À propos des principes fondamentaux de la masse et de la masse volumique

Isaac Newton a fourni une définition précoce de la masse – “La quantité de matière est la mesure de celle-ci, résultant de sa densité et de son volume conjointement”^[1]  – dans laquelle il a défini la masse à partir de la densité et du “volume”, ce dernier signifiant volume. Pour comprendre ce qu'est la masse, il faut connaître comment les atomes, dont la matière est composée, acquièrent de la masse. Les atomes ont un noyau minuscule et une couche d'électrons environ 100.000 fois plus grande en diamètre que le noyau lui-même. Le noyau représente plus de 99 % de la masse atomique et est composé de protons et de neutrons. Ceci consiste en des quarks et des gluons, qui sont considérés comme des particules élémentaires (Figure 1). Les gluons sont les quanta de ce qu'on appelle la "force nucléaire forte" qui maintient les protons, les neutrons et le noyau liés.

Pour voir comment cela se rapporte à la question de l'origine de la majorité de la masse du noyau atomique, voir la Figure 2. Dans cet exemple illustratif, un bâton et un anneau en caoutchouc sont placés dans chaque plateau d'une balance à fléau. Les bâtons et les anneaux en caoutchouc sont sélectionnés pour avoir exactement la même masse et donc le même poids. Cela fait en sorte que le faisceau de la balance soit exactement horizontal. Si l'un des anneaux en caoutchouc est étiré sur le bâton et que celui-ci est placé dans une pan tandis que dans l'autre pan le bâton et l'anneau en caoutchouc restent séparés, l'équilibre n'est (du moins en principe) plus exactement horizontal. L'anneau en caoutchouc étiré a une énergie supplémentaire E stockée et selon Einstein, cela ajoute à la masse d'un montant Δm=E/c². Par conséquent, la masse de l'anneau en caoutchouc étiré est augmentée et la balance montre une différence de poids, du moins en principe. Parce que l'énergie E est divisée par c², qui est la vitesse de la lumière au carré, le changement de masse est beaucoup trop petit pour être observable avec de vraies balances.

Comment les différents effets contribuent à la masse du noyau atomique

1. La force nucléaire forte à l'intérieur du noyau : En raison de la charge positive nette de ses constituants, une énorme force électrostatique s'efforce de faire exploser le noyau. La force nucléaire forte à l'intérieur du noyau agit contre la force électrostatique et maintient le noyau lié. Par conséquent, la force nucléaire forte comprend d'énormes quantités d'énergie de liaison, contribuant largement à la masse du noyau.
2. L'énergie cinétique découlant du principe d'incertitude de Heisenberg : De plus, en raison du principe d'incertitude de Heisenberg^[3], les particules élémentaires dans le noyau ne peuvent pas rester immobiles, elles doivent tourner à des vitesses équivalentes à une grande fraction de la vitesse de la lumière. Cette énergie cinétique entraîne une augmentation correspondante de la masse et provoquerait l'explosion du noyau si elle n'était pas contrebalancée par la force nucléaire forte. Cela augmente l'énergie de liaison de la force nucléaire forte et sa contribution à la masse.
3. Le mécanisme de Higgs : Comme décrit ci-dessus. En fait, ce mécanisme contribue le moins à la masse du noyau.

En utilisant la balance de la Figure 2, le poids d'un échantillon peut être converti en masse comme suit :

1. Le poids de l'échantillon dans une coupelle est équilibré par des poids de calibration de masse connue dans l'autre coupelle, de sorte que la poutre devient horizontale.
2. Maintenant, la masse de l'échantillon est conforme à la masse des poids de calibration, à part les petits effets de flottabilité de l'air qui sont normalement ignorés.
3. De cette manière, la masse de l'échantillon est déterminée.

Les balances électroniques modernes fonctionnent de manière plus élaborée, mais les fondamentaux restent les mêmes. Pour les déterminations de masse traçables, des unités de masse appropriées et des poids de calibration traçables à une norme de masse internationale sont nécessaires. Selon le Système international d'unités, l'unité de masse est le kilogramme [kg]. Le standard international de masse actuel est le prototype original du kilogramme situé à Paris, France. C'est un cylindre en alliage de platine-iridium (Figure 3). Cependant, il y avait des problèmes avec la stabilité à long terme de la valeur de masse du prototype original du kilogramme. Par conséquent, depuis des décennies, les chercheurs travaillent à trouver une meilleure norme de masse qui repose uniquement sur des propriétés physiques fondamentales. Ces efforts semblent avoir été couronnés de succès et il est prévu que le prototype original du kilogramme soit remplacé par une nouvelle norme de masse lors de la 26e Conférence générale des poids et mesures en novembre 2018.^[4]

La densité des liquides est un paramètre physique important qui peut être utilisé pour calculer la concentration et dans de nombreuses autres applications. Pour déterminer la densité des liquides, les méthodes suivantes sont utilisées :

• Balance hydrostatique ou hydromètre : un corps de volume connu est immergé dans l'échantillon et sa perte de poids due à la flottabilité est déterminée. La flottabilité est proportionnelle à la densité et peut facilement être convertie en cette dernière. Pour obtenir des mesures très précises, il est essentiel de contrôler et de compenser avec précision la température, les effets de la tension de surface, etc.
• Pycnomètre : une bouteille (pycnomètre) de volume connu est remplie avec le liquide échantillon. La différence de poids entre le pycnomètre rempli et le pycnomètre vide est déterminée. À partir de cela et du volume connu du pycnomètre, la densité est calculée.
• Densimètre à tube en U oscillant : En raison de leur rapidité et de leur précision, ce sont les instruments les plus fréquemment utilisés pour les mesures de densité. La quantité d'échantillon requise est beaucoup plus faible que pour les deux méthodes ci-dessus. Le volume intérieur du tube en U définit le volume de l'échantillon mesuré. Le tube en U est rempli de l'échantillon et mis en oscillation électroniquement à ses fréquences naturelles. Les fréquences naturelles dépendent de la masse de l'échantillon rempli et sont automatiquement converties en densité de l'échantillon. La figure 4 montre un exemple de capteur de densité à tube en U oscillant.

Pour une explication détaillée de la technologie utilisée par les densimètres à oscillation, voir ici.