Qu’est-ce que la matière ?
La matière désigne l’ensemble des composants et objets, naturels ou synthétiques, qui compose notre environnement. Elle est, au sens classique du terme, caractérisée par une masse et un volume.
La matière est constituée d’atomes ou de molécules (assemblage d’atomes). Les atomes sont entre cent mille et un million de fois plus petits que le diamètre d’un cheveu (10-10m) et constituent les briques élémentaires qui permettent de différencier un élément chimique d’un autre. Au total, il existe actuellement 118 éléments regroupés dans un tableau périodique des éléments, aussi appelé
tableau de Mendeleïev.
Un atome est composé d’un noyau, situé en son centre, et d’un nuage d’électrons en mouvement autour. Il est essentiellement composé de vide. En effet, si le noyau était une balle de tennis, le nuage électronique s’étendrait à environ 6 kilomètres de la balle.
Le
noyau d'un atome est composé de protons et de neutrons qui tiennent ensemble grâce à la force nucléaire forte.
Protons et neutrons sont eux-mêmes composés de grains de matière encore plus petits, les quarks. Ces derniers sont maintenus ensemble grâce à des échanges continus de gluons, des
particules élémentaires qui appartiennent à la famille des
bosons.
Les électrons sont des particules qui circulent autour du noyau.
La cohésion de l’atome est assurée par la force électromagnétique. Celle-ci lie ensemble les électrons chargés négativement avec les protons chargés positivement. Cette attraction électromagnétique est le résultat d’un échange continu de
photons, aussi appelés particules de lumière.
La force électromagnétique est présente partout autour de nous : lumière, électricité, magnétisme… Au quotidien, cette force électromagnétique empêche par exemple un verre posé sur une table de passer au travers de la table : les électrons de la table et du verre, étant de même charge électrique (négative) se repoussent.
Dans un atome qui est neutre, il y a autant d’électrons que de protons.Les propriétés chimiques d’un élément sont déterminées par le nombre d’électrons de l’atome, donc par le nombre de protons du noyau. La chimie est la science qui s’intéresse à la composition et à la transformation de la matière.
Les différents états de la matière
La matière peut avoir différents états : liquide, solide, gazeux ou plasma. Ces états dépendent de la température et de la pression et caractérisent un niveau d’organisation de la matière.
Dans les conditions normales de température et de pression terrestres, la matière se présente sous trois états : solide, liquide et gazeux. Le passage d’un état à l’autre correspond à une réorganisation des molécules ou des atomes dans la matière. Prenons l’exemple de l’eau : à l’état solide, sous forme de glace, l’eau a une structure très organisée dans laquelle les molécules sont fortement liées les unes aux autres. Sous l’effet de la chaleur, les molécules s’agitent, se désolidarisent les unes des autres et l’eau devient liquide. A plus forte température encore, la structure se désorganise totalement et les molécules d’eau s’éparpillent sous forme de gaz, c’est l’ébullition.
Dans des conditions de température et de pression extrêmes apparaît un
nouvel état de la matière dans lequel la structure atomique elle-même est totalement désorganisée : le plasma. Les constituants de l'atome se séparent, noyaux et électrons se déplacent indépendamment et forment un mélange globalement neutre.
Ce quatrième état de la matière, que l'on retrouve dans les étoiles et le milieu interstellaire, constitue la majorité de la matière ordinaire de notre Univers (jusqu’à 90 %). Sur Terre, on ne le rencontre à l'état naturel que dans les éclairs ou les aurores boréales. Cet état peut être cependant produit artificiellement en appliquant des champs électriques suffisamment puissants pour séparer le noyau de ses électrons dans les gaz. Dans notre vie quotidienne, les plasmas ont de nombreuses applications (microélectronique, écrans plats des téléviseurs ...), dont la plus courante est le tube néon pour l’éclairage.
Différence entre matière et matériaux
La matière compose les
matériaux. Tout matériau est fait de matière mais toute matière n’est pas un matériau. Un matériau est une matière d’origine naturelle ou artificielle que l’Homme utilise et/ou conçoit pour fabriquer des objets, construire des bâtiments ou des machines.
Quelle est l’origine de la matière ?
Les éléments qui constituent la matière sont apparus à différentes étapes de l’histoire de l’Univers. Selon le modèle du
Big Bang, il y a 13,7 milliards d’années, l'Univers était extrêmement dense et chaud et soumis à une forte expansion. Du fait de cette expansion, le contenu d'énergie et de particules de l'Univers se libère dans toutes les directions sous la forme
d’une soupe uniforme, constituée de particules élémentaires telles que les électrons, les quarks ou les photons.
