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COMP1
Cohésion de la matière
1S
La matière qui compose notre univers est très diversifiée.
Comment admettre que des particules de matière,
puissent coexister malgré des caractéristiques
physiques différentes ?
La Voie Lactée, notre galaxie
A/ Quels sont les plus petits constituants de la matière ?
Tout édifice est constitué d’atomes, de molécules ou d’ions. Ces entités sont elles mêmes
formées à partir de particules plus petites dites élémentaires. Au lycée, on en retiendra 2 :
-
le nucléon ( proton + neutron )
l’électron
Exemple : le modèle planétaire de l’atome
Les quarks sont aussi des particules élémentaires puisqu’ils composent les protons et les neutrons
(voir TD interactions fondamentales)
1
B/ Comment caractériser une particule élémentaire ?
Une particule élémentaire est caractérisée par :
-
Sa masse ( liée à la quantité de matière )
-
Sa charge électrique (liée à la quantité d’électricité)
On définit la charge élémentaire notée e comme la charge électrique d’un proton.
e = 1,6 x 10-19 C
L’unité de la charge électrique est le Coulomb ( noté C )
Ø La charge électrique de toute entité chargée ( noyau atomique, ion, objet quelconque ) peut
s’exprimer en fonction de la charge élémentaire e.
Ø On notera par la lettre q, la charge électrique et on exprimera cette charge en fonction de e :
q = n x e
Les charges des particules élémentaires
Particule
Localisation dans l’atome
Proton
Dans le noyau
Neutron
Dans le noyau
Electron
A la périphérie du noyau
Charge électrique
q p = e = 1,6 x 10 -19 C
qn = 0 C
q e = - e = - 1,6 x 10 -19 C
Les masses des particules élémentaires
Particule
Proton
Masse
m p = 1,673 x 10 -27 kg
Neutron
m n = 1,675 x 10 -27 kg
Electron
m e = 9,1 x 10 -31 kg
Ordre de grandeur
10 -27 kg
10 -27 kg
10 -30 kg
2
C/ La composition de l’atome
Un atome de symbole X dont le noyau comporte A nucléons et Z protons est représenté
symboliquement par :
A : nombre de masse
Z : numéro atomique
!
!𝑋 Ø Pour déterminer le nombre de neutrons on réalise le calcul : A-Z
Ø Deux atomes isotopes ont le même numéro atomique Z mais un nombre de nucléons
différent A.
3
D/ Quelles sont les interactions fondamentales ?
Toutes les structures de l’Univers sont régies par 4 interactions fondamentales :
Ø
Ø
Ø
Ø
L’interaction gravitationnelle
L’interaction éle ctromagnétique
L’interaction forte
L’interaction faible
L’interaction gravitationnelle
Ø Cette interaction a été étudiée en classe de seconde.
Ø C’est une interaction attractive.
Ø Elle agit entre particules ayant une masse non nulle .
Ø Sa portée est infinie mais sa valeur diminue quand la distance augmente.
Ø C’est l’interaction prédominante pour des objets de ma sses élevées.
Ø Elle explique la cohésion des édifices astronomiques.
L’interaction électromagnétique
Ø C’est une interaction attractive ou répulsive .
Ø Elle agit entre particules ayant une charge électrique non nulle.
Ø Sa portée est infinie mais sa valeur diminue quand la distance augmente.
Ø C’est l’interaction prédominante pour des objets chargés et englobe l’interaction
électrostatique décrite par la loi de Coulomb ( voir prochain chapitre)
Ø Elle explique notamment la cohésion de l’atome.
L’interaction forte
Ø L’interaction forte assure la cohésion du noyau atomique.
Ø Elle agit principalement entre le s nucléons.
Ø Elle ne s’exerce qu’à des distanc es très courtes, de l’ordre du diamètre du noyau d’un
atome.
4
L’interaction faible
Ø L’interaction faible est responsable de certains types de radioactivité.
Ø Sa portée est extrêment faible de l’ordre du diamètre du nucléon.
Ø Elle ne s’exerce qu’à des distanc es très courtes, de l’ordre du diamètre du noyau d’un
atome.
E/ Quelles sont les forces d’interaction ?
Rappel de seconde
Ø En physique, lorsqu’un corps agit sur un système, on parle d’action mécanique ou de
force.
Ø Une force représente l’action qui peut changer le mouvement d’un objet.
Ø Une force se caractérise par :
 Une direction
‚ Un sens
ƒ Une valeur numérique
En mathématique, on représente une force par un vecte ur dontle point d’application se
situe la plupart du temps au centre de gravité du système.
