FORMULES de PHYSIQUE
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Q2.CARACTÉRISTIQUES des PARTICULES
-baryons
Un baryon est une particule de la famille des fermions-hadrons suivant le principe de Pauli
Caractéristiques des baryons
--composition >>> Iiaison de 3 quarks
--spin >>> multiple de 1/2
--couleur >>> mixée.
–masse moyenne >>> 2.10-27 kg (1300 MeV/c²)
--énergie moyenne >>> 1000 eV
Ils dépendent de la force forte, de la force faible, de la gravitation et de l'électromagnétisme (sauf les baryons neutres, qui sont électriquement neutres)
--liste >>> neutron, proton, antiproton, nucléon excité Λ, Ξ(chargé -), Ξ (chargé +),
Ξ(neutre), grand(s) Ω, Δ, N, charmé Σc, charmés Ξc, Λc, Ωc, hypéron bottom Λb
--nombre quantique >>> nombre baryonique B .
–-énergie globale (totale pour l’univers) >>> environ 4 % du total de l'énergie de l'univers
La totalité baryonique de l’univers représente environ 2.1053 kilos et comme chaque baryon y entre pour environ 2.10-27 kg, on peut estimer leur nombre total à 1080 unités (dont 1077 nucléons)
Baryonique est un adjectif qui signifie "appartenant à la famille des baryons"
On dit souvent que la matière est baryonique (car constituée de baryons, qui sont des hadrons fermions) mais ce n’est pas exact car il existe une autre famille de hadrons (les hadrons bosons, comportant les mésons, les pions, les kaons….) qui sont aussi constitués de quarks, donc de matière. On devrait donc dire que la matière est hadronique
Voir liste des particules, en exergue
-bosons
Les bosons sont, étymologiquement, des particules répondant à la statistique de Bose-Einstein
Ils ont un spin entier; ils peuvent se superposer sur une autre particule qui a un état quantique similaire (ils ont donc un comportement grégaire)
Il existe 2 familles (très différentes) de bosons:
1.LES BOSONS-HADRONS
sont des particules composites (combinaison de plusieurs particules élémentaires massiques)
-d’une part des mésons non chargés
(quarkonium, bosons η, ω, Φ, et divers bosons neutres comme kaon, pion, etc) sont composés de (quarks + antiquarks) et possèdent:
-une masse (donc sensibles à la force de gravitation)
-diverses couleurs (donc sensibles à la force forte)
-une saveur (donc sensibles à la force faible)
-0 charge électrique (donc insensibles à la force électromagnétique)
-d’autre part des mésons électriquement chargés
(pion, B, Δs, kaon + ou kaon - etc) sont aussi composés de (quarks + antiquarks) et possèdent:
-une masse (donc sensibles à la force de gravitation)
-2 à 4 couleurs (donc sensibles à la force forte)
-une saveur (donc sensibles à la force faible)
-et 1 charge électrique (donc sensibles à la force électromagnétique)
voir leurs caractéristiques détaillées dans le tableau (PARTICULES) en exergue
2.LES BOSONS de JAUGE sont des particules strictement élémentaires
2.1.leur création
En première analyse, l'énergie du milieu universel (alias énergie du vide) est une mousse de bulles vibrantes élémentaires d'énergie, chacune vibrant selon ses propres critères (dimension, orientation, fréquence...)Parallèlement, le milieu possède des qualités spécifiques (dites facteurs de milieu) dont les variations amènent à des créations de matière et en particulier des sources inductives.
Parmi ces sources inductives, existe le champ de Higgs Y*(dimension L3.T-2.A)-- qui n'est pas perceptible à nos instruments de mesure, car il n'émet rien et n'auto-enclenche pas de forces-- mais il est fabricant de masses, dès lors que les variations de la constante cosmologique KL le permettent
En effet, la naissance d'une masse est effective sous la formulation m = Y*.pU / c4.δKL
(m en kilos, Y* en m3-sr/s², pUen J/m3, c en m/s et KL en sr/m²)
Ces masses créées--qu'on nomme alors bosons de Higgs--s'échelonnent entre 10-25 à -65 kg environ (cet éventail provenant des différentes fréquences des bulles élémentaires d'énergie d'où elles sont issues)
Parmi ces masses-bosons, certaines sont perturbées par un champ, dit champ intermédiaire, qui transforme le b. de Higgs en un second boson (boson intermédiaire) Puis, dans une seconde étape, ce boson intermédiaire est ensuite repris en l'état par un champ médiateur, qui le transforme en un boson médiateur --ou boson-véhicule-- non massique.
