chapitre vii (1s) : les interactions fondamentales

CHAPITRE VII (1S) : LES INTERACTIONS FONDAMENTALES
I)
LA MATIERE A DIFFERENTES ECHELLES : DU NOYAU DE L’ATOME A LA GALAXIE
Ouvrir et consulter l’animation « Puissance de 10 » se trouvant dans votre dossier « Devoirs ». Sur un axe des
puissances de 10 placer les ordres de grandeur des longueurs suivantes :
a.
b.
c.
d.
e.
II)
Notre galaxie
Un atome
L’Univers connu
Le système solaire
La planète Terre
f.
g.
h.
i.
Une molécule
Un proton
Un être humain
Un quark
INTRODUCTION AU MODELE STANDARD
Le modèle standard est le modèle actuellement le plus performant pour expliquer la cohésion de l’Univers au
niveau atomique et subatomique.
DOCUMENT 1
Visualiser la vidéo intitulée « Au cœur de la matière » (Emission « C’est pas Sorcier »)
DOCUMENT 2
D’après un document du CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire)
http://public.web.cern.ch/public/fr/science/StandardModel-fr.html
L’offre standard
Les théories et découvertes de milliers de physiciens au cours du siècle dernier ont permis une compréhension
remarquable de la structure fondamentale de la matière. L’Univers est fait de douze constituants de base
appelés particules fondamentales et gouverné par quatre forces fondamentales C’est le modèle standard de la
physique des particules qui nous aide le mieux à comprendre la façon dont ces douze particules et dont trois
des quatre forces de la nature sont reliées entre elles. Élaboré au début des années 1970, il a permis
d’expliquer les résultats d’un grand nombre d’expériences et à prédire avec exactitude une grande variété de
phénomènes. Avec le temps, et bien des expériences plus tard, le modèle standard s’est imposé comme une
théorie ayant de solides fondements expérimentaux…
Forces et particules porteuses
L’Univers est gouverné par quatre forces fondamentales : la force forte, la force faible, la force
électromagnétique et la force gravitationnelle. Leurs portées ainsi que leurs intensités sont différentes. La
gravité est la plus faible de ces forces mais a une portée infinie. Également à portée infinie, la force
électromagnétique est bien plus puissante que la gravitation. Les forces faible et forte quant à elles ont une
portée très limitée et n’agissent qu’au niveau des particules subatomiques. La force faible est moins puissante
que la force forte et la force électromagnétique, mais elle est encore beaucoup plus puissante que la gravité.
Enfin, comme son nom l’indique, la force forte est la plus puissante des quatre interactions fondamentales.
Nous savons que trois des forces fondamentales résultent de l’échange de particules porteuses de force qui
appartiennent à une famille plus vaste appelée les « bosons »… Chaque force fondamentale a son boson
correspondant : la force forte est véhiculée par le gluon, la force électromagnétique par le photon, tandis que
Page 1 sur 6
les bosons W et Z sont responsables de la force faible. Bien qu’il n’ait pas encore été observé, le « graviton »
devrait être la particule porteuse de la gravité.
Le modèle standard comprend les forces électromagnétique, forte et faible ainsi que leur particule porteuse
correspondante et explique de façon très satisfaisante comment ces forces agissent sur toutes les particules de
matière. Cependant, bien que la gravité soit la force qui nous est la plus familière, elle ne fait pas partie du
modèle standard. D’ailleurs, lui trouver une place dans ce modèle s’est révélé ardu. La théorie quantique,
utilisée pour décrire le monde microscopique, et la théorie de la relativité générale, employée pour décrire le
monde macroscopique, n’arrivent pas à s’entendre. Jusqu’à présent, personne n’a réussi à rendre les deux
théories mathématiquement compatibles dans le cadre du modèle standard. Mais, heureusement pour la
physique des particules, lorsque l’on se situe à l’échelle minuscule des particules, l’effet de la gravité est
négligeable. C’est seulement en présence d’amas de matière importants – comme en nous-mêmes ou dans les
planètes – que l’effet de la gravité prédomine. C’est pourquoi le modèle standard fonctionne encore bien,
malgré le fait qu’il exclue l’une des forces fondamentales.
