Chapitre 1

Physique
Chapitre 1
Interactions fondamentales
1. Principe des interactions.
Sir Isaac Newton (1642 – 1727). 1687 : « Principes mathématiques de philosophie naturelle ».
Enoncé du principe.
A
B
B
A
Principe applicable pour les actions de
contact ou à distance ;
que l’on soit en situation d’équilibre ou
non.
2. La masse et l’interaction gravitationnelle. Newton 1687.
Latin gravis (lourd), gravitas (attiré vers). Deux corps, du fait de leur masse, exercent l’un sur
l’autre des forces attractives (« attraction universelle »).
2.1. Loi de Newton.
a. Deux solides ponctuels.
couche
sphérique
homogène
b. Corps étendus à symétrie sphérique.
Un corps à symétrie sphérique a une forme sphérique, sa
répartition des masses est également sphérique (couches
sphériques homogènes).
Cas particulier : le solide homogène.
La loi de Newton est également applicable, pour des corps éloignés et à condition de prendre
en compte les distances de centre à centre.
2.2. Les mouvements célestes, la cohésion de l’Univers, s’expliquent par l’interaction
gravitationnelle.
Le principe d’inertie. Newton 1687. Exercice 1. Calcul de la force d’interaction Terre - Lune.
Représentation de la force d’attraction exercée par la Terre sur la Lune.
2.3. Le poids d’un corps est très voisin de la force gravitationnelle que la Terre exerce sur ce
corps.
3. Les charges et l’interaction électromagnétique.
L’interaction électromagnétique concerne les charges électriques, immobiles ou en mouvement.
On peut dire également interaction électrique. Si ces charges sont immobiles, on parle
d’interaction électrostatique.
Charles-Augustin Coulomb (1736 – 1806). 1785 : les lois de l’électrostatique.
Deux corps électriquement chargés exercent l’un sur l’autre des forces électriques, attractives si
les charges sont de signes contraires, répulsives si les charges sont de même signe.
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3.1. Loi de Coulomb.
3.2. La cohésion de la matière, à l’échelle atomique, ionique ou moléculaire s’explique par
l’interaction électrique.
a. L’atome. Exercice 2. Comparaison de l’interaction électrostatique et de l’interaction
gravitationnelle entre noyau et électron à l’intérieur de l’atome de sodium.
b. Cristaux ioniques.
Empilements compacts et ordonnés de cations et d’anions. Cohésion assurée par des
interactions électriques entre ions ; on donne le nom de liaison ionique à ces interactions.
c. La molécule.
La liaison covalente, résultat d’interactions électriques mettant en jeu noyaux et électrons des
atomes, peut être décrite comme une interpénétration des nuages électroniques et une mise en
commun d’électrons.
d. Solides moléculaires.
Empilements compacts et ordonnés (solide cristallin) ou non (solide amorphe) de molécules
liées par des interactions électriques. Un solide cristallin est toujours plus stable qu’un solide
amorphe (liaisons plus fortes).
4. Les nucléons, l’interaction nucléaire.
4.1. L’interaction forte. 1921. James Chadwick.
L’interaction forte explique la cohésion du noyau. Pourquoi les répulsions électriques entre
protons ne provoquent-elles pas la désintégration du noyau ?
Cette interaction est attribuée à un échange entre les nucléons de particules sans charge ni masse
qui se déplacent à la vitesse de la lumière : les gluons.
4.2. L’interaction faible. 1934. Enrico Fermi.
La stabilité des noyaux d’éléments naturels est inégale. Certains isotopes possèdent des noyaux
stables. D’autres se désintègrent avec émission de particules élémentaires : ils sont radioactifs.
14
14
0
C’est le cas par exemple de l’isotope 14 du carbone, radioactif - : 6C  7N  1e .
Il s’agit d’une émission d’électrons provenant de conversions neutron  proton.
Ici, les particules concernées seraient liées par un échange de bosons intermédiaires. L’émission
aléatoire de ces bosons provoquerait la désintégration du noyau.
5. Comparaison des interactions.
Interaction
Intensité
Portée
Effet
Champ d’action
Vecteur
forte
électromagnétique
faible
gravitationnelle
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Les interactions fondamentales.
Lire attentivement le texte ci-dessous, puis répondre aux questions posées.
« Dans la conception contemporaine, il faut entendre par force non seulement ce qui pousse, qui
tire ou modifie le mouvement, mais aussi tout ce qui incite au changement, à la métamorphose.
La force, ou mieux l’interaction, dans l’acception physicienne, se définit donc comme l’agent
unique de la transformation.
Les forces, en apparence, sont au nombre de quatre : forte, faible, électromagnétique et
gravitationnelle.
Les quatre influences physiques s’entrecroisent en nous et en toutes choses. Aux nœuds des
relations sont les particules. […]
L’interaction forte domine en intensité toutes les autres, dont l’interaction électromagnétique
(d’où son nom), laquelle surpasse l’interaction faible, qui elle-même laisse très loin derrière la
minuscule force de gravitation.
