Biophysique appliquée aux méthodes d'exploration - États de la matière et particules

Flashcards de vocabulaire et de notions clés pour le cours de biophysique sur la constitution de la matière, les particules élémentaires, les forces fondamentales et les états physiques.

Modèle de l'atome de Bohr

Modèle décrivant l'atome comme un noyau chargé positivement de dimension $10^{-14}\,m$ autour duquel gravite un nuage d'électrons chargés négativement, rendant l'ensemble électriquement neutre.

Proton

Nucléon du noyau atomique chargé positivement ($+1,6 \times 10^{-19}\,Coulomb$) de masse $1,6723 \times 10^{-27}\,kg = 1\,u.m.a$, découvert en 1910 par E. Rutherford.

Neutron

Nucléon du noyau atomique non chargé (neutre) de masse $1,6747 \times 10^{-27}\,kg = 1\,u.m.a$, découvert en 1932 par J. Chadwick.

Électron

Particule du cortège électronique de charge négative ($-1,6 \times 10^{-19}\,Coulomb$) et de masse $9,11 \times 10^{-31}\,kg = 1/2000\,u.m.a$, négligeable par rapport à celle des nucléons.

Particules élémentaires

Particules fondamentales sans structure interne identifiée, classées selon leurs comportements et leurs caractéristiques mesurables comme la masse, la charge et le spin.

Fermions

Catégorie de particules élémentaires constituant la matière et l'anti-matière, de spin $1/2$, obéissant à la statistique de Fermi-Dirac et dont chaque particule est associée à une antiparticule.

Bosons

Catégorie de particules élémentaires médiatrices (vecteurs) des interactions entre les fermions, transmettant les forces fondamentales, obéissant à la statistique de Bose-Einstein et possédant un spin $1$ pour les bosons vecteurs.

Quarks

Fermions (6 saveurs au total) associés aux interactions fortes, possédant une charge électrique fractionnaire ($+(2/3)e$ ou $-(1/3)e$) et une charge de couleur (rouge, bleu, vert).

Leptons

Catégorie de 6 fermions insensibles à l'interaction forte (3 leptons chargés de charge $-e$ et 3 neutrinos neutres), ne formant pas de particules composites.

Hadrons

Particules composites non élémentaires formées par l'association de plusieurs quarks via l'interaction forte, possédant une charge de couleur globale blanche.

Mésons

Catégorie d'hadrons formés par l'association de 1 quark et 1 anti-quark (exemples : pions, kaons).

Baryons

Catégorie d'hadrons composites formés par l'association de 3 quarks (exemples : proton et neutron).

Proton (composition)

Baryon composite formé de 1 quark down et 2 quarks up.

Neutron (composition)

Baryon composite formé de 2 quarks down et 1 quark up.

Charge de couleur

Nom imagé représentant l'état énergétique des quarks (rouge, bleu, vert pour les quarks ; anti-rouge, anti-bleu, anti-vert pour les anti-quarks), s'associant toujours pour former une couleur blanche chez les hadrons.

Positon

Anti-particule de l'électron (anti-électron $e^+$) appartenant à la 1ère génération des leptons, de masse $0,511\,MeV/c^2$ et stable.

Graviton

Boson hypothétique associé à la force de gravitation, non encore observé.

Photon

Boson vecteur de l'interaction électromagnétique (force de Coulomb), de masse et de charge nulles.

Gluon

Boson vecteur de l'interaction nucléaire forte (force de couleur), de masse et de charge nulles.

Bosons intermédiaires

Bosons vecteurs de l'interaction faible comprenant $W^+$ ($\text{charge} = +e$) et $W^-$ ($\text{charge} = -e$) de masse $80,4\,GeV/c^2$, ainsi que $Z$ ($\text{charge nulle}$) de masse $91,2\,GeV/c^2$.

Boson de Higgs

Boson de charge et de spin nuls, possédant une masse de $126\,GeV/c^2$.

Force de gravitation

Force attractive de portée infinie entre deux masses $m$ et $m'$, dominante à l'échelle humaine et cosmique, régie par $F = G \times \frac{m \times m'}{r^2}$ avec $G = 6,67 \times 10^{-11}\,N\cdot m^2\cdot kg^{-2}$.

