Relativité Restreinte, Photons et Physique Nucléaire

La relativité restreinte : les deux postulats

Un problème fondamental en physique au XIXe siècle était que les lois de l'électromagnétisme étaient modifiées en changeant le système de référence, violant ainsi le principe de la relativité de Galilée qui était la base de la mécanique de Newton. Ainsi, les observateurs en mouvement relatif obtenaient des résultats différents lors de l'étude des phénomènes électromagnétiques. En 1905, Einstein réconcilie les deux théories (mécanique et électromagnétisme) avec sa théorie de la relativité, qui est fondée sur les deux postulats suivants :

• 1er principe de la relativité : Toutes les lois de la physique sont les mêmes dans tous les systèmes de référence inertiels (c'est-à-dire pour les différents observateurs).
• 2ème principe de la constance de la vitesse de la lumière : La vitesse de la lumière dans le vide est une constante universelle.

La théorie d'Einstein conduit à des conclusions qui nous obligent à modifier les conceptions classiques de l'espace, du temps, de la masse et de l'énergie :

• L'espace et le temps ne sont pas absolus : différents observateurs inertiels mesurent différents intervalles pour un même événement et différentes longueurs pour le même objet.
• Aucun corps ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide.
• La masse et l'énergie sont équivalentes et peuvent être transformées l'une en l'autre selon l'équation E = mc².

Le concept de photon et la dualité onde-particule

Pour expliquer certains phénomènes d'émission et d'absorption de la lumière par la matière, y compris l'effet photoélectrique, Einstein retourna à la théorie corpusculaire de la nature de la lumière. On présume que l'énergie du rayonnement électromagnétique n'est pas continue, mais discrète, de sorte qu'une onde électromagnétique de fréquence ν pourrait être considérée comme constituée de quanta ou corpuscules voyageant à la vitesse de la lumière, dont chacun a une énergie E = hν (où h est la constante de Planck) et une impulsion p = h/λ. Ceux-ci ont été appelés photons.

La théorie d'Einstein n'a pas invalidé la théorie électromagnétique de la lumière. La physique moderne a dû introduire la dualité onde-particule, en admettant que la lumière possède simultanément des qualités ondulatoires et corpusculaires. Quand la lumière interagit avec la matière, elle se comporte comme un jet de particules (photons) d'énergie et d'impulsion ; quand elle se propage ou subit des phénomènes de diffraction et d'interférence, la lumière se comporte comme une onde caractérisée par sa longueur d'onde et sa fréquence.

Plus tard, Louis de Broglie a proposé, pour des raisons de symétrie, que la matière montre également cette dualité onde-particule, de sorte que toute particule a une onde associée. La longueur d'onde associée est minuscule à l'échelle macroscopique, de sorte que le caractère ondulatoire de la matière n'apparaît qu'au niveau microscopique.

Les types de radiations nucléaires

Il existe trois types de radiations qui diffèrent par le type de particules émises, leur puissance et leur pénétration dans la matière :

• Le rayonnement alpha : Il est constitué de particules alpha, qui sont des noyaux d'hélium composés de deux protons et deux neutrons (⁴He₂). Ils sont le produit de la désintégration d'un noyau parent en un noyau fils qui a deux neutrons et deux protons en moins. Les particules alpha ont une charge électrique positive et pénètrent très peu dans la matière.
• Le rayonnement bêta : Il contient aussi des particules, dans ce cas des électrons. Ces électrons ne dérivent pas du cortège électronique, mais de la désintégration des neutrons dans le noyau : un neutron d'un noyau père crée un électron, un proton et une particule neutre appelée neutrino. Le noyau fils possède donc un proton de plus et un neutron de moins. Le rayonnement bêta a une charge négative et son pouvoir de pénétration est supérieur à celui des particules alpha.
• Le rayonnement gamma : De nature électromagnétique, il est constitué de photons. Il se produit parce que les noyaux peuvent se trouver dans différents états d'énergie. Quand un noyau passe d'un état excité à un autre de plus basse énergie, il émet un photon de haute fréquence. Comme les photons n'ont pas de charge, le rayonnement gamma ne subit pas de déviation par un champ électrique ou magnétique. C'est le rayonnement le plus pénétrant.

Les quatre interactions fondamentales

Toutes les forces de la nature ne sont que quatre interactions fondamentales :

• Nucléaire forte : C'est la plus intense. Elle a une portée très courte (limitée au noyau). Elle maintient ensemble les protons et les neutrons qui constituent le noyau des atomes. Les noyaux ne seraient pas stables sans cette force, qui est plus forte que la répulsion électrostatique entre les protons.
• Électromagnétique : C'est la deuxième en intensité. Elle a une grande portée. Elle agit sur les particules chargées électriquement et peut être attractive ou répulsive. Elle est responsable de la cohésion des atomes et des molécules de la matière.
• Nucléaire faible : C'est la troisième en intensité. Comme l'interaction nucléaire forte, elle est à très courte portée. Elle est la cause de certaines réactions nucléaires telles que le rayonnement bêta.
• Gravité : C'est la plus faible de toutes. Elle s'exerce entre tous les corps. Elle est toujours attractive et de longue portée. Elle est responsable du mouvement des corps célestes, de la chute des corps, des marées, etc.