Chapitre 1 Interactions fondamentales

1
Chapitre 1
Interactions fondamentales
I-
Introduction
La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la Nature. Son champ est néanmoins plus
restreint : elle décrit de façon à la fois quantitative et conceptuelle les composants fondamentaux de l'univers, les
forces qui s'y exercent et leurs effets.
Elle développe des théories en utilisant l'outil des mathématiques pour décrire et prévoir l'évolution d'un système.
Cette science n'accepte comme résultat que ce qui est mesurable et reproductible par expérience. Celle-ci permet de
valider ou d'infirmer une théorie donnée.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Physique
II- Les particules élémentaires
1- Caractéristiques des particules élémentaires
La diversité de la matière : noyaux, atomes et molécules, phases condensées ou gazeuses, organismes vivants,
systèmes astronomiques, résulte de l’arrangement de trois « briques » de base, protons, neutrons et électrons,
considérées comme particules élémentaires (cette notion est évidemment liée à l'état des connaissances actuelles).
Particule
Masse (kg)
Charge (unité : Coulomb; symbole C)
-31
qe = - e = -1,602.10-19
électron
me = 9,109.10
proton
mp = 1,673.10-27
qp = e = 1,602.10-19
neutron
mn = 1,675.10-27
0
- Les charges électriques de l'électron et du proton ont même valeur e. Cette valeur e commune est appelée charge
électrique élémentaire.
2- L'atome et le noyau
L'atome est constitué d'un noyau de nucléons et d'un nuage d'électrons.
Le noyau est donc chargé positivement et le nuage électronique chargé
négativement.
L’atome est électriquement neutre (ou de charge nulle) car il possède
autant de protons que d'électrons.
La masse du noyau représente la quasi totalité de la masse de l’atome :
masse d' un nucléon
≅ 1 800
masse de l' électron
L'espace occupé par un atome peut être assimilé une sphère. Le diamètre de cette sphère est d'environ
10 -10 m. Le noyau peut lui aussi être assimilé une sphère placée au centre de la précédente le diamètre du noyau est
d'environ 10 -15 m.
A retenir
l’ordre de grandeur du rapport des masses du nucléon et de l’électron. L’ordre de grandeur du
diamètre d’un atome et d’un noyau.
III- Mise en évidence des différents types d’interaction
1- Répartition de la matière dans l’univers
2
Simulation informatique du système solaire.
Le calcul précis des trajectoires des planètes autour du soleil a montré
la puissance de la théorie de Newton.
Les neuf planètes du système solaire se déplacent sur des trajectoires
elliptiques (proches de cercles). Toutes ces ellipses sont pratiquement
dans le même plan, à l’exception de celle de Pluton, la planète la plus
éloignée du soleil.
CNRS Photothèque
A quelle type d’interaction sont soumises ces planètes ? Soumises à l’interaction gravitationnelle
Avec quel astre interagissent-elles ? Le Soleil
2- Cohésion dans la matière
Exemple 1 : molécules d’eau et de méthane
Décrire chacune des molécules ; à partir de ces descriptions donner une définition d’une molécule. L’eau est
composée de 2 atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Pour le méthane on a 4 atomes d’hydrogène et
atome de carbone. Une molécule est un assemblage d'atomes
Quel type d’interaction intervient dans la cohésion des atomes au sein d’une molécule ? Interaction de type
coulombienne (électrostatique)
Exemple 2 : Le calcite (carbonate de calcium CaCO3)
De quels types d’ions est formé le cristal ? Ion calcium Ca2+ et l’ion carbonate CO32Comment ces cristaux sont-ils organisés au sein de la matière ? Ils sont alternés
Quel type d’interaction assure cette cohésion ? Interaction de type électrostatique (ou ionique)
Dégager de l’étude ci-dessus une définition d’un cristal ionique. Un solide ionique est un solide composé d'ions
dans un solide ionique cristallin (cristal ionique), les anions et les cations sont disposés de façon ordonnée dans
l'espace.
Exemple 3 : Lévitation d'une statuette, du sculpteur Tanguy
Cette statue contient des aimants permanents au dessus d'un lit de supraconducteurs, refroidis à la température de
l'azote liquide (-196°C). Un aimant placé au voisinage d’un supraconducteur induit des courants à la surface du
supraconducteur. Ces courants induisent (créent) eux-mêmes un champ magnétique opposé au premier d’où ce
phénomène de lévitation (effet Meissner).
Quel type d’interaction est ici mise en évidence ? Interaction électromagnétique
D’après le texte, quelle est l’origine des phénomènes magnétiques ? Justifier le terme d’interaction
électromagnétique ? A des courants induits ; l’interaction électromagnétique signifie l'étude des phénomènes
électriques et magnétiques
3
3- Cohésion de la matière dans les noyaux des atomes
Cette image stéréoscopique montre les interactions entre
quarks, anti-quarks et gluons et les fluctuations quantiques du
vide.
