Activité 1(B1) : La matière et les interactions - cours

Activité 1(B1) : La matière et les interactions
I– Ordre de grandeur
Les édifices organisés présents dans l’univers ont des dimensions très différentes.
Q1) Chercher l'ordre de grandeur des différentes structures présentes dans l’Univers
(Ordre de grandeur : puissance de 10 la plus proche d’un nombre)
Un noyau des atomes
Une fourmi
Un quark
Un atome
La galaxie du sombrero
Un cheveu
Un homme
La Terre
Un neutron ou un proton
La Voie Lactée
La France
Un électron
L'Univers
Le système solaire
Q2) Construire un axe horizontal avec une échelle logarithmique (tous les cm, on multiplie par 10 2 et le début est
à 10–16 m) sur lequel vous placerez les différentes structures ci–dessus.
II– Particules élémentaires
« Aristote croyait aussi que la matière était continue, c'est-à-dire que l'on pouvait diviser
un bout de matière en morceaux de plus en plus petits, à l'infini. Quelques Grecs, cependant,
comme Démocrite, tenaient que la matière était granuleuse en soi et que tout était fait
d'un grand nombre de différentes sortes d'atomes. Le débat entre les deux écoles de
pensée ne fut réellement clos en faveur des atomistes que dans les premières années de ce
siècle. À ce moment-là, on soupçonnait déjà que ces atomes n'étaient peut-être pas
insécables, après tout.
J.J. Thomson avait démontré l'existence d'une particule de matière, appelée électron, qui avait une masse de
moins du millième de celle de l'atome le plus léger. En 1911 finalement, le physicien britannique Ernest
Rutherford montra que les atomes de matière ont bien une structure interne : ils sont faits d'un noyau
extrêmement petit, chargé positivement, autour duquel tournent un certain nombre d'électrons. Cependant, en
1932, un collègue de Rutherford à Cambridge, James Chadwick, découvrit que le noyau comprenait une autre
particule, appelée le neutron, qui avait à peu près la même masse que le proton, mais pas de charge électrique.
Jusqu'à il y a vingt ans environ, on pensait que les protons et les neutrons étaient des particules «
élémentaires », mais les expériences au cours desquelles les protons entraient en collision avec d'autres
protons ou des électrons à grande vitesse révélèrent qu'ils étaient eux-mêmes composés de particules plus
petites. Ces particules furent appelées quarks ».
D'après Stephen Hawking, Une brève histoire du temps, Flammarion, 1989.
Q3) Quels sont, avant le début du XXème siècle, les 2 courants de pensée au sujet de la composition de la matière ?
Q4) Avant 1969, quelles sont les seules particules élémentaires connues ?
Donner leurs caractéristiques (masse et charge).
Q5) Comment furent découvert les quarks ?
Q6) Selon vous, qu'est-ce que l'on appelle une particule élémentaire ?
A
Q7) Rappeler la signification de la représentation symbolique d’un atome Z X.
III– Les interactions fondamentales
La cohésion de l’atome, des molécules, des édifices organisés est due à l’existence de différentes interactions. Lors de cette
activité, nous allons essayer de répondre à ces questions :
Quelles sont ces interactions fondamentales ? A quelle(s) échelle(s) prédominent-elles ?
La force de gravitation
Isaac Newton avait ainsi condensé sa théorie de la gravitation dans une équation permettant de prédire
de nombreux phénomènes : de la chute d’une pomme aux trajectoires des planètes. Cette équation a le
mérite d’être simple, et donc de connaître des solutions faciles. On sait qu’elle exprime que
deux corps s’attirent en proportion de leur masse et en proportion inverse du carré de la
distance qui les sépare. Mais on peut aussi lui faire dire bien d’autres choses… Car, derrière
la formule mathématique, se cache une image de l’Univers : celle de corps distribués dans l’espace et reliés
entre eux par des forces.
[…] Rien ni personne n’échappe à la gravité. Première des forces à avoir été mathématisée, elle est aussi la
force la plus faible dans la Nature : 1037 fois moins intense que la force électromagnétique par exemple.
Mais comme sa sœur, elle est de portée infinie : faisant aussi bien tomber les pommes à terre que tourner
la Lune autour de la Terre. […]
La force électromagnétique
L’électricité, par exemple, a révélé que ce modèle collait parfaitement à l’explication de l’interaction
entre deux charges électriques (loi de Coulomb). […] on ne tardera pas à découvrir des formes
d’interaction, différentes à la fois du formalisme de la gravitation et de l’électromagnétisme. Au
nombre de deux, elles ont été mises en évidence quand on s’est intéressé à l’intérieur du noyau des
atomes.
[…]Associée à la gravitation, elle façonne le monde à notre échelle la
plus commune. De la taille de l’Univers jusqu’à celle des planètes de l’homme en passant
par celle des planètes, tout est fixé par la combinaison de ces deux constantes
fondamentales, celle de structure fine et celle de structure gravitationnelle. La
première agit sur les charges électriques et se fait sentir dès les premières secondes
de l’Univers lorsque les noyaux légers sont fabriqués à partir de la soupe primordiale
de quarks, de protons, de neutrons et d’électrons.
