Région V : Région de décharge
Reading 4: Fundamental Forces And Elementary Particle Classification
Référence complète: http://35.9.69.219/home/modules/pdf_modules/m255.pdf Description : Le module à lire fait partie du Projet Physnet. Les particules élémen-taires y sont décrites d’une façon claire. De plus, le module contient des questions
pour réviser ainsi qu’un glossaire à la fin.
Justification : Le chapitre de cette unité correspond bien avec le contenu de cette
Description détaillée de l’activité (Principaux éléments
théoriques)
Introduction
La force nucléaire est l’une des quatre interactions qui existent dans la nature. La discussion et l’explication de la force nucléaire est en lien avec la physique des particules élémentaires. Dans la première partie de cette activité, vous étudierez les quatre interactions fondamentales dans la nature. Dans la deuxième partie, des théories qui expliquent la force nucléaire seront étudiés en détail. La dernière partie de cette activité vous permettra d’examiner les particules élémentaires en mettant l’emphase sur leur rôle dans l’interaction nucléaire et dans l’interaction entre les particules élémentaires.
4.1 Interaction fondamentale dans la nature
Il y a quatre interactions fondamentales dans la nature, soit : forte (nucléaire); élec
-tromagnétique; faible et gravitationnelle. Le tableau ci-dessous illustre les forces
relatives des quatre interactions fondamentales.
Type d’interaction Force relative Champ (Portée) Gravitationnelle
: 10
−39 ∞Faible (exemple : Désintégration bêta) : 10−13 presque zéro
Électromagnétique : 10−2 ∞
Forte (Nucléaire) 1 14
10− m
:
Dans notre vie quotidienne, nous faisons souvent l’expérience des forces de gravité et d’électromagnétisme. Quant aux interactions fortes et faibles, il s’agit de nouvelles forces introduites lors des discussions à propos des phénomènes nucléaires. Lorsque deux protons se rencontrent, ils font l’expérience des quatre forces fondamentales de la nature en même temps. La force faible gouverne la désintégration bêta et les interactions des neutrinos avec les noyaux. La force forte, qui est généralement nommée « la force nucléaire », est, en réalité, la force responsable de la liaison des nucléons.
Les forces nucléaires
Les forces qui s’exercent entre les nucléons dans le noyau sont les forces nucléaires. Une idée à propos de ces forces peut être obtenue à partir de considérations générales. La stabilité d’un noyau et la libération de l’énergie (provenant du noyau formée de nucléons) sont des indications que jusqu’à une certaine distance entre les nucléons, les forces nucléaires sont des forces d’attraction.
Les forces nucléaires ne peuvent pas être des forces électrostatiques ordinaires puis-que, à ce moment-là, un noyau stable composé d’un proton et d’un neutron serait inconcevable. Malgré tout, un tel noyau existe vraiment, tout comme le neutron : il s’agit le noyau de l’hydrogène lourd ou deutérium 2
1D . Le deutéron est un système stable qui a une énergie de liaison de 2,2 MeV.
Le noyau occupe un élément fini de l’espace. À l’intérieur de cet élément, les nu
-cléons doivent être éloignés à une distance définie les uns des autres. Évidemment,
à une certaine distance, les forces attractives laissent la place aux forces répulsives. La distance à laquelle cette transition se produit est exprimée en termes de fermis
(fm). Un fermi est défini comme étant :
15
1fm=10 cm
−Le fermi n’est pas différent de l’unité du premier rayon de Bohr dans l’atome d’hy-drogène, unité utilisée dans la mesure des distances en physique atomique. Les ob-servations et la théorie ont aussi révélé d’autres propriétés des forces nucléaires.
Propriétés des forces nucléaires
1. Les forces nucléaires ont une courte portée : On a découvert que les forces nucléaires avaient une très courte portée et qu’elles n’avaient essentiellement aucun effet au-delà des dimensions nucléaires. La distance de 2,2 fm est alors devenue connue comme étant la portée des forces nucléaires.