Exemple : Les forces appliquées à un avion en vol
On comprend ici que le vol est possible si les forces de pousée, de traînée et de portance l’emporte
sur le poids de l’avion.
5
Ø L’interaction gravitationnelle se matérialise par une force d’attraction
gravitationnelle.
Ø Cela consiste à dire que deux corps A et B de masses respectives mA et mB et séparés d’une
distance d exercent l’un sur l’autre une action mécanique attractive et de même intensité.
Ø Si on souhaite calculer cette force :
F = FA/B = FB/A = G x
!! × !!
!!
G : constante de gravitation universelle G = 6,67 x 10-11 m3.kg-1 .s-2
Les masses doivent être exprimées en kilogramme (kg), la distance d en mètre (m) et la force
sera exprimée en Newton (N)
Utilité ? Cette force est surtout évoquée à l’échelle astronomique car portée très faible à l’échelle
humaine. Vous pouvez donc imaginer que les corps A et B sont deux planètes ou une planète et un
satellite en interaction.
On peut d’ailleurs faire un calcul très simple d’ordre de grandeur ( en puissance de 10) de la force
d’interaction gravitationnelle s’exerçant entre un proton et un électron en considérant qu’ils sont
distants de 10-10 m.
En bleu, FE/P la force de l’électron sur le proton
En orange, FP/E la force du proton sur l’électron.
F = FE/P = FP/E = G x ( mp x mE ) / d2
F= (10-10 x 10-27 x10-30 ) / 10-20
F = 10 -47 N
On voit bien que la force d’attraction gravitationnelle
est négligeable à l’échelle atomique.
6
Ø L’interaction électromagnétique se matérialise par une force attractive ou
répulsive selon la nature des charges électriques en présence.
Ø Cela consiste à dire que deux corps A et B de charges respectives qA et qB et séparés d’une
distance D exercent l’un sur l’autre une action mécanique attractive ou répulsive et de même
intensité.
Ø Si on souhaite calculer cette force :
F = FA/B = FB/A = k x
|!! | × |!! |
!!
k : constante de Coulomb k = 9 x 109 N. m2.C-2
Les charges qA et qB doivent être exprimées en Coulomb (C),
Les I …. I signifie « valeur absolue » c’est-à-dire que dans le calcul, il faut toujours considérer
la valeur positive de la charge électrique.
La distance D en mètre (m) et la force sera exprimée en Newton (N)
Ø La force sera attractive si qA et qB sont de même signe.
La force sera répulsive si qA et qB sont de signes opposés.
Utilité ? Cette force est surtout évoquée à l’échelle humaine ou même à l’échelle atomique. Vous
pouvez donc imaginer que les corps A et B sont deux particules élémentaires ou deux atomes.
On peut d’ailleurs faire un calcul très simple d’ordre de grandeur ( en puissance de 10) de la force
d’interaction électromagnétique s’exerçant entre un proton et un électron en considérant qu’ils sont
distants de 10-10 m.
En bleu, FE/P la force de l’électron sur le proton
En orange, FP/E la force du proton sur l’électron.
F = FE/P = FP/E = k x ( IqpI x IqEI ) / d2
F= (1010 x 10-19 x10-19 ) / 10-20
F = 10 -8 N
On voit bien que la force électromagnétique est plus
importante à l’échelle atomique qu’à l’échelle
humaine.
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F/ Quelles sont les dimensions des édifices de l’Univers ?
Les puissances de 10 correspondent aux ordres de grandeurs. Vous devez vous repérer grâce à ces
ordres de grandeur.
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Pour résumer
Ordre de grandeur
Voie Lactée
10 21 m
Système solaire
10 13 m
Terre
10 7 m
Homme
10 0 m = 1m
Interaction prédominante
L’interaction gravitationnelle
L’interaction électromagnétique
Molécule
10 -9 m
Atome
10 -10 m
Noyau
10 -15 m
Compétences attendues
L’interaction forte et
l’interaction faible
ü
Connaître les constituants de la matière
ü
Connaître les ordres de grandeur des valeurs des masses du proton, du neutron, de l’électron.
ü
Savoir que toute charge élémentaire peut s’exprimer en fonction de la charge élémentaire e.
ü
Utiliser la représentation symbolique de l’atome et reconnaître des isotopes.
ü
Connaître les ordres de grandeur des dimensions des édifices de l’Univers.
ü
Associer à chaque édifice organisé la ou les interactions prédominantes.
---- FIN ----
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