Ch 9 interactions et cohesion de la matiere

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1 S Chapitre 9 : Interactions et cohésion de la matière
pré requis: 3ème et seconde: particules élémentaires sont les constituants de l'atome (protons, neutrons, électrons), poids et masse;
force gravitationnelle
Compétences:
Connaître les ordres de grandeur des dimensions des différentes structures des édifices organisés.
Connaître l’ordre de grandeur des valeurs des masses d’un nucléon et de l’électron.
Savoir que toute charge électrique peut s’exprimer en fonction de la charge élémentaire e.
Associer, à chaque édifice organisé, la ou les interactions fondamentales prédominantes.
Utiliser la représentation symbolique AZX ; définir l’isotopie et reconnaître des isotopes.
L'univers, c'est du vide à plus de 99%. La matière est concentrée en certains points particuliers, noyau d'atome et
électron à petite échelle, planète et galaxie à très grande échelle, amas de galaxies…
Dans l'état actuel des connaissances, la matière est constituée d'un petits nombre d'éléments de bases, les particules
élémentaires qui, à petite comme à grande échelle coexistent dans une organisation déterminée par 4 interactions
fondamentales.
I/ De quoi sont constitués les édifices de l'Univers ?
activité documentaire livre p 132, video en anglais (http://vfsilesieux.free.fr/Matter/video.swf) ( 14mn)
Activité 1 p. 132 du manuel : "Elémentaire mon cher..."
Réponses aux questions portant sur l'extrait du livre de Stephen Hawking "Une brève histoire du temps" :
1. Avant le début du XXème siècle, deux regards sur la matière s'opposent :
- Les partisans de l'atomisme qui considèrent que l'univers est discontinu, c'est à dire qu'il est constitué de particules insécables
(les atomes) séparées par du vide. Démocrite.
- Leur contradicteurs décrivent la matière comme une substance continue que l'on peut diviser à l'infini. Aristote.
La controverse, parfois vive ne pris fin qu'à la fin du XIXè avec l'apparition du tableau des éléments de Mendéleiev, la théorie de
la Physique statistique de Maxwell et Boltzmann puis les découvertes sur la structure de l'atome au début du XXè.
2.a. Avant 1969, seuls les nucléons (protons et neutrons) du noyau et l’électron qui gravite autour sont connus.
3. C’est en réalisant des chocs entre ces trois particules que l’on a pu mettre en évidence les quarks qui constituent les
nucléons.
4.a. « un million de milliards de milliards de milliards » soit 106 + 9 + 9 + 9 = 1033. Soit entre deux électrons la force
électromagnétique est 1033 fois plus puissance que la force gravitationnelle.
4.b. C’est l’interaction forte qui assure la cohésion du noyau.
5. Une particule est élémentaire si elle ne peut être divisée en d’autres entités plus petites.
6. A l’échelle du noyau atomique (10-15m) c’est l’interaction forte qui assure la cohésion entre nucléons, à l’échelle de l’atome
(10-10 m), c’est l’interaction électromagnétique et aux grandes échelles la cohésion de la matière est assurée par l’interaction
gravitationnelle.
1. Les particules élémentaires
Définition : Une particule est élémentaire s'il elle n'est pas constituée d'éléments plus petits.
Dans ce cours, on considère que protons et neutrons sont des particules élémentaires même s'ils sont constitués de
particules plus petites, les quarks (parce qu'on ne les observe que dans les accélérateurs de particules, leur durée de
vie est très courte avant qu'ils ne s'associent pour former un nucléon).
En conséquence toute la matière qui nous entoure est constituée d'un nombre entier des trois particules élémentaires
suivantes :
La charge élémentaire e est appelée charge élémentaire et vaut e = 1,6×10-19 C.
2.b.
Proton
Neutron
électron
charge (C)
+ e
0
- e
masse (kg)
1,67×10-27
1,67×10-27
9,1×10-31
proton
neutron
électron
Masse (ordre de grandeur) en kg
1,6×10-27 ( 10-27)
1,6×10-27 ( 10-27)
9,1×10-31 ( 10-30)
Charge (Coulomb)
e
0 C
- e

