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Fiche explicative de la leçon : Les quarks Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les propriétés des quarks et la composition des protons et des neutrons.

Dans la première moitié du 20è siècle, de nombreuses recherches scientifiques ont été menées pour déterminer la structure de l’atome. Les scientifiques ont effectué des expériences relativement sophistiquées pour montrer qu’il y avait un noyau de charge positive au centre de chaque atome. Les scientifiques ont démontré que le noyau était composé de protons et de neutrons, et ils ont également prouvé que le noyau atomique était entouré d’électrons de charge négative.

Les chercheurs ont ensuite mené des expériences scientifiques encore plus complexes, qui ont permis de prouver que l’atome était encore plus complexe qu’ils ne le pensaient. Ils ont utilisé des accélérateurs de particules incroyablement longs pour prouver que les neutrons et protons subatomiques étaient eux-mêmes composés de particules encore plus fondamentales.

Les particules subatomiques qui composent les protons et les neutrons sont appelées quarks.

Définition : Quarks

Les quarks sont des particules subatomiques et sont des constituants fondamentaux de la matière.

Murray Gell-Mann et George Zweig ont proposé indépendamment le modèle des quarks en 1964. Le modèle des quarks indique que de nombreuses grosses particules sont constituées de différents types de quarks. Les quarks peuvent être considérés comme des éléments fondamentaux de la matière, car ils forment des particules plus grosses telles que des protons et des neutrons.

Le modèle des quarks a ensuite été inclus dans le modèle standard de la physique, qui est illustré ci-dessous.

Le schéma du modèle standard montre qu’il existe six différents types de quarks. On les appelle les saveurs des quarks.

Les six saveurs des quarks sont les suivantes, le plus couramment dénommées en anglais:

  • Up
  • Down
  • Charm
  • Strange
  • Top
  • Bottom

Exemple 1: Identifier la saveur de quark incorrecte

Lequel des termes suivants n’est pas un type de quark?

  1. Bottom
  2. Strange
  3. Left
  4. Up
  5. Down

Réponse

Les quarks sont des particules subatomiques fondamentales et des briques fondamentales de la matière. Les quarks se combinent pour former des particules telles que des protons et des neutrons. Il existe six différents types de quarks, également appelés saveurs des quarks. Les saveurs des quarks sont up, down, strange, charm, top, et bottom.

À partir de la liste de termes donnés dans la question, nous pouvons voir que tous correspondent à des saveurs de quarks sauf C, « left ». Par conséquent, la réponse correcte est C.

Comme les protons et les électrons, les quarks contiennent une charge électrique. Cependant, contrairement aux protons et aux électrons, ce sont des charges fractionnaires. Les quarks ont une charge de soit 13e, soit +23e, e est la charge élémentaire:la charge électrique portée par un proton. Le tableau ci-dessous donne la charge électrique de chaque saveur de quark.

Saveur de quarkSymboleCharge électrique
UpU+23e
Downd13e
Charmc+23e
Stranges13e
Topt+23e
Bottomb13e

Exemple 2: Identifier les charges électriques des quarks

Laquelle des expressions suivantes indique les deux valeurs de charge électrique qu’un quark peut avoir?

  1. +13e et 23e
  2. 0 et 12e
  3. +1e et 1e
  4. 13e et +23e
  5. +12e et 12e

Réponse

Les quarks sont des particules subatomiques fondamentales et des éléments constitutifs de particules telles que les protons et les neutrons. Les protons ont une charge de + e et les électrons ont une charge de e, e est la charge élémentaire. Les quarks peuvent avoir deux charges d’une fraction différente de e. La charge électrique d’un quark dépend de son type, également connu sous le nom de « saveur ».

Les quarks up, charm et top ont une charge électrique de +23e, tandis que les quarks down, strange et bottom ont une charge électrique de 13e. Ces deux charges correspondent à celles de la réponse D, qui est donc la bonne réponse.

Les quarks ne peuvent pas être observés individuellement. Ils ne se trouvent que dans les particules où ils sont combinés avec d’autres quarks. Les protons et les neutrons sont composés de combinaisons de quarks up et down.

Les protons sont composés de deux quarks up et d’un quark down. La structure d’un proton est illustrée dans la figure ci-dessous:

La somme des charges des trois quarks donne la charge du proton:Chargedunprotoneeee=23+2313=+1.

Ainsi, la charge d’un proton est, comme prévu, +1e.

Les neutrons sont composés d’un quark up et de deux quarks down. La structure d’un neutron est illustrée dans la figure ci-dessous:

La somme des charges des trois quarks donne la charge du neutron:Chargedunprotoneeee=231313=0=0.

Ainsi, la charge d’un neutron est, comme prévu, 0.