Les composants du noyau de l’atome, protons et neutrons, ne sont
pas des particules élémentaires. Les nucléons sont constitués de
quarks, soumis à l’interaction forte par l’intermédiaire des gluons.
L’interaction forte permet la cohésion des noyaux atomiques en
liant les protons et les neutrons entre eux au sein de ce noyau. Si
cette interaction n'existait pas, les noyaux ne pourraient pas être
stables et seraient dissociés sous l'effet de la répulsion
électrostatique des protons entre eux.
CNRS Photothèque
IV- Comparaison des différentes interactions :
Document Nostalgie de la lumière, Michel Cassé, 1987 :
Les forces, en apparence, sont au nombre de quatre : forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle.
L’intensité d’une interaction donnée peut être caractérisée par un nombre, une constante universelle qui
mesure le taux auquel procèdent les transformations induites par ladite interaction. Les quatre forces sont
spécifiques, hiérarchisées en portée et en intensité, mais non exclusives.
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.
Questions :
a. Compléter le tableau en utilisant les informations du texte.
Interaction
forte
Portée
10-15 m
Intensité
1
Effet
attractif
électromagnétique
infinie
10-2
Attractif ou répulsif
gravitationnelle
infinie
10-40
attractif
Champ d’action
Noyau - atome
entre l’atome et notre
échelle
Cosmos
b. A quoi sert la 2ème colonne du tableau ? Expliquer l’attribution des valeurs y figurant ? A savoir quand
une interaction peut être négligée devant une autre, à connaître son champ d’action.
c. Expliquer pourquoi deux protons d’un même noyau ne se repoussent pas. On rappelle que la taille du
noyau d’un atome est de l’ordre de grandeur de 10-15m ? Car ils sont maintenus par l’interaction forte.
d. Deux seulement de ces interactions fondamentales interviennent à notre échelle : pourquoi ? Car elles
onts une protée infinie. L’interaction forte étant inexistant à notre échelle.
Pourquoi une seule nous est-elle vraiment familière ? Car on la « subie » tous les jours.
La cohésion de la matière est assurée par :
- l’interaction gravitationnelle à l’échelle astronomique,
- l’interaction électromagnétique à l’échelle des atomes, des molécules et de la matière à notre échelle,
- l’interaction forte à l’échelle du noyau.
4
V- Comment modéliser une interaction ?
Document (suite) :
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.
Questions :
a. Extraire du texte une définition de la notion de force.
Quel outil mathématique peut-on utiliser pour modéliser une force ? Vecteur
b. Combien de forces interviennent dans l’interaction entre deux objets A et B ? Que pensez-vous de ces
forces ? 2, elles sont opposées, de même nature
En utilisant les forces (à définir ; qui agit sur qui ?), faire les schémas correspondant à
une interaction de type attractive entre A et B
une intercation de type répulsive entre A et B
5
VI- Interactions électrostatiques et gravitationnelles :
Interaction gravitationnelle
L’interaction électrostatique :
La masse :
Charge électrique :
La masse d’un corps traduit la quantité de matière que contient ce corps.
On peut aussi la définir comme un coefficient, caractéristique de chaque
particule, qui détermine le comportement de la particule quand elle interagit avec
d’autres particules
La charge électrique est un coefficient caractéristique de chaque particule, qui
détermine l’intensité de ses interactions électrostatiques avec les autres
particules.
Il existe deux types de charges électriques définis par rapport au type
d’interaction: les charges positives et les charges négatives. Il y a répulsion entre
deux charges de même signe et attraction entre deux charges de signes opposés.
La charge se mesure en Coulomb (C).
La charge élémentaire e est la plus petite charge électrique que puisse porter une
particule. Sa valeur est e=+/-1,6.10-19C.
Toute autre charge électrique est un multiple de la charge élémentaire.
La masse se mesure en kilogramme (kg)
Loi de Coulomb :
Loi de la gravitation :
Dans le vide, deux corps A et B, séparées par une distance r = AB et de masses
respectives mA et mB, sont soumises à deux forces directement opposées, dont l’intensité
est proportionnelle au produit des masses et inversement proportionnelle au carré de la
distance qui sépare ces masses.
Dans le vide, deux particules A et B, séparées par une distance r = AB et portant
respectivement les charges qA et qB, sont soumises à deux forces directement opposées,
dont l’intensité est proportionnelle au produit des charges et inversement proportionnelle
au carré de la distance qui sépare ces charges.
Si qA et qB de signes opposés :
A
A
FA→B
FB → A
FA→B
FB → A
B
Si qA et qB de même signe :
A
Expression de l’intensité des forces :
F A→ B = F A → B = G
B
B
FB → A
Expression de l’intensité des forces :
m A . mB
r2
FA→B
avec G = 6,61.10-11 SI.
F A→ B = F A → B = K
q A . qB
r2
avec K=9.109m.F-1.