Ce dernier est mieux connu que ses prédécesseurs (parce qu'il est plus durable que ses parents, qui ont tous disparu en moins de 10-20 s.) Il s'agit --selon le type d'interaction--des graviton, gluon, photon et W/Z
Si ces bosons-véhicules sont si bien connus, c'est parce qu'ils sont --d'après le modèle standard des champs quantiques-- les nécessaires agents de liaison des interactions entre 2 charges induites (voir paragraphe 2.2. ci-dessous)
Cas de la gravitation:
-le champ de Higgs Y*est dit de type Higgs 2
-le boson de Higgs 2, qui en est issu (massique) est une masse neutre, de dimension M et de valeur inférieure à 10-53 kg
-le champ intermédiaire n'a pas reçu de nom spécial, mais il tient compte de la (fréquence au carré) de la vibration originelle >>> dimension T-2
-le boson intermédiaire résultant n'a pas reçu de nom spécial; il a donc pour dimension (M).(T-2)= M.T-2 C'est aussi h.n3 / c² --et c'est équivalent à une ténacité--
-le champ médiateur intervenant immédiatement après, est l'inverse du potentiel nucléaire U' ; avec dimension L.M-2
-le boson médiateur (ou boson-véhicule) résultant est le graviton (pas encore physiquement appréhendé à ce jour),de dimension (M.T-2).(L.M-2)= L.M-1.T-2 c'est donc une élastance mécanique linéique Le graviton n'est pas massique, comme le montre sa dimension
Cas de l'électricité:
-le champ de Higgs Y*est dit de type Higgs h0
-le boson de Higgs qui en est issu (massique) est le quantum électrique. C'est une masse, de dimension M et de valeur variable entre 10-50 et -63 kg)
-le champ intermédiaire n'a pas reçu de nom spécial, mais il tient compte de la fréquence au carré de la vibration originelle >>> dimension T-2
-le boson intermédiaire résultant n'a pas reçu de nom spécial; il a donc pour dimension(M).(T-2)= M.T-2
-le champ médiateur intervenant immédiatement après, est l'inverse du potentiel électrique nucléaire U'é avec dimension L.T-2.I-2
-le boson médiateur (ou boson-véhicule) résultant est le photon, de dimension (M.T-2).(L.T-2.I-2)= L.M.T-4.I-2 c'est une élastance électrique linéique. Le photon n'est pas massique, comme le montre sa présente dimension
Cas de l'interaction forte
-le champ de Higgs Y* est nommé Higgs 3
-le boson de Higgs qui en est issu est le boson de Madala. C'est une masse, de dimension M et de valeur environ 10-26 kg
-le champ intermédiaire n'a pas reçu de nom spécial, mais il tient compte de la (fréquence au carré) de la vibration originelle >>> dimension T-2
-le boson intermédiaire résultant est nommé gluon,ayant pour dimension (M).(T2)= M.T-2 C'est aussi h.n3 / c²--et c'est équivalent à une ténacité--
-le champ médiateur est la couleur, dimension T², qui va redonner de la masse au boson résultant ci-après
-le boson médiateur (ou boson-véhicule) est dénommé boule de glu. Il est massique, puisque (M.T-2).(T2)= M(valeur 5.10-27 kg)
Cas de l'interaction faible
-le champ de Higgs Y* est nommé Higgs 1
-le boson de Higgs qui en est issu est le boson BEHHGK. C'est une masse, de dimension M et de valeur 2,3.10-25 kg
-le champ intermédiaire n'a pas reçu de nom spécial, mais il tient compte de la (fréquence au carré) de la vibration originelle >>> dimension T-2
-le boson intermédiaire résultant est nommé W ayant pour dimension (M).(T2)= M.T-2
-le champ médiateur est la saveur, de dimension T², qui va redonner de la masse au W
-le boson médiateur (ou boson-véhicule) est le boson faible dit boson W+ ou W- ou W0(ou Z) selon sa charge en saveur.Ce sont des bosons massiques, puisque
(M.T-2).(T²)= M Valeur de la masse de ces bosons W+,-,0 >>> 1,5.10-25 kg.
Les 12 bosons ci-dessus sont des bosons de jauge.Leur naissance a lieu soit spontanément (c'est à dire qu'on n'en connaît ni la cause, ni la genèse, ni l'accouchement), soit sur sollicitation humaine (à partir de collisionneurs qui envoient suffisamment d'énergie pour que, de temps en temps, cela secoue l'énergie du vide et lui permette de créer sous nos yeux --en 10-24 seconde-- de tels bosons. En fait, ces naissances sont possibles à partir des particules virtuelles, ces arlésiennes qui interviennent en permanence dans les soubresauts énergétiques du milieu universel. On peut, en créant un choc énergétique, causer une production d'un boson, par exemple, en s'attaquant aux fluctuations autour de quarks lourds, ou bien lors d'annihilations de gluons, ou encore lors de couplages entre un W et un autre boson virtuel...
