Livret des cours et exercices

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Page20:EX/Exercices

Thème 1 : Cohésion de la matière
Chap 1 Les particules élémentaires, constituants de la matière
 p120 et p122
D’après « Une brève histoire du temps »
Stephen Hawking – 1989
 Jusqu'à la fin du 19ième siècle, on pensait
l'atome indivisible : le terme « atome » vient du grec
grec ancien ἄτομος [atomos], « qui ne peut être divi-
sé »
 En 1897, Thompson découvre l'électron que l'on
soupçonne d'être un des constituants de l'atome.
Plusieurs modèles théoriques vont être construits
pour décrire cet atome mais ils se heurteront toujours
aux expérimentations.
 La physique des particules (étude des particules
élémentaires et de leurs interactions) est réellement
née au début du 20ième siècle. Les scientifiques, qui
ne s'intéressaient jusque-là qu'à l'étude de la matière
à une échelle macroscopique, entamèrent des re-
cherches sur la structure des atomes et des molécu-
les.
 En 1911, Rutherford dévoile enfin la structure de
l'atome grâce à sa célèbre expérience où il projette
un faisceau de particules alpha sur une fine couche
d'or.
On comprend alors que l'électron tourne autour d'un
minuscule noyau regroupant toute la charge positive
de l'atome et quasiment toute sa masse.
 Au début des années 1930, les physiciens s'inté-
ressèrent plus particulièrement au noyau de l'atome
(diamètre est de l'ordre de 10-15 m).
On connaissait alors très peu de particules élémen-
taires. On savait que le noyau d'un atome est consti-
tué de protons (découverts vers 1920) et de neutrons
(découverte du neutron par le physicien britannique
James Chadwick en 1932), autour duquel tournent
des électrons.
 Après 1945, la découverte de particules s'accélé-
ra, grâce à l'étude des rayonnements cosmiques
dans un premier temps, puis aux accélérateurs de
haute énergie.
Jusqu’à cette époque, on pensait que les protons et
les neutrons étaient des particules « élémentaires »,
mais les expériences au cours desquelles les protons
entrent en collision avec d’autres protons ou élec-
trons à grande vitesse révèlent qu’ils étaient eux-
mêmes composés de particules plus petites. Ces
particules furent appelées « quarks »
Extrait de « La vie à fil tendu »
Georges Charpak – 1993
« Lorsque j’entrai au laboratoire dirigé par Joliot au
Collège de France, la connaissance que j’avais de la
structure de la matière ne devait guère dépasser
celle acquise par un lycéen de 1993 abonné à de
bonnes revues de vulgarisation. Je les résume rapi-
dement : la matière est composée d’atomes, eux-
mêmes constitués de noyaux entourés d’un cortège
d’électrons. Les noyaux portent une charge électri-
que positive qui est de même valeur et de signe op-
posé à la charge des électrons qui gravitent autour
du noyau. La masse d’un atome est concentrée dans
le noyau….., l’électron ne pesant que 9,11.10-31 kg.
Le noyau de l’hydrogène, ou proton, porte une
charge électrique positive. Celui-ci a un compagnon,
le neutron, qui est neutre électriquement et a sensi-
blement la même masse (1,67.10-27 kg). Tous deux
s’associent de façon très compacte pour constituer
les noyaux qui sont au cœur des atomes peuplant
notre univers. Ils s’entourent d’un cortège d’électrons
dont la charge compense exactement celle des pro-
tons. En effet, la matière est neutre sinon elle explo-
serait en raison de la répulsion qu’exerce l’une sur
l’autre des charges de même signe, positif ou négatif.
Il faut avoir en tête l’échelle des dimensions. Le dia-
mètre d’un atome est voisin d’un centième de millio-
nième de centimètre. Celui d’un noyau d’atome est
cent mille fois plus petit. On voit donc que presque
toute la masse d’un atome est concentrée en un
noyau central et que, loin sur la périphérie, se trouve
un cortège qui est fait de particules de charge élec-
trique négative, les électrons. C’est ce cortège seul
qui gouverne le contact des atomes entre eux et
donc tous les phénomènes perceptibles de notre vie
quotidienne, tandis que les noyaux, tapis au cœur
des atomes, en constituent la masse. »

