[PHYSIQUE] VULGA de Physique NUCLEAIRE

Salut les kheys
Je me fais suer et j'en ai ma claque des topics qui bouclent sur la politique.
Comme j'ai jamais vu personne en faire et que j'avais bien aimé les topics du khey Yang Mills à l'époque, je fais un petit topic de vulga en physique nucléaire, vu que contrairement à d'autre domaines comme l'astro, on en entend pas beaucoup parler

ORIGINES DE LA PHYSIQUE NUCLEAIRE

Jusqu'au début du XXème siècle, les physiciens pensaient que les atomes étaient composés de charges négatives (électrons découverts à la fin du XIXème) baignées dans une espèce de soupe de charges positive (Modèle du Plum Pudding).

En 1909, Rutherford réalise avec ses étudiants une expérience qui révolutionne la physique de l'époque, et qui est souvent considérée comme fondatrice de la physique nucléaire, l'expérience des feuilles d'or.

Le principe est simple: on envoie une particule chargée positivement (des particules alpha (j'en reparlerai plus loin)) sur une feuille d'or et on observe le résultat.

Si l'atome est effectivement une soupe de charges positives avec quelques électrons, on s'attend à voir des particules légèrement déviées de leur trajectoire après le passage dans la feuille d'or (les charges positives se repoussent).

A la grande surprise des expérimentateurs, on observe effectivement qu'une grande partie des particules est peu déviée par la feuille, mais on observe également des particules éjectées à de très grands angles, voir même renvoyées en arrière. Une seule explication possible: l'atome est en réalité composé d'un noyau, très dense, dans lequel sont concentrées toutes les charges positives du noyau, tandis que les charges négatives se répartissent de façon diffuse autour.

Le même Rutherford découvre l'existence du proton en 1919 et propose un modèle de l'atome avec un noyau de protons et des électrons orbitant autour.

Bien tenté mais il s'avère que le noyau est en réalité composé de protons ET de neutrons, qui seront découverts dans les années 30 (le bruit des bottes) par Chad-wick

Un des meilleurs livres que j'ai pu lire, foncez.

MECANIQUE QUANTIQUE ET PARTICULES ELEMENTAIRES

Maintenant qu'un (court) contexte historique est posé, on peut commencer à parler de physique.

Les années 20 (le bruit des bottes ) (et globalement tout le début du XXème siècle) sont marqués par 2 grandes avancées en physique: les théories de la relativité (relativité restreinte et relativité générale) et les théories quantiques (mécanique ondulatoire et mécanique quantique)

Pour la physique nucléaire, on s'en fout (presque tout le temps) de la relativité, par contre la physique quantique révolutionne les conceptions de la matière microscopique (la taille d'un noyau est de l'ordre de 10^(-15) m). (ce sticker n'a rien à voir mais il m'a fumé).

Alors je vais pas vous faire de topo, ni sur la mécanique ondulatoire, ni sur la mécanique quantique, parce que pour y comprendre quelque chose, faut au moins y passer quelques années, et que même après avoir bossé dessus toute leur vie, beaucoup de physiciens résument leur compréhension du truc à "les calculs marchent".

On peut quand même en tirer quelques conclusions utiles:
- Les particules, à l'échelle des protons, neutrons, électrons, se comportent comme des corpuscules (en gros comme des billes), mais également comme des ondes (comme des vagues).
- Ces particules peuvent subir des effets typiquement ondulatoires (diffraction, etc.), et leur position instantanée n'est pas précisément définie: on parle de densité de probabilité (en gros, quand on observe dans une certaine zone, on a une certaine chance de détecter une particule)
- De la même façon, les particules peuvent être dans plusieurs états à la fois (ce qui ne veut absolument rien dire quand tu sais pas ce qu'est un état mais on aura l'occasion d'en reparler)

Partie à suivre

Le 09 avril 2022 à 18:32:12 :

Un des meilleurs livres que j'ai pu lire, foncez.

Jamais lu mais le sujet a l'air très intéressant

Voilà, j'avais une heure à tuer aujourd'hui, si le sujet vous intéressent et que vous voulez une suite, manifestez vous

Si vous avez des remarques sur le format ou que vous avez pas compris un truc, n'hésitez pas.

Le 09 avril 2022 à 18:49:22 :
Kheyou tu fais des études dans ce domaine ?

