Cours - fabrice CAPBERT Sciences Physiques Lycée Joliot Curie

Lycée Joliot Curie à 7
Classe de 1ère S
PHYSIQUE - Chapitre 8
Chapitre «
Cohésion de la matière »
Situé à la frontière franco-suisse, le LHC (Large
Hadron Collider) est le plus puissant accélérateur
de particules du monde. Le tunnel du LHC est si
grand que les scientifiques s'y déplacent à vélo. Ces
derniers espèrent que les expériences menées au
LHC permettront de mieux comprendre la cohésion
de la matière, de l'infiniment petit à l'infiniment
grand.
Quelles interactions assurent la cohésion de la
matière ?
I – Constituants de la matière
Le modèle standard de la physique des particules est une théorie scientifique qui décrit l'ensemble des
interactions entre les particules élémentaires qui constituent la matière.
1- Les « particules élémentaires » au niveau de la classe de première
A l'heure actuelle les physiciens et les chimistes pensent qu'un atome
peut être modélisé par une structure présentant un noyau autour
duquel existe une zone « à peu près sphérique » centrée sur le noyau
et dans laquelle il y a une certaine probabilité de trouver les
électrons. Cette partie de l'atome est appelée nuage électronique.
On donne ci-contre un dessin d'un modèle probabiliste d'un atome
d'hydrogène composé d'un noyau et d'un unique électron.
2- Propriétés des particules :
Charge électrique
Valeur
Ordre de grandeur
Masse
Valeur
Proton
qp=e = ……………………… C
mp = 1,672  10-27 kg
Neutron
qn=……………
mn = 1,675  10-27 kg
Electron
qe=e = ………………………C
me = 9,11  10-31 kg
Ordre de grandeur
Remarques:
- L’unité de la charge électrique est ……………………………… (symbole C).
- Toute charge électrique peut s’exprimer comme un multiple de la charge élémentaire e = 1,6  10-19 C
- L’ordre de grandeur d’une mesure est calculé en cherchant la puissance de 10 la plus proche de cette
mesure:
1,26.10-3 , l’ODG est ……………
6,8.105 , l’ODG est ……
3- Représentation symbolique du noyau d’un élément X
- Le nombre de charge ou numéro atomique Z
d'un noyau est …………………………………………… Z = ....
Symbole du noyau
d’un élément X
- Le nombre de masse A représente …………………………………….
A = np+ …
On en déduit le nombre de neutrons nn = …… - ……
Chapitre VIII : « Cohésion de la matière »
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Exemples :
-
Le symbole d’un noyau d’uranium est
U . Combien y a-t-il, dans ce noyau, de nucléons nnucléons, de
238
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protons np et de neutrons nn ?
- Représente les symboles des noyaux de Chlore (n p=17 et nn= 18) et du Carbone (np=6 et nn= 6) et de
l’hydrogène (np=1 et nnucléons= 1)
Chlore
Carbone
Hydrogène
4- La matière à différentes échelles : Il est possible de décrire l'organisation de la matière à différentes
échelles allant du noyau de l'atome jusqu'à la dimension de notre galaxie. Les ordres de grandeurs s'étalent
ainsi de 10-15m à 1021m comme on peut le voir sur la figure ci-dessous :
II – Interactions fondamentales :
Tous les processus physiques, chimiques ou biologiques connus peuvent être expliqués à l'aide de seulement
quatre interactions fondamentales :
- l'interaction gravitationnelle, responsable ………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
- l'interaction électromagnétique responsable……………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
- l'interaction forte, responsable …………………………………………………………………………………………………………………………
- l'interaction faible, responsable ……………………………………………………………………………………………………………………….
L’effet de ces quatre interactions diffère selon ……………………………… où l’on se place.
1- Interaction à l’échelle astronomique :
A grande échelle, la matière est électriquement ……………………………….
Seule l’interaction ………………………………………………… , de portée infinie, persiste.
Elle permet d’expliquer en grande partie les observations astronomiques.
Deux corps A et B (à répartition sphérique de masse) de masses mA et mB, séparés par une distance d
exercent l’un sur l’autre des forces attractives de même intensité Fgrav.
Ce sont les forces d’interaction ……………………………….
Chapitre VIII : « Cohésion de la matière »
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Corps B de
masse mB
Corps A de
masse mA
Distance d
FB / A est la force que le corps B exerce sur le corps A.
FA / B est la force que le corps A exerce sur le corps B.
Les deux forces
FB / A et FA / B ont :
- pour points d’applications respectifs les ………………………… des objets A et B,
- la ………………………… direction (droite liant le centre des deux objets),
- un sens ………………………………,
- la même intensité :
G = 6,67.10-11 N.m2.kg-2 la constante de la gravitation universelle (CAVENDISH 1798).
Attention aux unités :
- la longueur d est en mètre (m),
- les masses mA et mB sont en kilogrammes (kg),
- la force F est en newtons (N).
2- De notre échelle à celle de l’atome : Ordre de grandeur d’un atome : 10-10 m = 1 ………………………………
Ordre de grandeur d’un être humain : 100 m = 1 m
Autour du noyau atomique, chargé positivement, se trouvent les électrons qui portent eux des charges
électriques négatives.
Des charges électriques interagissent entre elles par interaction électromagnétique, et plus précisément
selon la loi de Coulomb.
Deux charges électriques qA et qB dont les centres sont séparés par une distance d exercent l’une sur l’autre
des forces de même intensité Félec.
Ce sont les forces d’interaction électrostatique (cas particulier de l’interaction électromagnétique).
Deux cas sont alors possibles :
Cas répulsif :
Les deux charges sont de même signe
Charge qB
Charge qA
Distance d
Cas attractif :
Les deux charges ont des signes opposés
Charge qB
Charge qA
Distance d
FB / A est la force que la charge B exerce sur la charge A.
FA / B est la force que la charge A exerce sur la charge B.
Chapitre VIII : « Cohésion de la matière »
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Les deux forces
FB / A et FA / B ont :
- pour points d’applications respectifs les ……………………………… des objets A et B,
- la ……………………… direction (droite liant le centre des deux objets),
- un sens …………………………,
- la même intensité :
K = 9,0.109 N.m2.C-2 la constante de Coulomb.
Attention aux unités :
- la longueur d est en mètre (m),
- les charges qA et qB sont en coulombs (C),
- la force F est en newtons (N).
2- A l’échelle du noyau atomique :
Interaction gravitationnelle :
Calculer Fg-PP
Interaction électrique :
Calculer Fe-PP
Ce résultat est généralisable :
De l’échelle de l’atome à notre échelle, la cohésion de la matière est assurée par ………………………………
………………………………
3- A l’échelle du noyau atomique Ordre de grandeur d’un noyau atomique : 10-15 m = 1 ………………………………
L’interaction forte assure ……………………………… ……………………en « liant »
entre eux les nucléons (les neutrons et les protons).
A cette échelle, c’est l’interaction forte qui prédomine : c’est
celle qui a la plus grande intensité.
Sa portée n’excède pas la dimension du ……………………………….
A cette échelle, l’interaction faible peut aussi intervenir.
Elle est responsable, entre autre, de la radioactivité β
(chapitre suivant) qui consiste à la désintégration d’un proton en
neutron ou d’un neutron en proton.
Sa portée (10-17 m) est également très faible et n’excède pas la
dimension d’un nucléon, son intensité est un million de fois plus
faible que l’interaction forte.
Chapitre VIII : « Cohésion de la matière »
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