L'interaction faible
Mais le schéma s’est encore compliqué… En effet, si notre planète Terre constitue un lieu
accueillant, elle le doit à la stabilité de la plupart des noyaux de ses atomes. Mais la vie qui s’y abrite
puise son énergie dans la lumière du soleil qui, elle, résulte de la désintégration de nombreux noyaux
(la radioactivité). Et ces réactions nucléaires ne sont explicables qu’avec l’aide d’un quatrième type
d’interaction : l’interaction « faible ».
[…] Si l’interaction faible atteint aussi bien le cœur des étoiles que celui des réacteurs,
c’est qu’elle est une force nucléaire. C’est-à-dire que, contrairement aux deux forces
précédentes, son action n’est que de courte portée ; elle est inférieure à 10 –17 m. Une des manifestations
est la radioactivité – qui est l’émission d’un électron en même temps que la transformation d’un neutron en
proton au sein d’un noyau. Elle fut découverte par Becquerel à la fin du XIXème siècle, au moment où les recherches sur
la radioactivité battaient leur plein.[…]
L'interaction forte
Les équations de Maxwell rendent compte de la cohésion de la matière : la liaison des électrons aux
noyaux, celle des atomes entre eux pour former des molécules, etc. En revanche, elle prédit qu’à
l’intérieur des noyaux, les protons (charges positives) doivent se repousser et ce, d’autant plus
fortement qu’ils sont proches. Pourtant, les noyaux sont stables, sinon nous ne serions même pas là
pour en parler… Pour expliquer la cohésion nucléaire de la matière, les physiciens ont donc été
forcés d’élaborer une nouvelle sorte d’interaction […]. Par défaut d’imagination, on l’a qualifiée
d’interaction « forte » : elle décroît très vite avec la distance, de sorte que ses effets ne sont pas
sensibles à l’extérieur des noyaux.
Elle est la dernière découverte mais en fait la première à peser sur l’avenir de l’Univers. En façonnant les protons et les
neutrons, puis les noyaux, l’interaction forte est à l’origine de la variété de toutes nos molécules. Un millionième de
seconde après le début de l’Univers, sa présence s’impose et la longue chaîne de fabrication commence.
Extrait de Sciences et Avenir (Octobre 2001) : « Les 4 forces de la nature chamboulées »
Q8) Complétez la carte heuristique suivante.
Correction Activité 1(B1) : La matière et les interactions
Q1)
Objet
Taille approximative
10–15 m
10–10 m
1,80 m
100 000 a.l 10 000.109 x 100 000 km = 1,0.1018 km
4 mm = 4.10–3 m
82 000 a.l 10 000.109 x 82 000 km = 8,2.1017 km
12800 km
1000 km
10–20 m
75 µm
10–15 m
10–15 m
1026 m
100 Unités Astronomiques = 100 x 150.106 km
Noyau des atomes
Atomes
Homme
Voie Lactée
Fourmi
Galaxie du sombrero
Terre
France
Quark
Cheveu
Neutron ou proton
Electron
Univers (observable)
Système solaire
Ordre de grandeur en m
10–15 m
10–10 m
100 m = 1 m
18
10 km = 1021 m
10–3 m
18
10 km = 1021 m
104 km = 107 m
103 km = 106 m
10–20 m
10–4 m
10–15 m
10–15 m
1026 m
10
10 km = 1013 m
Univers
Voie Lactée
Galaxie Sombrero
Système solaire
Terre
France
Homme
Fourmi
Cheveu
Atome
Noyau atome
Quark
Neutron ou proton
ou électron
Q2)
(m)
10–20
10–18
10–16
10–14
10–12
10–10
Infiniment petit
10–8
10–6
10–4
10–2
100
102
104
106
108
1010
1012
1014
Taille "humaine"
1016
1018
1020
1022
1024
1026
1028
Infiniment grand
Q3) Avant le début du XXème siècle les 2 courants de pensée sont la pensé d’Aristote (la matière est continue, elle peut se diviser
à l’infini) et la pensée de Démocrite (la matière granuleuse, elle est constituée de particules élémentaires : les atomes).
Q4) Avant 1969, les particules élémentaires sont :
Les protons : masse m = 1,673.10–27 kg et charge électrique q = 1,602.10–19 C
Les neutrons : masse m = 1,675.10–27 kg et charge électrique q = 0 C
Les électrons : masse m = 9,109.10–31 kg et charge électrique q = – 1,602.10–19 C
Q5) Les quarks ont été découverts expérimentalement en étudiant les collisions entre des particules. Néanmoins, cela ne fut pas
du hasard car on cherche ce type de particules. En effet, elles avaient été « découvertes » théoriquement en 1961 par
Murray Gell–Mann (Prix Nobel physique 1969).
Q6) Une particule élémentaire est une particule qui n’est constitué d’aucune autre, qui ne peut pas être cassé.
Q7)
A
X
Z
désigne l’élément chimique X.
Z est le numéro atomique : c’est le nombre de protons du noyau de l’élément X
A est le nombre de masse : c’est le nombre de nucléons du noyau de l’élément X
Q8) cf. page suivante
infini
Intérieur de l’atome
XVIIème siècle
Cohésion du noyau de l’atome
Newton
10–17 m (un proton)
Permet la transformation de p en n
et inversement (radioactivité)
Fgravitation = G.
mA.mB
d2
XXème siècle
Félectrique = k.
qA.qB
d2