Pourtant, il ne faut pas s’y méprendre, cette hiérarchie microscopique ne reflète en rien
l’influence des forces à grande échelle. La gravitation est sans conteste la force dominante à
l’échelle cosmique, parce qu’elle n’est contrebalancée par aucune antigravitation, et que son
intensité, bien que déclinante, s’exerce sans limite de distance.
Les interactions forte et faible, de par leur portée minuscule, se sont fait un royaume du noyau
de l’atome.
Quant à l’interaction électromagnétique, bien que de portée illimitée, elle ne saurait gouverner
le vaste Cosmos car les grandes structures sont inactives du point de vue de l’électricité. En
effet, les charges électriques plus et moins, en nombre égal, partout se neutralisent. Ce n’est pas
pour autant une entité négligeable : la force électromagnétique a pris possession du vaste
domaine laissé vacant entre l’atome et l’étoile, qui inclut le minéral, l’animal, le végétal et
l’homme.
Ainsi chacune des quatre forces assume son identité et sa fonction précise. […]
Parmi les quatre forces en lesquelles les physiciens reconnaissent les moteurs universels, la vie
terrestre, la vie pensée à deux mètres de haut, enfin presque, a rendu familières les deux forces à
longue portée, à savoir l’interaction électromagnétique et la gravitation. La première maintient
la cohésion des œuvres architecturales du monde supranucléaire (atomes, molécules, corps
liquides et solides). La seconde contrôle le mouvement de la Terre autour du Soleil et tient, entre
autres choses, la Terre sous nos pieds.
Les interactions forte et faible régissent le microcosme et sont dans les conditions ambiantes de
notre existence totalement insoupçonnables. »
Michel Cassé, Nostalgie de la lumière, 1987.
Questions.
1. Quelle définition l’auteur donne-t-il d’une force ? Rappeler les noms des 4 interactions
fondamentales admises par le physicien.
2. On se propose de compléter le tableau, paragraphe 5 du cours.
a. On donne aux intensités des 4 interactions les valeurs relatives : 1 ; 10-2 ; 10-6 ; 10-40.
Attribuer à chacune sa valeur.
b. Choisir, pour les portées, les valeurs parmi les propositions : infinie ; 10-15 m ; 10-17 m.
c. Effets : attire ou repousse ?
d. Champ d’action : noyau de l’atome ; de l’atome à l’étoile ; étoiles, galaxies et univers.
3. Deux seulement de ces interactions fondamentales interviennent à notre échelle : lesquelles ?
Laquelle nous est la plus familière et pourquoi ?
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Matière, interactions et particules.
Lire attentivement le texte ci-dessous, puis répondre aux questions posées.
« Intrigué par les analogies des lois de la nature et soucieux de trouver un modèle simple pour
comprendre cette matière si diverse, le physicien a été conduit à en décrire la cohésion par des
échanges de particules, les bosons, tout comme l’échange du ballon assure la cohésion d’une
équipe de volley-ball, par exemple.
Albert Einstein le premier, en 1905, propose l’émission de quanta de lumière, les photons, de
charge et de masse nulle comme véhicules de l’interaction électromagnétique.
Les gravitons, dont on suppose l'existence sans avoir jamais pu la mettre en évidence, seraient
porteurs de l’interaction gravitationnelle.
Les bosons intermédiaires véhiculent l'interaction nucléaire faible et entrent en jeu lors de la
désintégration bêta du noyau.
Les gluons, porteurs de l'interaction nucléaire forte, assurent la très forte liaison entre eux des
quarks qui constituent les nucléons. Sans eux, les noyaux atomiques, et donc nous-mêmes,
n'existeraient pas…
…Car si l’électron peut être considérée comme une particule élémentaire, il semble que les
nucléons (protons et neutrons) n’en soient pas : ils sont constitués de quarks.
C’est juré : quarks et électrons sont bien des particules élémentaires.
Les électrons font partie de la famille des leptons, particules pouvant exister sans la compagnie
d'autres particules.
Les quarks, en revanche, ne peuvent exister qu'en groupe.
Il existe 2 types de quarks : le quark up (u) de charge électrique  2e et le quark down (d) de
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charge électrique  1e . Ainsi les quarks ont la propriété surprenante d’avoir une charge
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électrique fraction de la charge élémentaire e.
Mais ils ne sont jamais seuls et se regroupent pour former des particules composites appelées
hadrons. La somme des charges électriques des quarks dans un hadron est toujours un nombre
entier. Proton et neutron sont des hadrons constitués de 3 quarks. »
Questions.
1. Quel nom général donne-t-on aux particules messagères des interactions fondamentales ?
Compléter le tableau en y indiquant les noms de ces vecteurs pour chaque type d’interaction.
2. A quelle famille de particules appartiennent les électrons ? les nucléons ?
3. A l’aide des lettres u (up) et d (down), donner les combinaisons de quarks permettant de
constituer un proton, un neutron.
4. En quoi consiste, au niveau des quarks, la radioactivité - ?
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