2.2.leur rôle d'agent de liaison
L'une des principales fonctions des ci-dessus bosons-véhicules, est de permettre une interaction entre des charges (similaires entre elles), par création d'une force, de nature newtonienne:
---le fantomatique graviton est censé initier la force attractive de gravitation (loi de Newton >>> force(dim° L.M.T-2) = masse(dim° M) x masse(dim°M) x graviton(dim° L.M-1.T-2)
---le photon initie la force répulso-attractive électrique (loi de Coulomb >>> force(dim° L.M.T-2) = - charge élec(dim° T.I) x charge élec(dim° T.I) x photon(dim° L.M.T-4.I-2)
---le gluon initiera la force forte >>> force(dim° L.M.T-2) = masse rapprochée(dim° M) x masse rapprochée(dim° M) x fluence(dim° L-2.A-1) de la constante de gravitation(dim°L3.M-1.T-2.A)
---les bosons W+, W- ou Zneutre initieront la force faible (assez peu variable) similairement à l'interaction forte ci-dessus
Les bosons W,Z , qui ont une durée de vie moyenne de 10-8 seconde, peuvent parfois apparaître multiplement (diboson ou triboson)
2.3.leur rôle complémentaire
Les bosons de jauge favorisent en outre des transmutations, dégénérations, désintégrations ou couplages entre certaines particules primaires ou composites (comme les électrons, les neutrinos, les quarks.... et accessoirement avec eux-mêmes !)
Les bosons W,Z provoquent par ailleurs une brisure de la symétrie massique de la particule sur laquelle ils déposent leur saveur
On lit souvent que les bosons de Higgs confèrent la masse aux particules composites (fermions ou hadrons) Ce n'est pas exact car lesdits bosons sont eux-mêmes des masses (parmi d'autres). Ce qui crée la masse, c'est le champ de Higgs (Y*) mais pas le boson (revoir l'équation de la naissance ci-dessus)
Les bosons W/Z ont une durée de vie moyenne de 10-8 seconde, les BEHHGK ≈ 10-25 s.
-bosons de Higgs
Les bosons de Higgs (au pluriel car il y en a plusieurs) sont des bosons de jauge initiaux
Pour expliquer la présence des bosons de jauge "véhicules", c'est à dire ceux qui marient les charges induites massiques ou électriques en créant entre eux une force d'interaction, on est amené à comprendre d'abord d'où ils viennent.
On estime qu'il y a initialement le champ de Higgs (source gravitationnelle) qui, à partir de l'énergie universelle, crée une masse, dite boson de Higgs, par >>>
m (du b° Higgs, en kg) = Y*.pU / c4.KL où Y* = champ de Higgs Y* disponible dans le vide (son quantum valant ~ 2,4.10-36 m3-sr/s²)
pU (J/m3) = énergie volumique du milieu, c = constante d'Einstein (2,99792458 .108 m/s) et KL = constante cosmologique (2,2.10-51 sr/m²)
Ce boson est très vite transformé par un champ intermédiaire, pour devenir un boson intermédiaire et il est instantanément repris par un nouveau champ, dit champ médiateur, qui le retransforme en un dernier type de boson dit boson médiateur ou boson-véhicule
Ce dernier (véhicule) est alors capable d’initier une force d’interaction (F) en se mariant avec 2 charges induites similaires >>>
F = force = (charge induite)x(charge induite)x(boson-véhicule) --c’est la loi de Newton--
Le véhicule de la gravitation est le graviton, celui de l'électricité est le photon, celui de la force forte est le gluon et celui de la force faible est le W*/- (ou Z)
Pour revenir aux bosons de Higgs, qui sont donc les premiers bosons de jauge à apparaître dans cette saga, ils figurent sous divers modèles (diverses masses) dépendant de la fréquence des boules d'énergie du milieu universel d'où ils sont issus. (théoriquement : masse = h.n / c², soit 10-50.n en unités S.I.+)
Ceux qui serviront aux interactions de gravitation ont une masse d'environ 10-65 kg.Ils sont dits bosons de Higgs de type 2
Ceux qui serviront aux interactions d'électromagnétisme ont une masse comprise entre 10-50 à -63 kg.Ils sont dits bosons de Higgs de type h0
Ceux qui serviront aux interactions d'interaction forte ont une masse d'environ 10-26 kg.Ils sont dits bosons de Higgs de type 3 ou Madala
Ceux qui serviront aux interactions d'interaction faible ont une masse d'environ 10-25 kg.Ils sont dits bosons de Higgs de type 1 ou BEHHGK
Chacun des bosons évoqués ci-dessus est très volatil (il y a déclenchement rapide de tous ces champs et seul la force d’interaction finale (sous la formulation de Newton-Coulomb) est pérenne, dans ce fatras de réactions bosoniques.
Le BEHHGK a une durée de vie de 10-23 s. C'est le plus connu des divers bosons de Higgs et son appellation est parfois résumée sous ‘’boson BEH (pour Brout-Englert-Higgs)’’.Les bosons W,Z , qui ont une durée de vie moyenne de 10-8 seconde, peuvent parfois apparaître multiplement (diboson ou triboson)
Ces W,Z provoquent une brisure de la symétrie massique de la particule sur laquelle ils s'accrochent.En effet, la position du (W/Z), perturbe la disposition antérieure de la masse, ce qui en détruit la symétrie.
