Yves Rabbia, astronome Observatoire de la Côte d'Azur, [email protected] 06 24 33 84 96

1UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers

UEL une première rencontre avec l'astronomieéléments pour illustrer le cours chap 08 kit pour univers

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Yves Rabbia, astronome Observatoire de la Côte d'Azur,

[email protected] 24 33 84 96


un kit pour l'univers ou recette pour faire...avertissementun tout petit kit

version camping , tres sommaireavec raccourcis sauvages et oublis volontaires

cela juste pour raconter un tout petit peu d'univers(restriction déjà annoncée à la session 1)

note : on ne part pas du début de l'univers (mais y a t il seulement un debut ? )

nos ingrédients

de la matière et de la lumière des interactions (façons de les combiner) des concepts pour jouer avec tout ça


matière : de l'intuition au LEGO fondamental_1

antiquité grecque environ 400 av JC: deux conceptions

Empedocle matiere : 4 elements : air, terre, eau, feu interactions : attirance (amour) et repulsion (haine)

Leucippe matiere : assemblage de particules infimes insecables ( a-tome), eternelles

les differents aspects de la matière resultent desdiverses façons d'assembler ces particules.

jusqu'ici, c'est speculatif, et fondé sur des conceptions intuitive, métaphysique, mystique, mythologique, ......

issue historiquel'autorité d'Aristote imposera la conception d'Empedocle


matière : de l'intuition au LEGO fondamental _2

la conception atomiste est réintroduite par la chimie sur des fondements experimentaux

on distingue : les atomes (corps simples, éléments chimiques)les molécules, (corps composés, assemblages d'atomes

exemples : atomes et moléculesHydrogène, Carbone, Azote, Oxygène, Fer: atomes (H,N,C,O,F)Eau, Gaz Carbonique, rouille (H2O, CO2, Fe2O3)

un grand saut dans le temps Lavoisier A.L. (1743-1794) , Proust J.L. (1754-1826) , Dalton John (1766-1844)

Avogadro A. ( 1776-1856))

éléments chimiques : tableau de Mendeléev D.I. (1834-1907)

!



les acteurs permanents (longue durée)

les acteurs éphémères (courte vie) ce sont d'autres particules élémentaires : toute une faune

description minimale adaptée à nos besoins immédiats

une présence énigmatique : la matière noire matière noire = ?????

on verra plus tard pourquoi on invoque cette présence

groupés ils formentdes noyaux atomiques

des atomes

médiateurs d'interactions : ils sont présents dans les réactionsentre protons, neutrons, electrons, .....

protonsneutronsélectronsphotonsneutrinos



electrons, protons, neutrons, photons, neutrinos : ils ne sont pas arrivés par magieleur introduction a demandé :

de l'imagination excitée par de l'expérimentation

découverte de l'électron : 1897, J.J.Thomson

découverte du noyau : 1911, E. Rutherford

introduction du proton : 1916, J.J.Thomson

découverte du neutron : 1932, J. Chadwick

découvertes antérieures : rayons cathodiques (1895), radioactivité (1896)

introduction du photon : 1905, A. Einstein

introduction du neutrino : 1933, E. Fermi

plus de 40 ans pour parcourir ce chemin



de là, un nouveau modèle pour l'atome : le pudding

charges négatives uniformement réparties dans un milieu de charge positiveconservant la charge globale nulle connue par ailleurs

+-

-

---

-

-- J.J.Thomson

1856-1940

illustration 1 decouverte de l'electron : JJ Thomson experience : tube de crookes + aimantsenceinte à vide, chauffage d'un filament metallique, tension electrique, cible fluorescente

apport de Thomson : les atomes ne sont plus de simples billes homogèneset quoique électriquement neutres, ils comportent des particules de charge négative

vide

- +observation : impacts lumineux sur la cible interpretation : emission de particules par le filament chaufféobservation : particules guidées et accélerées par tension electrique, et trajectoire modifiée par champ magnetique, interpretation : particules de charge negative


matière : de l'intuition au LEGO fondamental _6exemple 2:

découverte du noyau : E. Rutherfordjets de particules sur feuille d'or repérage des déviations,

source

cible

detecteurs

de là, un nouveau modèle "noyau + nuage electrons"il invalide le pudding

electrons là dedans

noyau

E. Rutherford1871-1937

apport de Rutherford : deviations par micro-obstacles diffuseurs localisésles atomes ont un noyau compact , dense, massif



Rutherford propose le modèle :atome = noyau + electrons en orbite autour

mais ce modèle se révèle incompatible avec la physique de l'époque

N. Bohr(1885-1962)

plus tard une description du noyau : assemblage de protons et de neutrons, caractérisé par 2 nbres :

Z : numero atomique, nbre de protons, A : nbre de nucleons

plus tard Niels Bohr, grace à la spectro et à la mécanique quantique,réhabilite et étend cette représentationappelée "atome de Rutherford-Bohr"