Applications :
1. Comparaison :
a. Calculer l’interaction gravitationnelle entre le Soleil (MS=1,989.1030kg) et Jupiter (MJ=1,899.1027kg)
sachant que la distance qui les sépare est en moyenne d=815,7.106km.
b. On considère que le Soleil et Jupiter portent deux charges opposées de même valeur absolue. Quelle
devrait être cette charge pour obtenir une interaction électrique de même valeur que l’interaction
gravitationnelle précédente ?
c. Combien d’électrons aurait-il fallu arracher ou déposer pour créer cette charge ?
Comparer ce nombre aux nombres d’atomes de la Terre, évalué à 1050.
6
2. Cohésion d’une molécule :
La molécule de bromure d’hydrogène (HBr) est polarisée. L’atome de brome attirant plus fortement les
électrons de valence que l’atome d’hydrogène, tout se passe comme si l’atome de brome possédait une charge δ centrée sur son noyau et l’atome d’hydrogène une charge +δ centrée sur son noyau.
On sait mesurer la distance entre les deux noyaux ainsi que la force qui lie les deux atomes l’un à l’autre : pour
cette molécule d=110pm et F=4,25.10-10N.
a. Calculer la valeur de δ. Comparer à la valeur de e (1,6.10-19C). Le résultat est-il possible ? Comment
peut-on l ‘expliquer ?
b. Calculer la valeur de la force d’interaction gravitationnelle entre les deux atomes (on donne :
mH=1,67.10-27kg et mBr=1,34.10-26kg)
La comparer à la valeur de la force électrique. Conclure.
c. Quelles sont les différentes interactions existant entre les nucléons ?
Le rayon de l’atome de brome étant de 5,7fm, calculer la valeur de l’interaction électrique entre deux
protons séparés de cette distance. Donner l’ordre de grandeur de l’interaction forte qui est responsable
de la cohésion du noyau.
VII- L’interaction électrostatique et l’électrisation
L’électrisation consiste à faire apparaître sur un corps :
un excès d'électrons, le corps se charge négativement
un défaut d'électrons, le corps se charge positivement
Exemple
On peut électriser deux corps par frottement.
Le PVC arrache des électrons de la laine. Le PVC se charge négativement et la laine se charge
positivement. Le frottement fait passer des électrons d’un corps à l’autre.
Exemple
On peut électriser un corps par contact.
Le PVC électrisé précédemment touche une boule d’aluminium. Lors du contact des électrons passent
sur la boule.
Exemple
On peut électriser un corps par déplacement interne de charges.
Le PVC électrisé précédemment s’approche, sans la toucher, d’une boule d’aluminium. La boule est
attirée. La distribution des charges dans le métal est localement distordue.
ρ
FPVC→boule
+
-
-
+
+
zone frottée
ρ
Fboule→PVC
-
-
-
-
Dans un conducteur, des porteurs de charge(s) (des électrons dans les métaux, des ions dans les solutions) peuvent
se déplacer dans tout l’échantillon alors que dans un isolant leurs déplacements sont inférieurs à la taille atomique.
7
VIII- Interaction forte
Tous les atomes d’un même élément sont-ils identiques ?
Non ! Nous savons aujourd’hui qu’il existe en fait plusieurs
types d’atomes de chaque élément.
Un type d’atome est défini grâce à la composition de son
noyau caractérisé par son numéro atomique Z et son
nombre de masse (nombre de nucléons) A.
Un couple identique de valeurs (Z , A) correspond à un seul
nucléide. Deux nucléides qui possèdent le même numéro
atomique Z, mais des nombres de nucléons différents, sont
isotopes. On connaît environ 1500 nucléides différents.
Parmi ces nucléides, 280 sont stables, c’est à dire qu’ils
perdurent indéfiniment.
Les autres nucléides ne sont pas stables : ils se désintègrent
en émettant des particules, souvent très dangereuses pour
les êtres vivants (phénomènes de radioactivité).
Le diagramme ci-contre, représentant N=f(Z) et faisant
apparaître « la vallée de stabilité », montre que les éléments
stables dont le numéro atomique est inférieur à 30 sont
groupés autour de la droite d’équation N=Z. Ces noyaux
contiennent donc autant de neutrons que de protons.
Pour les noyaux plus massifs, le nombre de neutrons
dépasse le nombre de protons. Dans les très gros noyaux
stables, il y a jusqu’à trois fois plus de neutrons que de
protons.
Lorsque le numéro atomique devient important, (à partir de
Z=92), la répulsion électromagnétique finit par l’emporter
sur l’interaction forte. Ainsi, le tableau périodique des éléments naturels s’arrête à l’uranium.
1.
2.
3.
4.
Où les noyaux instables sont-ils situés dans le diagramme ?
Quelles sont, aux vues du diagramme, les causes de non-stabilité de ces noyaux ?
Comment les noyaux instables peuvent-ils évoluer pour se rapprocher de la vallée de la stabilité
Ces évolutions sont à la base de la radioactivité naturelle. Rechercher les trois principaux types de
radioactivité naturelle.