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La charge électrique Q d’un noyau atomique, d’un ion ou d’un objet chargé peut s’exprimé en fonction de la charge élémentaire e :
Q = n×e, avec n nombre entier (positif ou négatif)
2. L’atome
a. Définition :
Le terme “atome” vient du grec atomos, qui signifie : “indivisible”
Le nombre de neutrons est donné par la relation : N = A – Z
Ainsi, si X est le symbole chimique de l’élément auquel appartient l’atome, on écrira la formule de son noyau de la manière
suivante :
X
A
Z
Le cortège électronique d’un atome isolé comporte alors Z électrons
Exemple : symbole du noyau de l’atome de cuivre.
Le noyau de l’atome de cuivre est constitué de Z = 29 protons, A – Z = 34 neutrons.
Cet atome possède un cortège électronique constitué de Z = 29 électrons.
- Le rayon du noyau d'un atome est de l'ordre de 1 fm soit de 10-15 m.
- Le rayon d'un atome est de l'ordre d'un Angström soit de 10-10 m.
b. Isotopes :
Dans un échantillon de cuivre métallique, tous les atomes de cuivre ne sont pas identiques. Il existe deux sortes d’atome de cuivre
métallique, ceux dont le noyau comporte 63 nucléons et ceux dont le noyau comporte 65 nucléons
Ce sont tous deux des atomes de cuivre ils ont donc 29 protons dans leur noyau, mais l’un possède 36 neutrons et l’autre 34
neutrons : leur masse est différente.
Exemples :
Composition d’un morceau de graphite
Isotopes
Pourcentages %
98,9
1,1
traces
ex 7 p 152 Bordas
II/ Quelles sont les interactions fondamentales ?
activité p 133 du livre ou video au coeur de la matière, video CNRS site ampère (coulomb) 6mn
Un atome est caractérisé par deux nombres concernant la composition de son noyau :
A : “nombre de masse” : nombre total de nucléons
Z : “numéro atomique ” de l’élément auquel il appartient : nombre de protons
L’atome isolé est un édifice électriquement neutre : il y a autant d’électrons qui tournent
autour du noyau que de protons qui constituent ce dernier
Des isotopes d’un même élément ont le même nombre de proton mais un nombre de
neutrons (et donc de nucléons) différent, ils ont donc un nombre de masse différent

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1- interaction gravitationnelle et électromagnétique (attention vecteurs: sens, valeur, direction)
Loi de Newton :
Deux corps ponctuels A et B de masse mA et mB exercent l’un sur l’autre des
forces gravitationnelles de même valeur (exprimée en N) :
 mA et mB s’expriment en kg
AB en m
G = 6,67.10–11 S.I.
Ces forces sont toujours attractives :
Si les deux corps sont à répartition sphérique de masse, la relation reste
valable en considérant que A et B sont les centres de gravité des deux corps.
Loi de Coulomb :
Deux corps ponctuels A et B de charge électrique qA
et qB exercent l’un sur l’autre des forces
électrostatiques de même valeur (exprimée en N) :
q A et qB en coulomb
AB en m, K = 9.109 S.I
Ces forces sont attractives si qA et qB sont de signes
contraires.
Ces forces sont répulsives si qA et qB sont de même
signe.
2- L’interaction forte ( entre quarks, échange de gluons)
F B/A

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Exemple : Comparons les valeurs des forces d'interaction électromagnétique et gravitationnelle qui existent à
l'échelle du noyau. Prenons l'exemple de deux protons séparés par un neutron.
Interaction électromagnétique :
FE(répulsion) = k × e2
d2 soit FE(répulsion) = 9,0×109 × (1,60×10-19) 2 (4,8.10-15)2
et FE(répulsion) = 10 N.
Interaction gravitationnelle :
Fattraction = G × mp2
d2 soit Fattraction = 6,67×10-11 × (1,67×10-27) 2 (4,8.10-15)2
et Fattraction = 8,1.10-36 N.
A l'échelle du noyau atomique les forces d'attraction gravitationnelles sont négligeables devant les forces de
répulsions électromagnétiques, la cohésion du noyau est donc assurée par un autre type d'interaction.
Définition : L'interaction forte est une interaction attractive de forte intensité s'exerçant sur de très
courtes distances (de l'ordre de 10-15 m) sur les nucléons. Elle assure la cohésion du noyau atomique.
Si le nombre de protons augmente, la répulsion électronique devient importante et n'est plus compensée par
l'intéraction forte, les noyaux deviennent instables et se désintègrent, c'est la radioactivité.
3- L’interaction faible (radioactivité)
Définition : L'interaction faible est responsable des transformations internes au noyau atomique. Elle
agit sur toutes les particules élémentaires comme les nucléons et les électrons mais sa portée est la plus courte,
de l'ordre de 10-18 m. (radioactivité béta).
III/ À quelle échelle interviennent ces différentes interaction ?
ex 9,15,29 p 141 Bordas
10-15 m
10-10 m
100 m
107 m
1021 m
noyau
électrons
Voie Lactée
Terre
Galaxie
Homme
Atome
Noyau d’atome