Physique Chimie
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Théories décrivant la structure de la matière



Vers la transformation de la matière →
(théorie complémentaire)







Quelques physiciens et dates clés (en cours de construction, plutôt en vrac pour le moment) :

  • Généralités : Les philosophes dissertent sur la nature de la matière (selon Aristote quatre éléments : air, eau, terre, air, et quatre qualités : chaud, froid, humide et sec), et les artisans sur l'élaboration de teinture, d'alliages, de médicaments et autres substances à visée utilitaire.

Préhistoire, antiquité
  • Démocrite : Postule que la matière est faite d'atomes insécables.

-400
  • Généralités : L'alchimie s'intéresse aux transformation de la matière, les artisans poursuivent le perfectionnement des méthodes. On connaît à la sortie du moyen-age de nombreux métaux, quelques acides et bases (acide sulfurique, nitrique...). Mais la méthode expérimentale n'existe pas et les interprétations sont toujours teintées de magie.

Moyen-age et après
  • Paracelse : Propose une théorie qui remplace celle des 4 éléments et des 4 qualités par 4 principes, notion assez floue. Règle des affinités pour les réactions chimiques : le semblable attire le semblable.

1520
  • Hooke, Boyle, Newton, ... : Expérimentent et s'en tiennent à la règle des affinités et des 4 principes. Hypothèse atomique soutenue par certains et donc vision mécanique des réactions : les constituants existent et s'attirent. Dans le même temps, le "phlogistique" est une substance qui décrit la propension à brûler et qui est utilisée par les chimistes pour comprendre les combustions.

1600-1700
  • Loi de Boyle et Mariotte : à $T$ fixée, la densité d'un gaz (masse dans une unité de volume) est proportionnelle à la pression (loi vérifiée aux faibles pressions).

1661 et 1676
  • Bernoulli : Développe la théorie cinétique des gaz.

1738
  • Généralités : Les expériences se multiplient mais la nomenclature est confuse. Idée de la conservation de la masse dans les réactions. Découverte de nouvelles substances (l'hydrogène par Cavendish, etc.), caractérisations expérimentales de celles-ci. La théorie des "qualités" s'étend confusément (les quatre éléments de l'antiquité plus le mercure, la chaux, le sel, le phlogistique). Ceux qui retiennent l'hypothèse atomique ne distinguent pas atome, molécule, particule.

1700-1770
  • Black : Montre que "l'air fixé" (le CO2 en fait) peut toujours se distinguer de l'air normal. Avant cela, les chimistes pensaient qu'il n'y avait qu'un seul type de gaz : l'air, avec éventuellement des impuretés différentes.

1756
  • Lavoisier : Réalise les premières expériences chimiques vraiment précises, permettant de passer de l'alchimie à la chimie. Découvre que l'oxygène est nécessaire à la combustion, met en évidence que l'air est un mélange d'oxygène et d'azote (c'est lui qui est à l'origine de ces noms), montre que l'eau est composée d'oxygène et d'un gaz observé avant par Cavendish qu'il nomme hydrogène, reproduit une expérience de Cavendish où il décompose l'eau, anéantissant ainsi 2500 ans de théorie aristotélicienne des 4 éléments fondamentaux, met fin à la théorie du phlogistique ou éther, etc.

1770-1800
  • Lavoisier, Berthollet, ... : Publication d'une nouvelle nomenclature des espèces chimiques. Ceci, avec la publication du traité de chimie de Lavoisier en 1789, marque le début de la chimie moderne.

1787
  • Proust : Énonce la loi des proportions définies : par exemple quelle que soit la façon dont on décompose une masse d'eau, on obtient invariablement 8 masse d'oxygène pour une masse d'hydrogène. Ce sera un des arguments vers l'hypothèse atomique. Cette loi a mis du temps à s'établir (Berthollet y était opposé), surtout à cause de la confusion entre corps pur, espèce chimique et mélange.

1794
  • Carlisle et Nicholson : Utilisation de la pile de Volta pour découvrir l'électrolyse. Décomposition de l'eau.

1800
  • Dalton : Expose sa théorie atomique, établie pour expliquer la loi des proportions définies. Il imagine que chaque substance est composée d'éléments individuels (les molécules), eux-mêmes composés d'entités fondamentales (les atomes) qui peuvent se dissocier ou s'assembler lors des réactions chimiques.

1808
  • Loi de Gay-Lussac : À pression et volume fixés, la densité change avec la température d'une façon qui ne dépend pas du gaz considéré.
    En déduit un zéro absolu vers -267°C.

1810
  • Avogadro : Suppose que des volumes égaux de gaz, pris dans les mêmes conditions de température et de pression, contiennent le même nombre de molécules.

1810
  • Généralités : La théorie atomique n'est toujours pas acceptée. Toutefois, atomistes et non atomistes se lancent dans la détermination des masses atomiques des divers éléments, sans l'appeler ainsi (mais plutôt théorie des équivalents, molécule-gramme ou atome-gramme...). Une table précise est proposée par Gerhardt en 1844. Cependant, l'hypothèse d'Avogadro et le comportement des gaz, la loi de Dulong et Petit (1819, la capacité calorifique des solides est proportionnelle à la masse atomique), la découverte du mouvement Brownien par Brown (1827), les travaux sur l'électrolyse (Ampère en 1833 : la quantité de charge est proportionnelle aux quantités de matière formées), l'explication de la pression osmotique (proportionnelle à la quantité de matière en ions), sur la conductivité des solutions, etc... tous sont aisément expliqués par la théorie atomique et l'existence de la grandeur "quantité de matière".