…..cette théorie repose en grande partie sur l’existence du boson de Higgs, une particule dont aucune
expérience n’a permis l’observation. La chasse au boson de Higgs, clé de l’origine de la masse des particules,
est ouverte. Sa découverte représenterait un grand pas en avant pour la physique des particules, mais elle ne
constituerait pas pour autant le chapitre final.
Année où a été publié l’article : 2008
DOCUMENT 3
D’après un article du Monde du 10 juillet 2012
http://www.lemonde.fr/sciences/article/2012/07/04/le-boson-de-higgs-decouvert-avec-99-9999-decertitude_1728946_1650684.html
Les physiciens ont découvert le boson de Higgs avec 99,9999 % de certitude
Il n’y a plus de doutes. Les explorateurs de l’infiniment petit sont en train d’écrire une nouvelle page de
l’histoire des sciences. Ils viennent enfin de mettre la main sur une nouvelle particule. Un petit bout de rien.
Mais pas n’importe lequel. C’est très certainement LA particule.
Celle qu’ils cherchent depuis 1964. Celle pour laquelle ils ont notamment construit le plus gros des microscopes
sur Terre, à la frontière franco-suisse, le LHC, au CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire),
pour plus de 4 milliards d’euros. Celle pour laquelle ils ont érigé de véritables cathédrales d’acier, de silicium,
de cuivre et de verre afin de saisir son apparition (pour 1 milliard d’euros supplémentaire). Celle qui explique
pourquoi les choses ont une masse. Celle sans laquelle ils ne pourraient plus continuer leur quête des mystères
de la nature. Bref, celle qui est la clé de voûte de leur système du monde.
Sa dénomination n’est pas simple : boson de Brout-Englert-Higgs (BEH), du nom de ses trois géniteurs qui ont
conjecturé son existence sur le papier en 1964. Même si elle est plus souvent nommée boson de Higgs.
1.
Le modèle standard décrit la matière avec 16 particules élémentaires. Quelles sont les 3 particules
élémentaires stables (dites de première génération) citées dans le document 1 ?
Page 2 sur 6
2.
Compléter le tableau ci-dessous :
Interaction (ou
force)
Electromagnétique
Particules
concernées
Toute particule
chargée
Forte
Propriété
Portée
Particule
messagère
Attractive ou
répulsive
Attractive
Quark, électron,
neutrino
Faible
Attractive ou
répulsive
10-18 m
Gravitationnelle
3.
4.
5.
Classer les quatre interactions par ordre d’intensité croissante (à l’échelle des particules
élémentaires).
Indiquer la/les interaction(s) qui prédomine(nt) aux échelles suivantes :
échelle astronomique ;
échelle atomique et humaine ;
échelle du noyau atomique.
Pourquoi l’interaction électromagnétique n’intervient-elle pas à l’échelle astronomique ?
III)
CONSTITUTION DE L’ATOME : NUCLEONS ET ELECTRONS
Même si nous savons que les protons et les neutrons ne sont pas des particules élémentaires (ils sont
constitués de quarks up et down), pour la physique et la chimie que nous étudierons en Première S, il est plus
commode d’utiliser ces particules.
On considèrera qu’un atome est constitué :


d’un noyau composé de nucléons (protons et neutrons) ;
d’un nuage d’électrons qui tournent autour du noyau.
DOCUMENT 4
L’électron porteur d’une charge électrique négative permet aux atomes de s’accrocher les uns aux autres. C’est
la particule qui joue un rôle essentiel dans les réactions chimiques.
Dans le noyau, les protons sont porteurs d’une charge électrique de valeur exactement opposée à celle de
l’électron. Les protons sont légèrement plus légers que les neutrons également présents dans le noyau. Ces
deux particules constitutives du noyau s’appellent des nucléons. Un nucléon est environ 1800 fois plus lourd
qu’un électron.
1.
Après lecture du texte compléter le tableau suivant à l’aide des valeurs suivantes : 1,60 x 10-19 C ;
1,673 x 10-27 kg ; 9,109 x 10-31 kg ; -1,60 x 10-19 C ; 1,675 x 10-27 kg ; 0 C.
