- 1. Les isotopes naturels et artificiels de l’hydrogène
- 2. Le spectre de l’atome d’hydrogène et l’avènement de la mécanique quantique
- 3. Hydrogène et naissance de l’électrodynamique quantique
- 4. Structure du noyau de l’atome d’hydrogène et chromodynamique quantique
- 5. L’antihydrogène
- 6. Les phases de l’hydrogène
- 7. Hydrogène et astrophysique
- 8. Hydrogène et énergie
HYDROGÈNE (physique)
Structure du noyau de l’atome d’hydrogène et chromodynamique quantique
L’élucidation du spectre de l’hydrogène a ainsi débouché sur une physique de l’électron différente de l’électromagnétisme classique, mais qui lui est cependant reliée. Le noyau de l’atome d’hydrogène n’a pas moins contribué à la compréhension de la matière et des interactions fondamentales : la quête des constituants élémentaires de l’Univers, entreprise par le biais des accélérateurs de particules toujours plus puissants, est naturellement passée par l’étude de ce noyau, le plus simple possible, autrement dit le proton.
À partir des années 1950, les physiciens américains tentent de mesurer les caractéristiques du noyau de l’atome d’hydrogène grâce aux faisceaux d’électrons accélérés jusqu’à 1 gigaélectronvolt (GeV), à l'université Stanford (Californie), qui constituent des sortes de supermicroscopes électroniques permettant de discerner des détails extrêmement fins. En étudiant les distributions angulaires des trajectoires des électrons lorsqu’ils rebondissent sur le noyau d’hydrogène, l’équipe de Robert Hofstadter (1915-1990) démontre que la forme moyenne du proton est celle d’une boule de rayon de l’ordre de 0,8 femtomètre (1 fm = 10–15 m) dans laquelle les charges électriques semblent réparties de manière homogène, entourée d'une zone dans laquelle la densité de charge décroît très rapidement.
Cette vision est affinée à la fin des années 1960 lorsque des expériences utilisant des faisceaux d’électrons encore plus puissants révèlent que le noyau atomique est un édifice qui semble constitué de protons et de neutrons, lorsqu’on l’observe avec certains moyens expérimentaux, mais est en fait constitué de particules élémentaires appelées quarks, antiquarks et gluons. Le noyau d’hydrogène, le proton, est ainsi une superposition d’états constitués de divers assemblages de quarks, d’antiquarks et de gluons. Une nouvelle théorie quantique émerge alors dans les années 1970 comme la seule description cohérente connue de l’interaction nucléaire : la chromodynamique quantique, construite sur le modèle de l'électrodynamique quantique, généralise le concept de charge électrique en postulant l'existence d'une charge dite de « couleur » portée par les quarks présents dans les protons et les neutrons. Des gluons de masse nulle, porteurs eux aussi d'une charge de « couleur », sont les messagers de cette interaction élémentaire, qui reste aujourd’hui l’objet de nombreuses recherches théoriques et expérimentales.
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
Classification
Médias
Interprétation des raies du spectre de l’hydrogène
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Les modèles successifs de l’atome
Encyclopædia Universalis France
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