-bosons W,Y,Z
La théorie quantique des champs (QFT en anglais) a pour but d'expliquer les interactions fondamentales à l'aide de relations entre les particules élémentaires, où il est supposé que des charges de même nature interagissent grâce à l'intervention de particules spécifiques, dites bosons de jauge
Les bosons de jauge de l'interaction faible seraient alors effectifs dans le scénario suivant:
-une masse m, est née, comme toutes les masses, à l'occasion de fluctuations du milieu universel >> m = Y*.dpU / c4.δKL
(où m est la masse en kilos, Y* le champ de Higgs en m3-sr/s², pU l'énergie volumique en J/ m3, c la constante d'Einstein en m/s et KL la constante cosmologique (sr/m²) Cette masse--d'environ 10-25 kg--et qu'on va nommer alors boson BEHHGK, va subir des transformations qui la modifient, à terme, en boson de jauge: cela commence par un champ intermédiaire (qui n'a pas reçu de nom spécial, mais qui implique la fréquence au carré de la vibration originelle, de dimension T-2) agit pour donner un boson intermédiaire, nommé W, ayant pour dimension (M).(T2)= M.T-2
Puis un champ médiateur (dit saveur, de dimension T²) va redonner de la masse au W sous forme d'un dernier boson dit boson médiateur ou boson-véhicule faible W.
C'est un boson massique, puisqu'il est issu de (M.T-2).(T²)= M
Selon sa charge en saveur, ce boson W va prendre divers noms :
--si chargé positivement, c'est un W+
--si chargé négativement, c'est un W-
--si non chargé, c'est un W0(ou Z)
La valeur de la masse de ces bosons W+,-,0 >>> environ 1,5.10-25 kg.
kg.
-bremsstrahlung
Le bremsstrahlung (traduction littérale = rayonnement électromagnétique de freinage) est l'énergie perdue sous forme photonique, par une particule élémentaire (par ex. électron, quark....) quand elle entre dans un noyau . Elle vaut E = h.ν = e.U
où h(J-s)= constante de Planck (6,62606876.10-34 J-s)
ν(s-1)= fréquence
e(C)= charge élémentaire (1,6021733.10-19 C)
U(V)= tension d’excitation
-électron (généralités)
L'électron est parfois nommé ''négaton''
CARACTÉRISTIQUES de L'ÉLECTRON
Les valeurs chiffrées ci-après, en unités S.I.+ donnent les caractéristiques de l'électron (éventuellement autres unités entre parenthèses)
-angle solide dans lequel il évolue usuellement : Ω= 4∏ sr, soit 12,566 370 6 sr
-charge électrique -élémentaire- (e) = 1,602 176 462.10-19C (ou 4,803.10-10e.s.u)
-constante de couplage (de structure fine) concernant sa fonction électrique
(αé) = 7,297 635 253 3.10-3
-durée moyenne de vie (t) > 1035 s (il est quasi éternel !)
-énergie d’ionisation (ou de liaison) (Ei) = 2,17.10-18 J
(ou 13,545 eV)
-énergie potentielle (Ep) = 8,19.10-14 J
-facteur de Landé (facteur gyromagnétique type 2) = 2,002319
-fréquence de balayage (νé) # 1016 Hz (rotation autour de l’atome d’hydrogène)
-fréquence intrinséque (νi = mc² / h) = 1,236.1020 Hz (rotation de l'électron sur lui-même)
-HAMILTONIEN d’un électron soumis à un champ d’induction magnétique B(perpendiculaire), H = [Q’² + (Q’+ l.m.ν)²] / 2m
où H(J)= HAMILTONIEN, Q’(kg-m/s)= quantité de mouvement de l’électron,
l(m)= distance, m(kg)= masse et ν(Hz)= fréquence
-longueur de Compton (lC) = 2,4263.10-12mètre
-magnéton -ou moment magnétique angulaire-
(μ'é) = 9,2740154.10-24J/T-rad (ou 5,795094.10-33 eV / T-rad)
-masse (mé ) = 9,109 381 887.10-31 kg (= 5,109990.10-1 MeV/c²)
Un électron est ~ 1000 fois moins lourd qu'un quark
-moment cinétique (h/2) = 5,272 857 984.10-35J-s/sr (donc nombre quantique J = 1/2)
-moment électrique dipolaire (Mé) = 3.10-48 C-m (= 2.10-27e-cm)
-moment magnétique propre Mg (dipolaire) = 9,28477.10-34 A-m²
-permittivité dans laquelle il évolue--le vide--
(ε0 = 8,854 187 817.10-12 F/m-sr)
-rapport gyromagnétique (γ'é) = 1,758 820 174.1011 C/kg
-rayon de l'électron
Les diverses implications de l'électron aboutissent à des valeurs très divergentes pour ses dimensions :
1. le rayon dit standard de l'électron est (lé) = e² / Ω.ε.mé.c²
où lé(m)= rayon de l’électron, possédant par ailleurs une masse mé(kg) et une charge e(C), avec c (m/s)= constante d'Einstein(2,99792458 .108 m/s) , ε(F/m-sr)= constante diélectrique et Ω(sr)= angle solide où se transmettent les interactions (en général Ω est l’espace entier, soit 4∏ sr pour le système S.I.+)
La valeur "standard" du rayon de l'électron issue de cette formule
est 2,817 940 285.10-15 m
2. le rayon logique de l'électron est cependant limité par sa rotation, car comme il tourne sur lui-même à 1,236.1020 Hz et comme ses parties externes ne peuvent tourner à une vitesse supérieure à celle de la lumière, on est obligé de limiter son rayon à
lC = c / 2∏.(1,236.1020) soit = 3,861.10-13 m.