Effectivement

Le 09 avril 2022 à 18:51:34 :

Le 09 avril 2022 à 18:49:22 :
Kheyou tu fais des études dans ce domaine ?

Effectivement

Sympa avec du recul j'aurai aimé étudier ce domaine mais tant pis.
Je me contente de lire des bouquins accessible aux néophytes, tu as lu le livre que j'ai posté ?

Edit : Mince j'avais pas vu ton message, le livre est excellent tu peux y aller les yeux fermés.

Le 09 avril 2022 à 18:57:18 :
Ça a l'air passionnant meme si je capte pas tout

Si tu captes pas tout hésite pas à dire ce que tu as pas compris, c’est vrai que je suis allé assez vite sur certaines choses pas forcément simples à comprendre.
Je l’ai pas précisé mais j’essaye de faire de la vulga vraiment tout public, donc aucun calcul, aucune équation, que des explications des phénomènes.

MECANIQUE QUANTIQUE ET PARTICULES ELEMENTAIRES: PARTIE 2

Résumé rapide: la physique quantique est primordiale pour comprendre la physique des atomes, et donc la physique des noyaux au sein de ces même atomes. Les noyaux sont une "boule" composée de protons (chargés positivement) et de neutrons (électriquement neutres).

Jusqu'à maintenant j'ai utilisé les termes protons, neutrons, électrons comme si c'était des choses évidentes mais il s'agirait quand même un peu de parler des particules et de leurs interactions pour comprendre des choses.

On connaît à ce jour 4 types d'interactions fondamentales, c'est à dire d'interactions qui déterminent absolument tous les effets physiques que l'on observe:
- L'interaction gravitationnelle (décrite par la relativité générale d'Einstein
- L'interaction électromagnétique
- L'interaction faible
- L'interaction forte

La première des 4 est responsable de l'attraction des objets massifs entre eux, et elle a sa propre théorie attitrée qui est la relativité générale.

Les 3 autres sont décrites par le MODÈLE STANDARD DES PARTICULES

Je ne vais pas rentrer dans le détail du modèle standard parce que c'est (très) compliqué et que je suis pas expert du truc, mais pour faire simple, ce modèle énonce l'existence de toutes les particules fondamentales et de leurs interactions (particule fondamentale = le plus petit élément de matière = y'a rien de plus petit à l'intérieur).

La seule chose importante à savoir c'est que les noyaux sont composés de protons et de neutrons (qui ne sont pas des particules élémentaires) et que ces protons et neutrons sont composés de particules élémentaires, les quarks !

Pour le noyau, dans un premier temps on s'en tape de l'interaction faible (en plus c'est giga compliqué aya ), donc on va considérer pour l'instant qu'on a uniquement de l'interaction forte et électromagnétique.
L'interaction forte est une force à très courte portée (de l'ordre de 10^(-15) m) qui attire les quarks entre eux, sauf quand ils sont extrêmement proches. C'est grâce à cette interaction que des particules plus grosses sont formées à partir des particules élémentaires. Les deux quarks qui nous intéressent sont le quark UP aussi appelé U et le quark DOWN aussi appelé D

L’interaction électromagnétique est une force qui se manifeste entre objets chargés électriquement (négativement ou positivement). Les quarks possèdent une charge électrique, et sont donc aussi influencés par cette interaction.

Et là pour le coup c'est simple, le proton est une particule composée de deux quarks et d'un quark , alors que pour le neutron c'est un seul et deux

C'est absolument pas évident pour des néophytes mais cette forme de symétrie dans la composition du proton et du neutron a des impacts importants dans le noyau.

Là vous vous dites peut-être: MAIS BORDEL DE QUOI IL PARLE, ON PARLE MÊME PLUS DES NOYAUX

J'y arrive

Il se trouve que le modèle standard, qui décrit les interactions entre particules fondamentales, donc entre les quarks et , fonctionne super bien et décrit parfaitement bien (presque) presque tous les phénomènes connus en physique des particules.

On pourrait se dire que comme les noyaux sont constitués de protons et neutrons qui eux-même sont constitués de particules élémentaires, si les interactions entre briques fondamentales sont bien connues alors le système complet est aussi parfaitement connu par la théorie.