Particule
Masse (en kg)
électron
proton
neutron
me =
mp =
mn =
Ordre de grandeur de la
masse (en kg)
Charge électrique en
coulomb (C)
-e =
+e =
e est appelée charge élémentaire
Page 3 sur 6
IV)
INTERACTION GRAVITATIONNELLE
IV-1) interaction gravitationnelle
Loi de Newton
Deux corps ponctuels ou à répartition sphérique de masse*, de masses mA et mB dont les centres respectifs A
et B sont distants de d, exercent l’un sur l’autre des forces attractives de même valeur F.
F=
où G est la constante universelle de gravitation : G = 6,67 x 10-11 N.m2.kg-2
*Un corps à répartition sphérique de masse est un corps sphérique dont la masse est répartie régulièrement
autour de son centre. Les corps célestes (étoiles, planètes, satellites,…) peuvent être considérés en première
approximation comme des corps à répartition sphérique de masse.
Schéma
IV-2) Exercice
1.
2.
Calculer la valeur F1 des forces d’attraction gravitationnelle qui s’exercent entre la Terre et la Lune.
Calculer la valeur F2 des forces d’attraction gravitationnelles qui s’exercent entre le proton et
l’électron d’un atome d’hydrogène.
Données :
-
Masse de la Terre MT = 5,97 x 1024 kg ;
Masse de la Lune ML = 7,35 x 1022 kg ;
Distance Terre-Lune : D = 3,84 x 105 km ;
Masse du proton : mp = 1,673 x 10-27 kg ;
Masse de l’électron : me = 9,109 x 10-31 kg.
Distance moyenne entre l’électron et le proton dans l’atome d’hydrogène : d = 0,53 x 10-10 m.
Page 4 sur 6
V)
INTERACTION ELECTROMAGNETIQUE
V-1) Phénomène d’électrisation
V-1-1) Phénomène d’électrisation par frottement
Morceau de laine
Règle en PVC
Par _______________ on peut faire passer des électrons d’un corps à un autre.
V-1-2 Electrisation par contact
V-2) Loi de Coulomb
La valeur F des forces d’interactions électromagnétique entre deux charges électriques ponctuelles A et B de
charges respectives qA et qB et déparées par une distance d, est donnée par la relation :
Dans l’air et dans le vide k = 9,0 x 109 N.m2.C-2
Page 5 sur 6
Cas n°1 : cas de charges de même signe ( qA.qB>0)
REPULSION
Cas n°2 : cas de charges de signes contraires ( qA.qB<0)
ATTRACTION
V-3) Exercice
1.
2.
VI)
Calculer la valeur F3 des forces d’interaction électromagnétique qui s’exercent entre le proton et
l’électron d’un atome d’hydrogène.
Comparer F3 à la valeur F2 de forces d’interaction gravitationnelle qui s’exercent entre le proton et
l’électron d’un atome d’hydrogène (voir § IV-2). Conclure.
VERS UNE THEORIE DU TOUT
DOCUMENT 5
D’après un document du CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire)
http://public.web.cern.ch/public/fr/science/StandardModel-fr.html
Jusqu’à la corde
Il existe une autre théorie, en compétition avec le modèle standard, sur laquelle travaillent un certain nombre
de physiciens : la théorie des cordes. Cette dernière tente de combler les lacunes du modèle standard en
faisant rentrer toutes les particules et forces fondamentales (y compris la gravité) dans un seul et même cadre.
La théorie repose sur une idée très radicale, à savoir que les particules fondamentales ne seraient pas comme
des points, mais plutôt comme de petites boucles ou des cordes en vibration. Les différentes forces et
particules ne constituent que des modes oscillatoires différents d'un seul et unique type de corde.
Étrangement, cette théorie implique qu’outre les trois dimensions spatiales et la dimension temporelle que
nous connaissons, il existe six dimensions spatiales supplémentaires ! Ces dimensions supplémentaires seraient
« repliées » si étroitement que nous ne pourrions les percevoir.
Une théorie complexe
La théorie des cordes, conceptuellement complexe, se fonde sur une structure mathématique fascinante mais
très ardue. C’est pourquoi, jusqu’à présent, les physiciens n’ont pas encore pu élaborer, à partir de la théorie,
d’hypothèses concrètes qui pourraient être comparées à des résultats expérimentaux…
Page 6 sur 6
Page 7 sur 6