Chapitre 1 : Les interactions fondamentales. I. Les constituants de l
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Chapitre 1 : Les interactions fondamentales. En classe de seconde, vous avez vu que l’on pouvait réaliser une échelle des longueurs qui allait du domaine du nucléaire, jusqu’au domaine astronomique en passant par les échelles atomique, microscopique, humaine. Pour que la matière existe à toutes ces échelles, il faut qu’il y ait la cohésion de celle-ci. Cette cohésion est assurée par trois grandes interactions fondamentales que nous allons décrire dans ce chapitre. I. Les constituants de l’atome. 1. De l’Univers à la matière. Tous les objets qui nous entourent (noyau, atomes, molécules, gaz, solide, liquide, organismes vivants, systèmes astronomiques) résultent de l’arrangement de trois particules élémentaires : les protons, les neutrons et les électrons. a) Les atomes L’assemblage de base des ces trois particules est l’atome : Z protons Z électrons A – Z neutrons. Le noyau renferme les nucléons (protons et neutrons), il est entouré d'un cortège d'électrons. La dimension du noyau est très petite devant celle de l'atome : structure lacunaire, beaucoup de vide. b) Les corps qui nous entourent Les corps qui nous entourent sont formés d'atomes ou de molécules (assemblages d'atomes) ou d'ions (atomes ou assemblages d'atomes qui ont perdu ou gagné quelques électrons). La cohésion de ces assemblages est assurée par 4 interactions fondamentales. 2. Caractéristiques. Les nucléons ont une masse environ 2000 fois plus grande que celle des électrons : toute la masse de l'atome est concentrée dans le noyau. 3. Charge élémentaire. La charge d’un proton est positive et vaut e = 1,6.10-19 C : c'est la charge électrique élémentaire, toutes les autres charges électriques sont des multiples. La charge d'un électron est négative et vaut q = - e. L’ensemble de l'atome est donc neutre. Toutes les charges sont des multiples de e. 4. Dimension. II. Le phénomène d’électrisation. 1. Les 2 types de charge. Etude texte de Dufay. Il existe deux types d’électrisation. Deux charges de même signe se repoussent alors que deux charges de signes contraires s’attirent. 2. Electrisation par frottement (par conduction). Une tige de verre frottée par de la laine peut attirer de petits morceaux de papier posés sur un bureau en bois. On dit que le verre a été électrisé par frottement. Il est chargé d'électricité "positive" : on arrache des électrons de la tige qui passent sur la laine. Le verre qui était neutre avant l’expérience possède moins de charges négatives, il est donc chargé positivement. (Avec l’ébonite c’est l‘inverse, le bâton sera chargé négativement) Si un objet porte une charge négative, il possède un excès d’électrons. Si un objet porte une charge positive, il possède un défaut d’électrons. 3. Electrisation par influence (induction). Une sphère métallique peut également se charger par induction ou influence. Lorsqu’on approche la tige chargée positivement, elle provoque la mise en mouvement de certaines charges négatives de la boule (qui est neutre). On assiste donc à la séparation de charges : négatives sur le côté gauche, positives, sur le côté droit de la sphère. 4. La charge électrique d’un objet. Nous avons vu que la charge électrique d’un objet (initialement neutre) dépend de son excès ou défaut d’électrons. La valeur absolue de la charge de cet objet est alors nécessairement un multiple de la charge élémentaire e. 5. Loi de Coulomb. Vidéo « Coulomb » C’est en 1785, que le physicien français Charles Augustin Coulomb établit expérimentalement la loi donnant la force existant entre deux charges électriques. Pour mesurer les forces, Coulomb se servit d’une balance de torsion dans laquelle un dispositif en forme de haltère constitué d’une petite sphère métallique de charge Q1 et d’un contrepoids est suspendu à un fil de soie. L'interaction électrique entre deux corps ponctuels A et B portant des charges respectives qA et qB, séparés par la distance d, est modélisée par des forces F A/B et F B/A dont les caractéristiques sont : • direction : la direction de la droite (AB) • sens : répulsion si qA et qB sont de même signe / attraction si qA et qB sont de signe contraire • valeur ( en newton, N) : La norme d’une force étant une valeur positive, la loi de coulomb s’énonce en prenant le valeur absolue des charges, soit : Pour des raisons qui sortent du cadre de ce cours, cette constante est souvent écrite en fonction d’une autre constante εo, qui est appelée permitivité du vide; elle est définie par la relation suivante: Comment représenter le sens de la force en fonction du signe de la charge ? 6. Principe de superposition des forces. La force électrique est, comme toutes les forces, une grandeur vectorielle ? Les forces électriques exercées par différentes charges électriques : Q2 Q3, …, Qn, sur une charge Q1, se calculent indépendamment l’une de l’autre et s’ajoutent vectoriellement. III. Les interactions qui gouvernent le monde. 1. L’interaction gravitationnelle Loi de Newton L'interaction gravitationnelle entre deux corps ponctuels de masse mA et mB séparés par la distance d, est modélisée par des forces d'attraction gravitationnelle F A/B et F B/A dont les caractéristiques sont les suivantes : • direction : la direction de la droite (AB) • sens : dirigées vers le centre attracteur, A pour F A/B et B pour F B/A • valeur ( en newton, N) : FA/B=FB/A=F Remarque: La loi de Newton s'applique aussi à des objets non ponctuels. Dans le cas ou les objets sont à symétrie sphérique on considérera que toute la masse est concentrée au centre de la sphère. L’interaction gravitationnelle est une force attractive. 2. L'interaction électrique Loi de Coulomb 3. L’interaction forte. Justifions son existence : que se passe-t-il au niveau du noyau atomique, entre deux protons : Ils s’exercent entre eux une interaction gravitationnelle, négligeable au niveau microscopique et une force électrique répulsive d’un ordre de grandeur de 2*102 N Si on compare cette force, à la force qui lie un électron d’un proton dans l’atome d’hydrogène, on remarque que cette force répulsive est dix milliards de fois plus intense. En toute logique, le noyau d’un atome devrait donc exploser. D’où l’interaction forte ! C’est une force attractive d’une valeur mille fois plus grande que la force répulsive ci-dessus. Elle s’exerce indifféremment entre nucléons mais pas entre électron et nucléon. Sa portée n’excède pas la taille du noyau. IV. Interactions fondamentales et matière 1. Echelle du noyau Les trois interactions coexistent mais l’interaction gravitationnelle est négligeable. L'interaction forte permet de contrer la répulsion électrostatique entre les protons dans les noyaux atomiques. 2. Echelle atomique et humaine L'interaction électromagnétique intervient dans quasiment tous les phénomènes de la vie courante. 3. Echelle astronomique L'interaction Gravitationnelle intervient de manière prépondérante (trajectoires des planètes...).