Et bien il se trouve que c'est complètement faux (aya)

La suite dans la prochaine partie: THÉORIE DE PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET PHENOMENOLOGIE

Reprise du topax en ce jour

Je m'étais arrêté sur le modèle standard et les interactions entre protons et neutrons.
Il se trouve que dans le modèle qui décrit l'interaction forte (celle entre les quarks), le proton et le neutron sont neutres vis-à-vis de cette interaction, c'est-à-dire qu'ils n’interagissent pas de façon directe: ils créent une interaction résiduelle.

Pour les kheys chimistes, on peut comparer ça en quelque sorte à une interaction de Van der Waals: la force effective est créée par la distribution non uniforme des charges dans la molécule (et dans notre cas des quarks dans les protons et neutrons).

Ah oui, au passage, à partir de maintenant, je vais utiliser aussi le terme nucléon, qui regroupe tout simplement les protons et les neutrons.

L'interaction résiduelle est, contrairement à l'interaction forte directe entre quarks, assez mal connue (même si d'importants progrès ont été faits pour l'améliorer dans les années 60). Et là on parle pour l'instant de l'interaction entre uniquement deux nucléons, c'est là que ça devient cocasse: un noyau peut avoir plus de 300 nucléons, qui interagissent tous entre eux avec une force mal connue.

Ce type de problème est connu sous le nom de problème à n-corps (c'est-à-dire un nombre n de "corps" qui interagissent tous les uns avec les autres). Un problème à 3-corps typique est le système Soleil-Terre-Lune avec l'interaction gravitationnelle (dont la valeur est très bien connue). Et bien déjà là, , on ne peut pas résoudre le problème analytiquement (c'est-à-dire de façon exacte), on est obligé de passer par des calculs numériques.

Donc autant vous dire que pour des problèmes à plus de 100 corps avec une interaction pas si bien connue, on est mal barrés : les modèles qui essayent de résoudre ce problème à N-corps n'arrivent plus à faire les calculs pour N>6 ou 7.

Alors COMMENT ON FAIT ?

Et bien on fait au choix:
- des modèles phénoménologiques dans lesquels on ne modélise pas les interactions entre nucléons, mais on calcule certaines propriétés pertinentes des noyaux (comme la masse du noyau par exemple) en prenant en compte un certain nombre de contributions qui dépendent, pour faire très simple, du nombre de protons et de neutrons dans le noyau.
Un exemple de ce genre de modèles est la goutte liquide (aussi appelé modèle de Bethe-Weizsäcker pour les initiés ). Son principe est plutôt simple: on considère que l'amalgame de nucléon forme une "goutte liquide" , dont la taille dépend du nombre de nucléons. Intuitivement, à l'échelle de la vie de tous les jours, une grosse goutte a tendance à être instable et à vouloir se diviser en gouttes plus petites: ce modèle essaye de rendre compte de ce genre d'effets au sein du noyau. On prend également en compte des effets comme la différence entre le nombre de protons et de neutrons (les noyaux qui ont le même nombre de protons et de neutrons ont tendance à être plus stables, c'est-à-dire à rester identiques à eux-même dans le temps.).
L'idée principale, c'est que ce genre de modèles dépendent très largement des valeurs expérimentales mesurées afin de faire des extrapolations pour des noyaux similaires, donc ça satisfait pas tant que ça les théoriciens mais ça permet aux expérimentalistes de faire des prédictions pas trop dégueulasses sur les noyaux mal connus.

- On peut aussi faire des modèles de champs moyen . Là, c'est très compliqué, mais en gros, au lieu d'avoir N nucléons qui interagissent tous entre eux, on considère que les N nucléons interagissent avec un "champs" . Chacun a sa façon de calculer "son" champs et on trouve 10 résultats différents pour 10 champs différents .Paraît que dans certains cas ça marche pas trop mal, mais même moi je comprends pas exactement ce que foutent les gens qui font ça, donc on va passer à la conclusion

A mon avis, cette partie est pas simple pour les gens qui ont pas fait beaucoup de physique mais c'est pas grave: le plus important, c'est de bien comprendre que contrairement à ce qu'on pourrait penser, les modèles théoriques de physique nucléaire sont extrêmement complexes, et que pour l'instant, aucun modèle ne parvient à parfaitement décrire tous les noyaux que l'on connaît.
On n'a donc pas le choix, il faut aller explorer les noyaux à la main pour connaître leurs propriétés, et c'est pour cela que le prochain chapitre sera:

PROPRIETES DES NOYAUX avec sûrement un autre chapitre sur PROCEDES EXPERIMENTAUX et puis aussi une partie sur les NOYAUX EXOTIQUES. Ca fait un beau programme

PROPRIETES DES NOYAUX

Comme d'habitude, petit résumé: Les noyaux c'est compliqué, on comprend pas exactement les interactions qui les structurent et calculer ces interactions, c'est très difficile.

