C'est le cas, en particulier, pour de nombreuses.... »