Les atomes
 Composition de l’atome
▪ L’atome électriquement ..................., est composé
d’un noyau chargé ….....…...……… …………. autour
duquel se déplacent …..… …........... ……………….
chargés ………………..
 Composition du noyau
▪ Le noyau est composé de 2 sortes de particules :
- les ………………… électriquement ……............……
- les ………………… électriquement ……............……
Ces particules constituent les ……………………
 Charges des particules
▪ On appelle charge élémentaire : e = ....................
nucléons
neutron proton électron
Charge
électrique (C)
→ L’électron et le proton ont des charges ................
 Masses des particules
nucléons
neutron proton électron
Masse (kg)
→ Le neutron et le proton ont des masses .................
..................................
→ La masse de l’électron est ................................
devant la masse du proton : la masse du proton est
environ ................... fois plus grande que la masse
de l’électron
▪ La masse de l’atome est ................................. dans
son noyau
→ calculer la masse d’un atome, revient à calculer la
masse ......................
 Nombre de particules
Le symbole d’un noyau X est
X
A
Z
▪ Z est appelé ............................................
ou nombre de .......................
→ il donne le nombre de ............................. du noyau
▪ A est appelé nombre de .......................
→ il donne le nombre de ............................. du noyau
▪ Pour calculer le nombre de neutrons du noyau, il
faut faire .....................
▪ L’atome étant électriquement .........................., le
nombre ............................. présents dans le noyau
est égale au nombre ........................... de l’atome
atomes Protons Nucléons Electrons Neutrons
H
1
1
C
12
6
Fe
56
26
Au
197
79
Les ions
▪ Un cation est un ion chargé ................................. ;
il provient d’un atome qui a ..............................un ou
plusieurs ..........................
▪ Un anion est un ion chargé .................................. ;
il provient d’un atome qui a ..............................un ou
plusieurs ..........................
ions Protons Neutrons Electrons
263
29 Cu
Cl
35
17
Na
23
11
216
8O
352
24 Cr

Thème 1 : Cohésion de la matière
Chap 2
La cohésion de la matière grâce aux interactions
fondamentales
 p121 et p123
▪ Lorsqu’un corps A agit sur un corps B, alors le
corps B agit également sur le corps A :
 on dit que A et B sont en interaction
▪ Tous les édifices stables (microscopiques,
macroscopiques ou astronomiques) sont cons-
truits à partir des particules élémentaires. Ils
doivent leur cohésion à l'existence d'interactions
fondamentales
D’après « le Trésor. Dictionnaire des Sciences »
M Serres – N Farouki – 1997
Pour rendre compte de tous les éléments auxquels
ils ont accès, les physiciens ont besoin de faire inter-
venir quatre interactions qu’ils jugent fondamentales.
La gravitation gouverne notre vie quotidienne, de la
chute des corps au mouvement des planètes. Pour-
tant, son intensité est incomparablement plus faible
que celle des autres interactions, si bien qu’on peut
la négliger à l’échelle des particules. L’interaction
gravitationnelle est attractive et de portée infinie.
L’interaction électromagnétique assure la cohé-
sion des atomes et gouverne aussi bien les réactions
chimiques que l’optique. A l’instar de l’interaction
gravitationnelle, elle a une portée infinie, mais, étant
tantôt attractive, tantôt répulsive (selon le signe relatif
des charges en présence), ses effets cumulatifs sont
annulés à grande distance du fait de la neutralité
globale de la matière.
Par quoi est combattue la répulsion électrique des
protons présents dans le noyau, qui se repoussent
puisqu’ils ont des charges électriques de même si-
gne ? Aucune force classique, ni la force électroma-
gnétique, ni la force gravitationnelle, ne peut expli-
quer cette cohésion nucléaire. On a donc la preuve
qu’il y a ici une troisième force, qu’on a appelé
l’interaction forte. Elle est très intense et de courte
portée, par opposition aux forces classiques qui sont
de faible intensité à l’échelle nucléaire, et de portée
infinie.
Quant à la portée de l’interaction forte, elle est
d’environ un fermi, soit un millionième de milliar-
dième de mètre (10-15 m)
De très faible portée, l’interaction nucléaire faible
est responsable en particulier de la radioactivité ,
elle régit les réactions thermonucléaires qui permet-
tent à notre soleil (et à toutes les étoiles) de produire
l’énergie qui nous fait vivre. Sa portée est très courte,
environ un millième de fermi, soit 10-18 m. c’est donc
quasiment une interaction de contact.
L'interaction gravitationnelle
 Deux corps sphériques et homogènes A et B de
masse "m1" et "m2", dont les centres sont dis-
tants de "d", exercent l'un sur l'autre des forces
attractiv telles que : es et
221 
F (N) ; d (m) ; m1 (kg) et m2 (kg)
G = 6,67.10-11 N.Kg-2m2
 Représenter les forces et
B/A
F
A/B
F
 Calculer la valeur de la force d'attraction gravita-
tionnelle qui s'exerce entre la Terre et la Lune.
MTerre = 5,97.1024 kg ; MLune = 7,35.1022 kg
dTerre/Lune = 3,84.108 m
 Calculer la valeur de la force d'attraction gravita-
tionnelle qui s'exerce au sein d'un atome d'hydro-
gène entre le proton et l'électron.
mproton = 1,67.10-27 kg ; mélectron = 9,11.10-31 kg
dproton/électron = 5,3.10-11 m