1810-1850
  • Mendeleiev : Présente sa classification périodique des éléments. Ils sont rangés par masse atomique croissante (au lieu de $Z$ croissant comme aujourd'hui), ce qui donne lieu à quelques anomalies. Il prévoit l'existence et les propriétés du gallium et d'autres éléments non encore découverts.

1869
  • Lenard : Découverte et lois de l'effet photoélectrique.

1886-1902
  • J. J. Thomson : Découvre l'électron en étudiant les "rayons cathodiques". Il estime sa masse à 1700 fois moins que celle du proton.

1897
  • Becquerel, Pierre et Marie Curie : Découverte de la radioactivité spontanée.

1902
  • Rutherford : Approfondit les recherches sur la radioactivité.

1904-1908
  • Rutherford : Découverte du noyau atomique, à l'aide de la diffusion de particules $\alpha$ sur une mince feuille d'or. Réfutation du modèle "pudding" de J. J. Thomson.

1909
  • Généralités : Jean-Perrin annonce enfin la théorie atomique triomphante.

1913
  • Rutherford : Découvre le proton.

1920
  • Dirac : Équation de Dirac. Elle permet la description quantique et relativiste de l'électron. Elle prédit l'existence de son spin, et la valeur approchée de son moment magnétique. Elle prédit l'existence de l'anti-électron, ou positron.

1928
  • Théorie quantique des champs : Cadre général d'idées et d'outils permettant de formuler des théories quantiques. Le nombre de particules n'est plus fixé (on parle de seconde quantification), mais fluctue à mesure des créations et annihilations. Naissance vers 1929 avec Heinsenberg et Pauli, puis de nombreux contributeurs font fructifier ces idées. Le calcul en perturbations fait apparaître des infinis, mais l'idée de la renormalisation est proposée vers 1947 par Hans Bethe : on cache les infinis dans des grandeurs que l'on sait expérimentalement définies comme la masse des particules. Le désavantage est que cette théorie ne peut pas prédire les valeurs des masses ou des charges.
    Feynman propose ses diagrammes et sa formulation par l'intégrale de chemin. Dyson unifie les approches en 1950.
    Appliquée à l'interaction électromagnétique, on parle de théorie de l'électrodynamique quantique. Elle prédit des valeurs du moment magnétique de l'électron ou du décalage de Lamb extrêmement précises.
    Le formalisme de la théorie des champs sera réutilisé pour les interactions faibles et fortes.

1929-1950
  • Chadwick : Découvre le neutron. Le modèle de l'atome est maintenant complet !

1932
  • Anderson : Observation du positron (dans les chambres à brouillard).

1932
  • Lawrence : Fabrication du 1er cyclotron. On passe progressivement de la chasse aux particules (observation des rayons cosmiques, de la désintégration naturelle) à l'ère des accélérateurs de particules.

1932
  • Anderson : Découverte du muon lors de l'étude des rayons cosmiques et des trajectoires produites dans les chambres à brouillard. La situation reste toutefois confuse jusqu'en 1947.

1936-1947
  • Yukawa, Lattes : Découverte du pion (un méson), qui dans la théorie de Yukawa -- théorie des champ appliquée à l'interaction nucléaire -- explique les interactions attractives entre protons et ou neutrons.

1947
  • Mc Millan, Kemmer : Découverte expérimentale -- avec le synchrotron de Mc Millan -- du pion neutre, prédit théoriquement des années plus tôt par Kemmer (par des arguments de symétrie).

1950
  • Collectif : Tout un zoo de particules sont découvertes dans les traces des chambres à brouillard placées dans des observatoires d'altitude. Elles ne sont pas clairement identifiées : il faudra attendre les accélérateurs.

1951-1953
  • ... : Observation du neutrino, 26 ans après l'hypothèse de son existence.

1956
  • Lee, Yang, Wu : Mise en évidence expérimentale de la violation de la symétrie P pour l'interaction faible (expérience noyaux cobalt 60).

1956
  • Gell-Mann, Zweig : Imaginent que les hadrons ne sont pas des constituants élémentaires, mais sont constitués de ce que Gell-Mann nomme des quarks.
    Ceci permet de comprendre le grand nombre de particules observées, de prédire l'existence d'autres observées plus tard.
    De trois quarks au départ, on passera à 6 au fil des années (charm prédit en 1964, bottom et top prédits en 1973 et observés en 1977 et 1995).

1962
  • Cronin, Fitch : Observation de la violation de la symétrie CP (expérience avec des kaon neutres). Expliquée en postulant que l'interaction faible fait se transformer les quarks, et en postulant l'existence des quarks top et bottom.

1964
  • SLAC : Mise en évidence des quarks par expérience de diffusion d'électrons envoyés sur des protons (similaire à exp. de Ruutherford).

1968
  • Perl : Découverte du tau, 3ème lepton après l'électron et le muon.

1974-1977
  • Collectif : Le modèle standard des particules atteint sa forme définitive. C'est une théorie qui décrit les interactions électromagnétique, faible et forte, et qui classifie toutes les particules subatomiques connues. Le formalisme et les outils sont ceux d'une théorie quantique des champs. Il explique le zoo des particules et leurs propriétés, et prédit correctement et précisément beaucoup d'observables.
    Parmi les défauts, on relève : le fait qu'il y a beaucoup de paramètres dont les valeurs sont non prédites (17 paramètres indépendants sans dimensions ne peuvent qu'être déterminés expérimentalement) ; le fait qu'il prédit des neutrinos de masses nulles ; etc.

Vers 1975
  • CERN : Confirmation de l'existence du boson de Higgs.

2012


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