à cette étape

atome = noyau + electrons qq part autournoyau = A nucleons, dont Z protonspar suite : Z electrons

car atome : charge electrique nulle

de nouveaux acteurs : les ionslorsqu'un atome perd ou gagne un (des) electron(s)sa charge electrique n'est plus nulleon a alors un "ion" (grec : ion – aller)

et deux acteurs majoritairement présents dans l'univers Hydrogène ( 1 proton, 1 electron)et Helium (2 protons, 2 neutrons, 2 électrons)

n'oublions pas l'ion H+ : 1 proton


matière : de l'intuition au LEGO fondamental _ 9est ce l'étape ultime ??

composant charge electrique "dimension"(guillemets)

masse

proton positive e+ ou q q = 1.6 10-19 C

10-10 m 1 uma = 1.61×10-27 kg

electron negative : e = - q 10-18 m 9 × 10-31 kg proton/2000

neutron nulle 10-10 m environ 1 u.m.a

noyau ( A nucleons)

positive "Z. e+" 10-9 m 0.001 m

A u.m.a.

l'étape ultime ?? non , protons et neutrons = assemblage de quarksmais ça suffira pour l'instant


matière, suite tout ça pourquoi ??

pour rappeler ou montrer comment on en est arrivé à décrire divers constituants de la matièreconcepts et modèles établis via l'experimentation

pour introduire divers acteurs (des molecules aux nucléons)

pour montrer qu'on peut casser les assemblages (le noyau aussi, on verra plus tard avec les étoiles)mais pour cela il faut de l'energiepar exemple : chocs entre particules (photons inclus)

on peut intuiter aussi que si on chauffe on peut casser les edifices (molecules, atomes, noyaux,...)si on refroidit le milieu, les divers constituants peuvent s'assemblersi on sait assembler les constituants on devrait recuperer de l'energie

il nous faut alors voir comment tout ça interagitmais d'abord voyons les états de la matiere

!


matière : comment se présente-t-elle à notre quotidien ?trois états familiers, solide, liquide, gaz et un moins familier : plasma

note : gaz parfait : modèle thermodynamique où les particules n'interagissent pas en dehors de chocs, leur taille est négligeable devant la distance moyenne interparticuleles gaz communs , à basse pression relèvent de ce modèle

gaz : particules distantes (beaucoup d'espace entre elles)et en mouvement aléatoire incessant, tendant à occuper tout le volume offert(dihydrogene, vapeur d'eau, gaz carbonique, ...)

liquide : les particules de matière sont en contact, empilées sans ordre, les positions ne sont pas fixes, les mouvements sont aléatoires et là aussi sont amplifiés par l'élévation de temperature (eau, metal en fusion)

solide : molécules, atomes ou ions assemblés dans une structure ordonnée, périodique ( glace, métal, sel de cuisine)Ils s'écartent peu de leur position moyenne, leur mouvement d’agitation est amplifié qd la temperature augmente

plasma : pour faire bref, on dira gaz de particules chargées ( interactions electriques, à distance) ?

!


états de la matière : illustrations

gaz

liquide

solide

plasma


matière et lumière : aperçu sur les interactionsou "les forces dans la nature" 1

electromagnetismeMaxwell (1831-1879)

gravitation , Newton (1642-1727)

électricité, Coulomb (1736-1806)

magnétisme, Faraday (1791-1867)

radioactivité interaction nucléaire faible Fermi 1933 interaction nucléaire forte 1967-1970gravit. revisitée, Einstein (1879 _1955)

un peu de chronologie!


matière et lumière : aperçu sur les interactionsou "les forces dans la nature" _ 2comment ça marche ?

electromagnetisme : forte attirance entre charges de signes opposés (amour , hetero)

repulsion entre charges de même signe (haine , homophobie)

mais alors ?? comment tiennent les protons dans les noyaux ?

interaction forte : si l'on parvient à approcher suffisament les charges positives la repulsion () est vaincue et elles s'assemblent très très fort ( )et à l'accouplement elles libèrent de l'energie (soupirs ?)mais alors on ne les décolle plus, sauf si on leur tape dessus très très fort

gravitation : attirance entre masses (que de l'amour )

interaction faible : pour faire bref, les noyaux crachent une partie d'eux-mêmes sous forme de particules, c'est la radioactivité

!


matière et lumière : aperçu sur les interactionsou "les forces dans la nature" _ 3

les forces dans la nature intensités relatives portée

interaction forte (nucleaire) 1 10 –15 m noyau

interaction elmg (atome, chimie) 1/137 infinie

interaction faible 10 – 6 10 –18 m proton(radioactivité beta et autres)

gravitation : toute matiere (ou energie), attraction mutuelle 10 -39 infinie

la gravitation est la plus faible , mais c'est celle qui gagne toujours au bout du compte

qui c'est le plus fort ??!


un peu de physique nucléaire ?