On nomme cette valeur longueur de Compton lC (que certains prétendent à tort être 2∏ fois plus forte, comme s'il ne tournait pas !)
3. le diamètre théorique de l'électron, issu du calcul du quantum d'action donne comme limite de longueur un rayon lr # 2.10-12 m
4. toutefois le rayon "réel" de l'électron est évalué à beaucoup moins (10-18 à 20 m), ce qui tient compte des particules fugaces sans cesse créées à sa proximité et qui le perturbent en "l'écrasant"
-vitesse de l'électron (c) = 2,997 924 58 .108m/s (dans le vide)
TYPES DE CAPTURE d'ÉLECTRON
-capture orbitale: l’électron orbital est capturé par le noyau (d’où transformation du positron récepteur β+ en neutron n)
-capture K: cas particulier d’électron capturé sur la couche K (il laisse un Trou, avec émission de rayon X)
-capture d'un proton p qui devient neutron n (sans émission) ce qui est un mode de désintégration
(les 4 autres modes de désintégration étant :
α (noyau d’He) β- (électron) β+(positron) γ(photon)
-électron libre
DEGRES de LIBERTE de l'ELECTRON LIBRE
les 3 caractéristiques essentielles de l'électron sont dites "3 degrés de liberté"
--sa charge (électrique)
--son spin (i.e. moment cinétique intrinsèque)
--son orbitale (i.e. sa probabilité de présence dans un certain volume et qui est définie par la fonction d'onde)
Ils sont indiqués par des nombres quantiques
ÉLECTRONS LIBRES DANS LES SOLIDES
Dans les solides, les électrons libres sont très nombreux (exemple des corps conducteurs, comme les métaux - qui en ont jusqu'à 1028/ m3)
-densité électronique
pour des électrons circulant dans une plaque conductrice, la densité est fonction de l’effet Hall :
h*v = 1 / b*H.e et U = J*.B.ll.b*
avec h*v(nb/m3)= nombre volumique de porteurs de charges (donc densité volumique électronique)
b*H(m3/C)= constante de Hall
ll(m)= largeur de la plaque dans laquelle circulent les électrons
U(V)= différence de potentiel entre faces de la plaque
B(T)= champ d’induction magnétique (normal à la plaque)
J*(A/m²)= densité superficielle de courant
-mobilité des électrons
c'est un cas particulier de mobilité des charges expliquant la conductivité
Equation aux dimensions de cette mobilité : M-1.T2.I
Symbole ♣ Unité S.I.+ = Tesla-1(T-1)
♣ = e.t / mé
avec ♣(T-1)= mobilité d’un électron portant charge élémentaire e(C)
mé(kg)= masse de l'électron (9,109.10-31 kg)
t(s)= temps du transit
-vitesse d'un électron
le déplacement des électrons dans un réseau cristallin se fait à une vitesse :
v = (1 / h).dE / dJn)
où v(m/s)= vitesse moyenne de déplacement d’électron
h(J-s)= constante de Planck (6,62606876.10-34J-s)
E(J)= énergie de l’électron)
Jn(m-1)= NOMBRE d’ondes
-masse effective d’un électron dans un solide
c’est la masse, corrigée en fonction de la variation énergétique
me = h².d ω² / dE²
avec me(kg)= masse effective d'électron
h = moment cinétique quantifié ou Dirac h, ou"constante de Planck réduite"
(= 1,054.10-34J-s/rad)
ω(rad/s)= vitesse angulaire de l’électron
E(J)= variation énergétique de l’électron qui est telle que dE / dJ = v.h
v(m/s)= vitesse de groupe et J(m-1)= nombre d’onde
ÉLECTRONS LIBRES dans les GAZ
Ils dépendent des paramètres de Fermi
Etat fondamental = état de particule ayant la plus basse énergie (donc stable)
-électron lié
RÔLES des ÉLECTRONS liés à L’ATOME
-orbites
Les électrons d'un atome sont disposés sur des orbites autour du noyau, chaque orbite acceptant un certain nombre d'électrons avec un maximum noté ci-après
la 1°couche K(2) -la 2°couche L(8) -la 3°couche M(18) -les 4°,5°,6°,7° couches dites N,O,P,Q (32 chacune)
Un électron qui reste sur son orbite a une énergie stationnaire
Un électron qui reçoit un choc d'une autre particule est excité (pendant un temps de l'ordre de 10-7s) et passe sur une orbite plus externe et plus énergétique
Un électron qui se désexcite retombe sur 1 orbite plus interne et produit un photon
-caractéristiques des électons liés
Il y a quatre nombres quantiques les concernant sur orbites >>> (n) le principal, (m) le magnétique, (l) l'azimutal et (s) le spin
