Chapitre 1 : Faire des mesures en chimie
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Partie I : Les interactions fondamentales Chapitre 1 : Interactions fondamentales Chapitre 1 : Interactions fondamentales I. Les constituants de la matière 1) Le modèle de l’atome Toute la matière est formée à partir d'atomes. Un atome est une entité électriquement neutre constituée d’un noyau et d’un nuage d’électrons. Un atome est caractérisé par deux nombres : son nombre de masse A et le nombre de charge Z. Le noyau d’un atome est constitué de Z protons et de N=A-Z neutrons et est chargé positivement. Le nuage électronique d’un atome contient Z électrons (autant que de protons dans le noyau). 2) Les particules élémentaires Les protons, les neutrons et les électrons sont les constituants de toute la matière de l’Univers. On dit que ce sont des particules élémentaires. a) Masse Les masses du proton et du neutron sont très proches : mn ≈ mp ≈ 1,67 x 10-27 kg La masse d'un électron est environ 2000 fois plus faible que celle d'un nucléon : mp/me ≈ 2000 b) Charge électrique La plus petite charge électrique positive pouvant être portée par une particule est appelée charge élémentaire et notée e. La charge élémentaire vaut e = 1,602 x 10-19 C. Toutes les charges électriques des particules observables sont des multiples entiers (positifs ou négatifs) de la charge élémentaire e. Le neutron est une particule neutre, sa charge électrique est nulle : qn = 0 C Les charges du proton et de l'électron sont opposées : qe = - qp avec qp = +e et qe = - e 3) La cohésion de la matière La cohésion de la matière est assurée, à l'échelle astronomique comme à celle l'atome ou du noyau, par un petit nombre de forces : on parle d'interactions fondamentales. Il existe quatre interaction fondamentales mais nous n'étudierons que trois de ces interactions fondamentales : l'interaction gravitationnelle, l'interaction électromagnétique et l'interaction forte. La quatrième, appelée interaction faible, sort du cadre du programme de première S. II. L’interaction gravitationnelle 1) La loi de Newton de la gravitation universelle Loi de Newton : l’interaction gravitationnelle entre deux objets ponctuels A et B de masses mA et mB, séparés d'une distance d, est modélisée par deux forces d’attraction gravitationnelle F A/B et FB/A dont les caractéristiques sont : - direction : suivant la droite (AB) reliant les deux masses - sens : forces attractives dirigées vers le centre attracteur (A pour FA/B et B pour FB/A) - valeur : la valeur commune pour FA/B et FB/A est proportionnelle aux masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare : PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S – 2007/2008 Partie I : Les interactions fondamentales Chapitre 1 : Interactions fondamentales FA/B = FB/A = G×mA ×mB d2 FA/B et FB/A en newtons (N) mA et mB en kilogramme (kg) d en mètres (m) G est la constante de la gravitation universelle G = 6,67 x 10 -11 SI 2) Le poids d’un corps Le poids d'un corps à la surface de la Terre correspond à la force de gravitation exercée par la Terre sur ce corps. D’après la loi de Newton, la force de gravitation exercée par la Terre sur un corps de masse m à la surface de la Terre vaut et d la distance entre le centre de la Terre et le corps de masse m. Si un corps est au niveau moyen des océans, la distance qui le sépare du centre de la Terre est RT : le rayon de la Terre. D’après la loi de Newton, la force de gravitation exercée par la Terre sur ce corps vaut P= G×MT ×m RT 2 soit P = m×g avec g = G×MT RT 2 MT est la masse de la Terre RT est le rayon de la Terre g est l’intensité de la pesanteur terrestre au niveau du sol qui vaut g = 9,8 N.kg-1 III. L’interaction électrique et la loi de Coulomb Loi de coulomb : l’interaction électrostatique entre deux objets ponctuels A et B portant les charges q A et qB, séparés d'une distance d, est modélisée par deux forces électrostatiques F A/B et FB/A dont les caractéristiques sont : - direction : suivant la droite (AB) reliant les deux masses - sens : forces répulsives si qA et qB de même signe forces attractives si qA et qB de signes opposés - valeur : la valeur commune pour FA/B et FB/A est proportionnelle aux valeurs absolues des charges et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare FA/B = FB/A = k× qA × qB d2 FA/B et FB/A en newtons (N) qA et qB en coulombs (C) d en mètres (m) k est une constante de proportionnalité qui dépend du milieu séparant les deux charges ; dans le vide (et approximativement dans l'air) : k = 9 x 109 SI . IV. L’interaction forte Les protons du noyau atomique sont concentrés dans un volume très restreint et subissent des répulsions électriques très intenses. Pourquoi le noyau n'explose-t-il pas ? PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S – 2007/2008 Partie I : Les interactions fondamentales Chapitre 1 : Interactions fondamentales Il existe une interaction fondamentale à l'intérieur du noyau : l'interaction forte. L'interaction forte qui est une interaction : - attractive - qui s'exerce entre nucléons à l'intérieur des noyaux atomiques - de très courte portée : un nucléon n’interagit qu'avec ses plus proches voisins - très intense : l’attraction entre deux protons voisins dans un noyau atomique est environ mille fois plus intense que leur répulsion électrique V. Domaines de prédominances des interactions fondamentales 1) La cohésion de la matière à l’échelle nucléaire Cest l’interaction forte qui permet d'expliquer la cohésion des noyaux atomiques. Remarque : La très courte portée de l’interaction forte a une influence sur la stabilité des noyaux atomiques. Plus le noyau est gros, plus les nucléons sont éloignés. L’interaction forte n’est plus en mesure de compenser la répulsion électrique entre les protons. C’est pourquoi il n’y a pas de noyaux naturels stables plus gros que celui de l’uranium. 2) La cohésion de la matière de l’échelle atomique A l’échelle atomique, l'interaction électromagnétique est beaucoup plus intense que l'interaction gravitationnelle. Si l’on compare la force gravitationnelle et la force électrostatique entre un proton et un électron à l'intérieur d'un atome d'hydrogène on obtient : Fg = G×mp ×me r2 et Fe = k× qp × qe r2 donc Fe k×e2 = = 2,3 x 1039 et donc Fe >>> Fg Fg G×mp ×me La cohésion de la matière qui nous entoure s'explique donc à l'aide de l'interaction électrique. Remarque : Toutes les forces usuelles, hormis le poids, ont une origine électromagnétique (tension d’un ressort, résistance mécanique d’une chaise...). 3) La cohésion de la matière à l’échelle astronomique Les interactions gravitationnelle et électrique ont une portée infinie. Cependant, la nature des interactions gravitationnelle et électromagnétique a une conséquence importante : L'interaction gravitationnelle est toujours attractive et ses effets sont cumulatifs alors que l'interaction électrostatique est soit attractive soit répulsive (selon les signes des charges). La matière étant toujours globalement neutre, l'interaction électrostatique n'a pas d'effets pour des masses importantes. A l’échelle astronomique, c’est l'interaction gravitationnelle qui prédomine. Elle permet d'expliquer les mouvements des astres, le regroupement des étoiles en galaxies etc. 4) Caractéristiques des interactions gravitationnelle, électrique et forte Interaction forte électrique gravitationnelle corps concernés nucléons corps chargés tous les corps sens de l’interaction attractif attractif ou répulsif attractif portée de l’interaction ≈ 10-15 m infinie infinie subatomique atome-humain astronomique domaine de prédominance PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S – 2007/2008 Partie I : Les interactions fondamentales Chapitre 1 : Interactions fondamentales PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S – 2007/2008