Ceci étant ... on peut quand même mesurer et étudier un grand nombre de ces propriétés, notamment une des propriétés les plus connues et qui rend le noyau si célèbre: LA RADIOACTIVITE

La radioactivité est le phénomène par lequel des noyaux se transforment naturellement en d'autres noyaux.

Est-ce que tous les noyaux sont radioactifs ?

Non, il existe également des noyaux que l'on appelle stables, il restent toujours semblables au cours du temps, contrairement aux noyaux radioactifs. Ainsi, un noyau initialement instable subit une suite de transformation radioactives jusqu'à devenir un noyau stable et rester identique dans le temps. C'est pour cela que l'écrasante majorité des noyaux rencontrés à l'état naturel sont stables, mis à part quelques noyaux avec des demi-vies très longues (j'explique juste après ce qu'est une demi-vie) (en fait je l'explique vite fait ici: la demi-vie d'un noyau, c'est le temps au bout duquel le noyau a 1 chance sur 2 d'avoir été transformé par radioactivité)

Pourquoi certains noyaux sont stables et d'autres sont radioactifs

Et bien c'est pour une raison profonde, qui est également l'un des principes les plus fondamentaux de la physique: tout système physique suit naturellement une évolution qui tend à minimiser son énergie (c'est un peu simplifié, ceux que ça intéresse peuvent chercher "principe de moindre action").

C'est quoi l'énergie ?

Tous les physiciens utilisent allègrement le mot énergie dans tous les sens comme si c'était quelque chose d'extrêmement tangible, alors que c'est une grandeur plutôt abstraite et pas si simple à définir. On peut voir l'énergie comme une capacité à modifier un système. Par exemple je peux modifier un système Hummer rouge en lui donnant de la vitesse: donner de la vitesse à un système, c'est lui donner de l'énergie. Il existe plein de façons différentes de donner de l'énergie à un système, que ce soit de la température, de l'énergie chimique, etc.
Cependant, une propriété de l'énergie qui a chamboulé le monde de la physique, c'est la fameuse équation E = mc2 (attribuée à Einstein mais je suis pas là pour débattre de la parenté des équations)

c est la vitesse de la lumière dans le vide, c'est une constante, donc ça ne joue pas de rôle majeur dans l'équation. Si on l'ignore, on se retrouve avec l'équation E = m. L'énergie, c'est de la masse. ( Magalie est pleine d'énergie )

L'énergie, c'est de la masse (et vice-versa), ça vaut le coup de s'y attarder quand même.

On a vu que énergie = vitesse et maintenant énergie = masse, donc a priori masse = vitesse et on pourrait transformer de la masse en vitesse.

Comment le phénomène masse = énergie se traduit-il physiquement ?

C'est là que la gymnastique mentale devient complexe, donc je vais essayer d'être aussi clair que possible sur le pourquoi du comment:
- La nature tend à minimiser l'énergie des systèmes physiques (ici le système est le noyau)
- L'énergie c'est de la masse
Donc a priori, la nature tend à minimiser la masse des systèmes (quand c'est possible). En l’occurrence, il existe deux contributions principales à la masse des noyaux: la masse intrinsèque des nucléons et l'énergie (= masse) des interactions entre nucléons. La masse intrinsèque ne peut pas varier, par contre la masse qui provient des interactions, elle, varie énormément d'un noyau à un autre (c'est entre autres cette énergie (= masse) d'interaction qui est très difficile à calculer théoriquement).

Ainsi, suivant le principe de moindre action, le noyau tend à minimiser son énergie d'interaction (donc sa masse) en se transformant de différentes façons: c'est la radioactivité

On continue sur la radioactivité dans le prochain chapitre avec LES DIFFERENTS TYPES DE RADIOACTIVITE