Le nombre d’occupation est le nombre d’électrons installés dans une bande d’énergie donnée
Noms des électrons de liaison (appellations spécifiques, pour rappeler leur rôle dans une liaison)
Exemple de la chimie carbonnée >> On a des électron pi(liaison simple) ou électron sigma (liaison double)
Capture d’électron
S'il y a capture nucléale: l’électron orbital est capturé par le noyau (d’où transformation du positron récepteur en neutron)
S'il y a capture K, c'est un cas particulier d’électron capturé qui est sur la couche K (il laisse un Trou, avec émission X)
-densité d'électrons liés
pour un corps simple, il y a entre 1 et 25.1028 électrons liés par mètre cube du corps
ENERGIE des ELECTRONS LIES
-l'énergie potentielle Ep effective d’un électron est variable avec sa position par rapport au noyau auquel il est intimemet lié:
Le niveau d’énergie potentielle des électrons a une probabilité moyenne (soit 50%) d'être quelconque, mais à distance très grande du noyau (sur la couche externe, dite "de valence"): Ep est maximale, puis en se rapprochant, elle décroît jusqu’à un minimum et à proximité du noyau, elle re-croît rapidement.
A l’inverse, la force de liaison entre électron et noyau est inversement proportionnelle au carré de sa distance (loi de Coulomb)
Potentiel normal
En = Z.e² / Ω.ε.l
où En(J)= potentiel (énergétique) coulombien
Z= numéro atomique de l'élément en cause
e(C)= charge élémentaire(1,6021733.10-19 C)
Ω(sr)= angle solide où se déroule l’interaction(4pi sr si c’est l’espace entier et si le système d’unités a le sr comme unité d’angle)
l(m)= distance de l’électron au centre de l’atome
ε(F/m-sr)= constante diélectrique locale
Potentiel centrifuge:
C'est un potentiel complémentaire au précédent, dû à la force centrifuge, pour un électron à fort moment cinétique (il y a augmentation du rayon de l’orbite) :
Ej = h².L(L+1) / mé.lr²
Ej(J)= potentiel (énergétique) centrifuge
h(J-s)= constante de Planck (6,62606876.10-34 J-s)
L= nombre quantique orbital
mé(kg)= masse de l’électron
lr(m)= rayon de l’orbite
Potentiel central effectif :c'est le potentiel combiné des 2 potentiels ci-dessus (En +Ej )
Effet d'éloignement (ou écrantage)
Les électrons périphériques, reçoivent incomplètement les champs du noyau, car ceux-ci sont occultés par les électrons de couches intermédiaires (la variation va de 1 à 6%)
Effets énergétiques de voisinage sur un électron
L'électron d'un atome subit des effets de la part du noyau, puis de la part des autres électrons des couches, puis de la part des atomes voisins
L'ensemble de ces effets est le HAMILTONIEN H et sa décomposition en ses divers effets est donnée par l'équation de Hartree-Fock
H = E1+ E2- E3- E4 où les E sont des énergies (E1 = énergie électrostatique entre électron et noyau-- E2 = énergie coulombienne entre les divers électrons--
E3 = énergie cinétique de l'électron-- E4 = énergie d'antisymétrie)
-calcul de l’énergie
L'énergie est fonction du niveau nde la couche électronique sur laquelle se trouve l’électron dans l’atome
La formule de Balmergénéralisée donne le NOMBRE d'onde, qui intervient pour le calcul énergétique >>> Jn = RH.Z² [1 / na² -1 / nb² -... - 1 / nm2]
où Jn(m-1)= NOMBRE d’ondes (nombre de raies par unité de longueur d’onde)
RH(m-1)= constante de Rydberg
1 / na² ...etc. sont les "coefficients spectraux" où (na.....nm) sont les nombres entiers, qui vont en croissant de a à m dans l’analyse spectrale d’un corps)
Énergie de Fermi" -ou "niveau de Fermi"-.
Pour un solide supposé idéal et à température T= 0° K, c'est l’énergie devenant la plus élevée parmi les niveaux d’énergies possibles, que puisse prendre au moins l’une des corpuscules faisant partie de l’ensemble des particules subatomiques du solide
On trouve souvent les périphrases suivantes pour le niveau de Fermi (qui sont des synonymes inutilement compliqués) : - potentiel d’énergie cinétique des fermions--baryons à très basse température-- potentiel électrochimique--potentiel électronique de Fermi--...