2. Les forces nucléaires sont indépendantes de la charge, c’est-à-dire que les inte-ractions entre deux nucléons sont indépendantes du fait que l’un ou l’autre des nucléons (ou bien les deux nucléons) aient une charge électrique. En d’autres mots, les interactions neutron-neutron, neutron-proton et proton-neutron sont presque identiques dans leurs caractéristiques. Par conséquent, en ce qui concerne
spécifiquement les interactions nucléaires, les protons et les neutrons sont des
particules identiques. L’indépendance de la charge des forces nucléaires a été établie à partir d’expériences de diffusion des protons par les neutrons et de diffusion des neutrons par les protons.
3. Les forces nucléaires sont des forces non-centrées, ou tensorielles, ce qui
si-gnifie que la direction de ces forces dépend en partie de l’orientation du spin
des nucléons (ce dernier peut être orienté de façon parallèle ou anti-parallèle). Ce phénomène a été démontré clairement par des expériences de diffusion des neutrons par les molécules de para-hydrogène et d’orthohydrogène. La différence entre la molécule de para-hydrogène et celle d’orthohydrogène est la suivante : la molécule de para-hydrogène a une orientation anti-parallèle du spin alors que celle d’orthohydrogène a une orientation parallèle du spin. Si l’interaction entre les nucléons était indépendante de l’orientation du spin, les neutrons seraient diffusés de façon identique par l’orthohydrogène et par le para-hydrogène. Ce-pendant, les observations ont prouvé le contraire, ce qui montre que les forces nucléaires sont dépendantes de l’orientation du spin.
4. Les forces nucléaires sont saturables : bref, un nucléon peut seulement attirer quelques uns de ses voisins les plus proches.
4.2 Particules élémentaires
Les discussions et les explications à propos des forces nucléaires sont en lien avec la physique des particules élémentaires. Parmi les particules élémentaires qui sont importantes en physique nucléaire, il y a celles qui sont présentées dans le tableau ci-dessous.
Plusieurs de ces particules ont leur homologue anti-matière. Par exemple, il y a un anti proton
p
- pour p; pourβ−, il y aβ+; pourκ+, il y aκ−; pourΞ− , il y aΞ+;etc. Lorsqu’une particule et une antiparticule se rencontrent, elles s’annihilent l’une l’autre.
En général, les particules sont classées en deux types selon les statistiques auxquelles elles obéissent :
(I) Fermions :
a. Obéissent à la statistique de Fermi-Dirac
b. Ont un spin demi-entier, c’est-à-dire que
3 5
, ,
2 2 2
h h h
Lβ
−, , , ,n p λ
Σ
sont des exemples de fermionsLes fermions sont ensuite classés en baryons (les fermions de masse m > masse d’un proton) et en leptons (fermions de masse m < masse d’un proton)
(II) Bosons :
a. Obéissent à la statistique de Bose-Einstein
b. Ont un spin entier, c’est-à-dire que
h h h L, 2 , 3 ,
, , ,g π κ sont des exemples de bosonsLes bosons sont ensuite classés en photons (bosons ayant une masse au repos de zéro) et en méson (bosons ayant une masse au repos différente de zéro)
Les mésons et les baryons, qui interagissent fortement avec les noyaux (nucléons) sont aussi appelées en général les hadrons. À l’opposé, les leptons et les photons n’interagissent pas fortement avec les noyaux.
4.2 Théorie des forces nucléaires selon Yukawa
Dans la liaison covalente, les molécules sont retenues ensemble par le partage (mise en commun) des électrons. En 1936, Yukawa a proposé un mécanisme semblable pour expliquer les forces nucléaires.
Selon la théorie de Yukawa (aussi connue sous le nom de théorie des mésons), tous
les nucléons consistent en des cœurs identiques entourés par un nuage d’un ou de
plusieurs mésons : chaque nucléon est continuellement en train d’émettre ou d’ab-sorber des pions, c’est-à-dire que la force entre les nucléons est expliquée comme étant l’échange de particules élémentaires par les nucléons selon l’un des processus suivants :
p Ä p+ π
0n Ä n+ π
0p Ä n+ π
+n Ä p+ π
−Ces équations violent la loi de conservation de l’énergie. Un proton ayant une masse équivalant à 938 MeV devient un neutron de 939,55 MeV qui émet un pion de 139,58 MeV! Cette violation de la conservation de l’énergie peut se produire seule-ment si la violation existe pour une si brève période de temps qu’elle ne peut pas être mesurée ou observée par le principe d’incertitude de Heinsenberg :
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