La température baisse rapidement et permet aux quarks de s'associer pour former les premiers protons et neutrons. Les premiers noyaux d'hydrogène sont alors formés (ils sont constitués d'un seul et unique proton). Entre trois et vingt minutes après le début de l'expansion, la température continue de baisser. Les protons et les neutrons s'associent pour former les premiers noyaux de deutérium, d'hélium et de lithium. C'est la
nucléosynthèse primordiale. La production de nouveaux noyaux s'arrête quand la température passe en dessous du milliard de degrés.
Puis, 380 000 ans après le début de l’expansion, la température de l’Univers descend à environ 3 000 degrés.
Les électrons deviennent assez lents pour se lier aux noyaux déjà formés, et créer les premiers atomes d’hydrogène et d’hélium. Plusieurs centaines de millions d'années après le Big Bang, d’immenses nuages de matière se concentrent : les conditions de création des
étoiles sont réunies. Les fusions successives des noyaux légers dans le centre des étoiles vont former des noyaux plus lourds comme le carbone, l'azote ou l'oxygène, jusqu’au noyau de fer pour les plus grosses étoiles. C'est la
nucléosynthèse stellaire. Quand les plus grosses étoiles meurent, elles explosent dans un phénomène dit de «
supernova ». Pendant l’explosion, les étoiles libèrent dans tout l’Univers les noyaux qu’elles ont fabriqués et certains noyaux capturent également des neutrons de l’explosion pour former les noyaux naturels les plus lourds comme le plomb, l’uranium...
L’histoire des découvertes scientifiques sur la matière
Depuis toujours, l’Homme cherche à comprendre le monde qui l’entoure. Le philosophe
Démocrite est parmi les premiers, au cinquième siècle avant JC, à envisager l’existence de particules de matière. Il parle déjà de briques indivisibles de matière qu’il appelle «
atomes ». Sa théorie se perd pendant plusieurs siècles. Il faudra attendre le 18e siècle pour que l’idée d’un découpage de la matière en briques élémentaires soit reprise, mais sans parler d’atomes. Aux 19e et 20e siècles, John Dalton, Dimitri Mendeleïev, Joseph John Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr font progresser la connaissance sur la matière. Parallèlement aux découvertes sur l’atome et le noyau, des astrophysiciens tels que Fred Hoyle ou encore George Gamow s’intéressent à l’origine de la matière présente dans notre Univers.
Quels sont les enjeux des recherches sur
la matière ?
Les recherches sur la matière ont permis de nombreuses découvertes sur notre Univers et son évolution. L’étude de l’infiniment petit a également permis de découvrir et théoriser, au début du 20e siècle,
les phénomènes de
mécanique quantique. Cette physique est à l’origine d’applications concrètes très diverses comme les
lasers ou encore
les diodes électroluminescentes.
Les recherches et expériences en physique des particules ont mis en évidence sur plus d’un siècle
les différentes briques du « modèle standard », théorie qui décrit tous les constituants élémentaires de la matière et leurs interactions. La première particule de ce modèle à avoir été découverte est
l’électron, en 1897 par Joseph John Thomson et la dernière est le
boson de Higgs en 2012.
Ces avancées scientifiques ont permis
une amélioration continue des connaissances sur la matière et notre Univers même s’il reste de nombreuses questions. Par exemple, en physique nucléaire, les interactions entre tous les protons et tous les neutrons d’un même noyau sont tellement complexes qu’elles ne peuvent être décrites de manière exacte : les chercheurs doivent avoir recours à des approximations judicieuses pour expliquer les propriétés du noyau. Il n’existe pas, à ce jour, de modèle standard qui permettrait d’expliquer l’ensemble des propriétés de tous les noyaux.
Aujourd’hui, les scientifiques cherchent à mieux comprendre tous les mécanismes liés à la matière : naissance des
étoiles, formation des
galaxies ou encore début du Big Bang avec des missions telles que le
télescope spatial James Webb (JWST), lancé en décembre 2021.
La matière qui nous entoure n’est pas la seule à intriguer les physiciens. En effet, selon les observations astronomiques, la matière constituée des particules du modèle standard ne représente que 5% de l’Univers.
Il resterait donc encore 95 % de l’Univers à décrypter. Parmi ces mystères,
la matière noire, une matière théorique, totalement invisible, postulée pour expliquer par exemple les effets gravitationnels qu’elle occasionnerait sur la lumière en provenance de galaxies très lointaines. La traque de la matière noire constitue l’un des grands enjeux scientifiques fondamentaux de ce siècle, notamment pour vérifier la validité du modèle du Big Bang.
Notions clés
L'atome est composé d'un noyau, situé en son centre, et d'un nuage d'électrons en mouvement autour. Le noyau d’un atome est composé de protons et de neutrons qui tiennent ensemble grâce à la force nucléaire forte. Les protons et neutrons sont des parties du noyau de l'atome. Ils sont composés de grains de matière encore plus petits, les quarks, qui tiennent ensemble grâce à des échanges continus de gluons.