Bande énergétique
C'est une zone d’énergie concernant les électrons dans un atome (surtout dans les cristaux) Il existe des bandes d’énergie correspondant à chaque famille d'électrons d’un atome occupant telle situation énergétique (et plus ils sont externes, plus leur énergie est grande).Ces bandes ont une largeur (bandgap) et un espace entre elles
La bande de valence (Ev) est celle qui est totalement remplie et la plus externe
La bande de conduction (Ec) est celle la plus externe et vide
Ces "bandes" peuvent être des bandes permises (successivement: les orbites saturées, puis la couche de valence supérieure, puis la bande de conduction extérieure)
Mais elles sont séparées par des bandes interdites (dites aussi gap), sises à une distance (énergétique) plus ou moins grande et qui seront franchies quand l’énergie de l’électron sera suffisante (grâce à variation de température, ou à action d’un agent externe)
L'espace inter-bandes est souvent mesuré en électronvolt, ce qui correspond à un comparatif avec l'énergie moyenne de chaque bande.
Au fur et à mesure que les bandes se saturent, elles complètent ultérieurement les suivantes qui étaient incomplètes ou vides.Ceci se fait en fonction de la situation du niveau énergétique de Fermi (le plus élevé possible) disponible dans une ou autre bande
-dans un ISOLANT, l'espace énergétique entre la bande de valence et celle de convection est grand
-dans un SEMI-CONDUCTEUR, cet espace est réduit
-dans un SEMI-METAL (métal mauvais conducteur), cet espace est très réduit et proche d’une bande permise
-dans un CONDUCTEUR, cet espace est nul (il y a même quasi-chevauchement entre bandes)
Energie cinétique d'un électron lié
C'est E = h.ν -Ea
où h = constante de ¨Planck ; ν (H)= fréquence de radiation et Ea (J) = énergie que l'électron dépense pour s'extraire de son atome
Electron de recul
Quand un électron périphérique (dont l’énergie de liaison est très faible) est heurté par un photon assez énergétique, il est éjecté et est nommé ''électron de recul''
Le photon pour sa part est dévié lors de la collision (effet Compton)
Les photons déviés constituent le rayonnement diffusé, responsable d’un voile sur un film photo.
VITESSE des ÉLECTRONS LIÉS
La vitesse linéaire d'un électron orbital qui tourne autour du noyau est v = h / θ.mé. lr
avec h = constante de Planck, θ(rad) l'angle de rotation (ici 2 pi, car rotation totale) , mé(kg) la masse de l'électron et lr le rayon de son orbite
RADICAUX LIBRES
Quand un ou plusieurs électrons de couche externe d'une molécule n'est (ne sont) pas apparié(s), on dit qu'il y a création d'un radical libre.
Les radicaux libres usuels sont des péroxydes, carbonyles, hydroxyles...
-fermions
Un fermion est une particule dont le spin a une valeur demi-entière(1/2...3/2...5/2...)
Un fermion ne peut occuper la même place qu'un autre fermion frère,ayant le même état quantique que lui >>> le fermion est individualiste, égoiste, segrégationniste.
Les FERMIONS ELEMENTAIRES
sont des fermions basiques, insécables,de spin = 1/2
a) les quarks (et les antiquarks) ne peuvent vivre seuls: ils se groupent à 2,3 éléments pour constituer les particules composites qui sont soit des fermions (nucléons), soit des bosons (mésons et baryons)
Ils ont une charge électrique fractionnaire (+ ou - 1/3 ou 2/3)
Leur masse est donnée par m = Q.h / 2m'
où Q est la charge, h le Dirac h, et m' le magnéton
On les classe en 3 familles:
--les légers >>> quark / antiquark u (up ou haut) masse 5 MeV/c² soit 10-29 kg
et quark / antiquark d (down ou bas) de masse 9 MeV/c² soit 1,6.10-29 kg
--les moyens >>> quark / antiquark s (strange//étrange) masse 178 MeV/c² = 3,2.10-28 kg
et quark / antiquark c (charm ou charmé) 1.400 MeV/c² soit 2,5.10-27 kg
--les lourds >>> quark / antiquark b (bottom ou beauté) 4.400 MeV/c² = 7,8.10-27 kg
et quark / antiquark (top ou taupé) 174.000 MeV/c² soit 3,1.10-25 kg
Ils sont sensibles à la force de gravitation, à la force forte, à la force faible et à la force électrique.Leur isospin est de 1/2 pour (u et d) et 0 pour les autres
b) les leptons non chargés (neutrinos et antineutrinos), sont aussi classés en 3 familles:
--le léger>>> le neutrino/antineutrino électronique né de masse 2.10-36 kg
--le moyen>>> le neutrino/antineutrino muonique nm de masse 2.10-35 kg
--le lourd >>> le neutrino/antineutrino tauonique nt de masse 2.10-32 kg
Ils sont sensibles à la force de gravitation et à la force faible
c)les leptons chargés peuvent aussi être classés en 3 familles:
--le léger >>> l'électron ede masse 9,1.10-31 kg
--le moyen >>> le muon mde masse 1,9.10-28 kg
--le lourd >>> le tauon tde masse 3,2.10-27 kg
Ils sont sensibles à la gravitation, à la force électromagnétique et à la force faible
Les FERMIONS COMPOSITES
ont un spin demi-entier. Ce sont des hadrons dits nucléons: neutron, proton, antiproton, : ils sont composés de 3 quarks, ils ont 1 masse de 1,67.10-27 kg
Ils sont sensibles à la force de gravitation, à la force forte et à la force faible
Voir leurs caractéristiques dans le tableau en annexe "Particules"
-gap
Chaque famille d'électrons incluse dans un atome occupe telle situation énergétique dénommée "bande" (et plus la bande est externe, plus ses composants électrons ont une forte énergie).