Exemple 3: Identifier une particule à partir de sa composition en quarks

Laquelle des particules suivantes est composée de 3 quarks sous la forme udd?

  1. Un électron
  2. Une particule alpha
  3. Un proton
  4. Une particule bêta
  5. Un neutron

Réponse

Les quarks sont des particules subatomiques fondamentales et peuvent se combiner de différentes manières pour former des particules composites.

Les neutrons et les protons sont tous deux composés de trois quarks. Les neutrons et les protons sont exclusivement formés de quarks up et down. Ainsi, les réponses C ou E pourraient être de bons candidats.

Les électrons sont des particules fondamentales qui ne sont pas composés de quarks. De même, une particule bêta peut être un électron ou un positron de haute énergie et n’est donc pas composée de quarks.

Une particule alpha est formée de deux protons et de deux neutrons, et elle est équivalente au noyau atomique d’un atome d’hélium. Chaque proton ou neutron est composé de trois quarks, ce qui signifie qu’une particule alpha doit contenir au total 12 quarks. L’option B ne peut donc pas être la bonne réponse à cette question.

La question nous dit que la particule est composée des quarks udd. Un proton est composé de deux quarks up et d’un quark down. Un neutron est composé d’un quark up et de deux quarks down. Par conséquent, la réponse correcte est E:un neutron.

Exemple 4: Détermination de la charge électrique d’une particule à partir de sa composition en quarks

Une particule composite est composée de deux quarks up et d’un quark down. Quelle est la charge électrique totale de cette particule?

Réponse

Les quarks sont des particules subatomiques fondamentales et des éléments constitutifs de particules telles que les protons et les neutrons. Il existe six types différents de quarks (également appelés « saveurs » de quarks). Les saveurs des quarks sont up, down, strange, charm, top et bottom.

Les quarks up, charm et top ont une charge électrique de +23e, tandis que les quarks down, strange et bottom ont une charge électrique de 13e.

La charge totale d’une particule composée de deux quarks up et d’un quark down peut être déterminée en additionnant les charges de chaque quark.

Chargeglobalechargedunquarkupchargedunquarkupchargedunquarkdowneeee=++=+23+2313=+1.

Par conséquent, la charge électrique totale de cette particule est +1. Il est fort probable que cette particule soit un proton.

Exemple 5: Calcul du nombre de quarks up dans un noyau

Calculez le nombre total de quarks down dans le noyau d’un élément de numéro atomique 9 sachant que son noyau contient 28 quarks up.

Réponse

Les quarks sont des particules subatomiques fondamentales et des éléments constitutifs de particules telles que les protons et les neutrons. Un proton est composé de deux quarks up et d’un quark down. Un neutron est composé d’un quark up et de deux quarks down.

Pour répondre à cette question, on doit déterminer le nombre total de protons et de neutrons dans le noyau.

La question indique que l’élément a un numéro atomique de 9, ce qui signifie qu’il a 9 protons. Comme les protons sont formés de deux quarks up et d’un quark down, les 9 protons totalisent 2×9 quarks up, soit 18 quarks up.

La question indique que le noyau contient 28 quarks up. 18 d’entre eux proviennent des protons, ce qui signifie qu’il reste 10 quarks à prendre en compte. Comme le noyau d’un atome ne contient que des protons et des neutrons, les 10 quarks restants doivent provenir des neutrons.

Les neutrons sont composés d’un quark up et de deux quarks down. Par conséquent, les 10 quarks up restants correspondent à 10 neutrons.

Nous avons maintenant déterminé que le noyau atomique de cet élément contient 9 protons et 10 neutrons.

Comme un proton contient un quark down, neuf protons contiennent neuf quarks down.

Comme un neutron contient deux quarks down, 10 neutrons contiennent 20 quarks down.

Nous pouvons maintenant additionner le nombre de quarks down, 20+9=29. Par conséquent, le nombre total de quarks down dans le noyau de l’atome est 29.

D’autres particules peuvent être formées à partir de la combinaison de deux, trois ou même cinq quarks. Cependant, les particules les plus stables et les plus importantes sont les protons et les neutrons, qui forment les noyaux atomiques.

Points Clés

  • Les quarks sont des particules subatomiques fondamentales présentes dans les protons et les neutrons.
  • Il y a six types (saveurs) de quarks:up, down, charm, strange, top et bottom.
  • Les quarks ont une charge fractionnaire de +23e ou 13e.
  • Les quarks up, charm et top ont une charge de +23e, tandis que les quarks down, strange et bottom ont une charge de 13e.
  • Les protons sont composés de deux quarks up et d’un quark down.
  • Les neutrons sont composés d’un quark up et de deux quarks down.

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