radioactivité Noyau 1 Noyau 2 + noyau Helium

radioactivité Noyau 1 Noyau 2 + [e+] + neutrino

radioactivité Noyau 1 Noyau 1' + energie la composition du noyau ne change pas mais

il y a émission d'énergie (rayonnement

radioactivité : certains noyaux changent spontanément de compositionen émettant des particules (désintégration radioactive)

note : particules élémentaires e+, neutrinos, ... tout un tas d'autresprésentes dans la nature et/ou créées dans accélerateurs (collisionneurs)particules cibles, particules projectiles

réactions nucléaires productrices d'energie :

fission : 1 lourd 2 moins lourds + autres + energiefusion : 2 legers 1 plus lourd + autres + energie


illustration : le Large Hadron Collider ( LHC) Geneve


mais quel rapport avec l'astro ??

qqs exemples en vrac

formation des étoiles : molécules, atomes, noyaux

origine du rayonnement : reactions nucléaires, particules élementaires

big bang : particules elementaires, noyaux, atomes, ...structures

nucléosynthèse primordiale : réactions nucléaires

nucléosynthèse stellaire : réactions nucléaires

physico-chimie des astres : électrons

énergie du vide ? (energie noire?)

sursauts "gamma"

....... ???voir clip fusion.mov avec real player

!


rappels utiles pour les gaz :deux grandeurs caractéristiques temperature et pression _ 1

on a adopté la représentation : gaz parfait = ensemble de particules à grandes distances les unes des autresqui interagissent seulement par collision et qui sont en mouvement désordonné

grande = bien plus grand que la dimension des particules

en astro cette situation peut souvent s'appliquer à divers objets et comme "particules" on peut prendre : protons, electrons, atomes, ions, molecules, mais aussi petits corps du syst sol, etoiles , galaxies,....

on définit deux grandeurs physiques pour ces ensembles pression et temperature


rappels utiles pour les gaz :deux grandeurs caractéristiques temperature et pression _ 2temperature : indicateur de l'energie cinetique moyenne des particules (mouvements désordonnés, agitation) Ecin = m. < v2 >/2 m : masse d'une particule, < v2 > valeur

moyenne des v2

la physique montre que Ecin (joules) proportionnelle à T (kelvin) constante de proportionnalité k : cste de Boltzmann, en Joule/Kelvinphenomenologie :

masses plus grandes Ecin plus grandevitesse moyenne plus grande Ecin plus grande

en résumé pour un ensemble de particules identiquesEcin plus grande signifie T plus élevée et réciproquement

et aussi : T plus grande chocs plus violentset possible casse des molecules, atomes, noyaux, .....

T.k.Ecin 23


rappels utiles pour les gaz :deux grandeurs caractéristiques temperature et pression _ 3

pression : indicateur de la volonté naturelle d'expansion du gaz

c'est l'intensité de la force appliquée sur l'unité de surfaced'une enceinte limitant le volume accessible

modélisation : pression liée à la frequence et à la violence des chocs sur la paroi particules plus nombreuses , pression plus grandeparticules plus rapides , pression plus grande

avec tout ça , on parlera de la formation d'une étoile

On connait par ailleurs ( lycee) une loi emprique reliant pression, volume et T

Pression . Volume = cste.T

ainsi dans un volume donné, si T augmente alors P augmente les particules sont plus rapides et tapent plus fort sur ce qui empeche leur expansion : les parois de l'enceinte qui les contient


rappels utiles pour les gaz : deux grandeurs caractéristiques temperature et pression _ 4illustration sommaire et limitée, des concepts précédents

T1 T2

T1 < T2

P1 = F1/S P2=F2/S

SSF2F1

P1 < P2ici, j'ai représenté seulement lesnchocs par des particules dont la vitesse est perpendiculaire à la paroi, en fait il y a toutes les orientations possibles pour la vitesseet c'est la composante normale à la paroi qui compte


et maintenant jouons un peu avec notre kittemperatures de casse

on a une assemblée de molecules (gaz) disons H2

elles ont une energie de liaison (pour tenir ensemble les atomes)la temperature du milieu est T : ambiante 300 Kelvinson va augmenter T sans cesse, que se passera-t-il ?

elles vont s'entrechoquer de plus en plus violemment (vitesse des rencontres)

T atteint 50 000 Kelles sont cassées et les atomes sont libérés

T atteint 150 000 Kles electrons sont separés des noyaux (ionisation de l'hydrogene), on aura une soupe de protons (ion H+) melangée à une soupe d'electrons

on augmente encore la temperatureles protons s'entrechoquent de plus en plus fortjusqu'à ce la réaction du fusion des protons commence ( 8 106 Kelvins)

!


encore un peu de physique avant de retourner vers les étoiles et le reste ......

corps noirgravitationcorps noirgravitation

ce sera l'objet de la session suivantece sera l'objet de la session suivante

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