Ces bandes peuvent être :
-soit des bandes permises (successivement: les orbites saturées, puis la couche de valence supérieure, puis une bande de conduction extérieure à l’atome)
-soit des bandes interdites (dites aussi "gap") sises à une distance (énergétique) plus ou moins grande et qui seront franchies seulement quand l’énergie de l’électron sera suffisante (grâce à variation de température ou à action d’un agent externe)
-gluons
A l'échelon particulaire, la théorie quantique des champs (QFT en anglais) nous dit queles interactions dites fondamentales (2 charges s'attirant ou se repoussant entre elles) sont causées grâce à des particules très élémentaires, dites bosons de jauge, qui sont des sortes de liens entre les charges..Dans le cas de l'interaction forte (quand la distance entre elles est inférieure à ~ 10-15 m), ces bosons sont des gluons.
Comment naît un tel gluon ?
Il y a d'abord création d'une masse, dite boson Higgs 3 ou de Madala,
m = Y*.dpu / c4.dKL où m = environ 10-26 kg, Y*(m3-sr/s²) = champ de Higgs , pU (J/ m3)= énergie volumique de la zone de création,c (3.108 m/s) = const° d'Einstein et KL(2,2.10-51 sr/m²) = constante cosmologique
Ce boson se transforme alors, sous l'impulsion d'un champ intermédiaire (de dimension T-2) pour devenir un boson intermédiaire, dit gluon (boson-vecteur de dimension M.T-2)
Puis, sous l'incitation d'un champ médiateur dit "couleur"(qui est l'inverse du précédent, donc de dimension T2 ) le gluon est transformé en un dernier boson, dit boule de glu, à nouveau massique
Cette boule de glu servira ensuite à réunir des éléments massiques rapprochés, avec une force d'interaction, sous la formulation
F = m1x m2x boule de glu x facteur de couplage(1 + aS) --c'est la loi de Newton couplée--αS est la constante de couplage forte (valant environ 0,25)
Les gluons n'ont pas de masse et ont une durée de vie de 10-23 seconde.
Ils sont les équivalents des quanta de lumière, mais ils ne s'échappent pas de leur zone particulaire,donc on ne les perçoit pas.
Les boules de glu (gluballs)qui sont les filles des gluons, s'assemblent par 2 ou 3 , un peu comme les quarks.
Il existe 8 arrangements directionnels de position des boules de glu (et donc autant pour les couleurs K* qui les génèrent) Il devrait y en avoir 9 (3 par coordonnée) mais le cas correspondant au groupage des 3 coordonnées --donc au point d'origine--n'autorise pas l'existence de la neuvième, pour des raisons de symétries
Les Nombres quantiques des gluons sont S(0) pour le spin et J(1-) pour l'isospin.
-graviton
La théorie quantique des champs (QFT en anglais) prétend expliquer les interactions fondamentales (entre 2 entités induites de même nature) à l'aide de particules très élémentaires, dites bosons-véhicules (des bosons de jauge)
Pour la gravitation où les 2 entités induites sont des masses, on constate une force d'interaction entre 2 masses, célébrée par Newton et où les bosons-véhicules sont dénommés gravitons
La loi de Newton ancestrale dit F = m1.m2.G / Ω.l² ou F = m1.m2.ém
avec ém = élastance mécanique linéique[dimension L.M-1.T-2] portée par un graviton.Ce dernier --comme les autres bosons de jauge-- naît depuis le champ de Higgs, mais on n'a pas encore pu le créer volontairement, car il faut un accélérateur de très grosse énergie pourl'arracher depuis l'énergie du vide (EU)
Le graviton n'est pas massique, puisque c'est une élastance linéique--c'est son père (le boson de Higgs 2 qui est massique (~ 10-65 kg)
On peut l'estimer à travers les ondes gravitationnelles en provenance de zones de l'espace énergétiquement très troublées.