Force de Coulomb

Force attractive ou répulsive de portée infinie entre deux charges $q$ et $q'$, dominante à l'échelle de l'atome et des molécules, régie par $F = K \times \frac{q \times q'}{r^2}$ avec $K = 9 \times 10^9\,N\cdot m^2\cdot C^{-2}$.

Électrodynamique quantique

Reformulation au XXe siècle par le physicien Feynman de la théorie de l'électromagnétisme de J.C. Maxwell (1864), introduisant les concepts quantiques et décrivant l'interaction comme un échange de photons.

Interaction nucléaire forte

Force de couleur $100$ à $1000$ fois plus forte que l'interaction de Coulomb, représentée par un puits de potentiel, assurant la cohésion du noyau et le confinement des quarks sur une portée de l'ordre du femtomètre ($10^{-15}\,m$).

Interaction faible

Interaction subatomique de portée de l'ordre de $10^{-17}\,m$, $10^7$ fois plus faible que la force forte, affectant tous les fermions, capable de modifier la saveur d'un quark et responsable de la radioactivité bêta.

Désintégration bêta +

Processus lié à l'interaction faible dans lequel un quark « u » se transforme en quark « d » par échange d'un boson $W^+$, transformant un proton en neutron.

Forces de Van der Waals

Interactions dipolaires électriques d'intensité faible à courtes distances entre atomes et/ou molécules, subdivisées en forces de Keesom, Debye et London.

Forces de Keesom

Composante des forces de Van der Waals s'exerçant entre deux dipôles permanents (entre molécules polaires).

Forces de Debye

Composante des forces de Van der Waals s'exerçant entre un dipôle permanent et un dipôle induit (entre une molécule polaire et une autre molécule polaire ou apolaire).

Forces de London

Composante des forces de Van der Waals dues à une répartition inhomogène du nuage électronique créant des dipôles induits, prépondérantes entre molécules apolaires.

Liaison hydrogène

Interaction attractive intermoléculaire entre un atome d'hydrogène et un atome fortement électronégatif comme l'oxygène, l'azote ou le fluor.

Forces de Born ou Pauli

Forces interatomiques répulsives empêchant l'interpénétration des nuages électroniques.

Courbes d'interaction interatomique

Représentation graphique montrant la force résultante $F = f(r)$ et l'énergie potentielle $E_p = f(r)$ en fonction de la distance interatomique $r$, indiquant un système stable lorsque $r = r_m$.

État solide

État physique de la matière condensé, ordonné, incohérent au mouvement, incompressible et non fluide à forme propre rigide, où l'énergie de liaison est très supérieure à l'énergie cinétique moyenne ($E_{\text{liaison}} \gg E_{\text{cinétique}}$).

État liquide

État physique condensé, désordonné, cohérent, incompressible et fluide sans forme propre, où l'énergie de liaison est de même ordre de grandeur que l'énergie cinétique moyenne ($E_{\text{liaison}} \approx E_{\text{cinétique}}$).

État gazeux

État physique non condensé, non cohérent, désordonné, dispersé, compressible et fluide, occupant tout le volume disponible car l'énergie de liaison est très inférieure à l'énergie cinétique moyenne ($E_{\text{liaison}} \ll E_{\text{cinétique}}$).

État plasma

Cas particulier d'état de la matière consistant en un gaz hautement ionisé dont les atomes ont été dissociés sous l'effet de la température, ne possédant ni forme propre, ni volume propre, ni énergie stable mesurable.

Matière molle

Concept défini par Pierre-Gilles de Gennes (Prix Nobel 1991) désignant des mélanges hétérogènes d'au moins 2 constituants (ex: sable, mousse à raser, pétrole) présentant des comportements complexes ou paradoxaux.

Corps pur simple et composé

Un corps pur simple est constitué d'un seul type d'atome (ex: barre de fer), tandis qu'un corps pur composé est constitué d'un seul type de molécule (ex: $H_2O$).