Chap6 Interactions et cohésion de la matière

Chap6 Interactions et cohésion de la matière
I. Interactions fondamentales:
1. Particules élémentaires
Définition:
On appelle particule élémentaire toute particule indivisible (cette notion est évidemment
liée à l'état des connaissances actuelles)
•La diversité de la matière résulte des nombreux arrangements des atomes entres
eux.
•L'atome est constitué à partir de 3 particules élémentaires: le proton, le neutron et
l'électron.
•Autour du noyau formé de neutrons et de protons, les électrons sont en mouvement
rapide.
Caractéristiques des particules élémentaires dans l'atome
Proton mp=1,67.10-27kg q = +e r = 1,2.10-15m
Neutron mn=1,67.10-27kg q = 0 r = 1,2.10-15m
Électron me=9,11.10-31kg q = -e
Remarque: Le rayon du noyau est de l'ordre de 1fm (10-15m) alors que le rayon de l'atome
est de l'ordre de 10-10m. La plus grande partie d'un atome est constituée de vide. L'atome
aune structure lacunaire (voir cours de seconde).
2. Les interactions fondamentales
La cohésion de la matière est due aux interactions entre les
particules élémentaires:
•L'interaction gravitationnelle (Newton 1867) entre les masses.
•L'interaction électrique (Coulomb 1785) entre les charges.
•L'interaction forte (1970) entre les nucléons.
II. Cohésion de la matière
1. A l'échelle du noyau atomique
Rappel: Interaction gravitationnelle: (voir cours de seconde).Deux corps A et B de masses
respectives mAet mBséparés d'une distance d exercent l'un sur l'autre des forces
opposées A/B et B/A telles que:
FA/B = FB/A = G.mA.mB/ d2avec G = 6,67.10-11 N.m2.kg-2
Soit un noyau d'hélium (2 protons, 2 neutrons). Déterminons la valeur des
interactions gravitationnelles et électriques qui existent entre les différentes particules de
ce noyau:

Interaction gravitationnelle:
Fp/p = G.mp2/d2=> Fp/p = 6,67.10-11.(1,67.10-27)2/(2,4.10-15)2=3,23.10-35N
Interaction électrique:
Fp/p =K.|qA.qB|/d2=> Fp/p =9.109.(1,6.10-19)2/(4,8.10-15)2=10N
La force de répulsion électrique est très supérieure à la force d'attraction
gravitationnelle. La cohésion des noyaux ne peut être due aux deux forces
précédentes (les noyaux se disloqueraient).
La cohésion des noyaux est donc due à l'interaction forte.
Définition: L'interaction forte est une interaction attractive importante qui s'exerce sur les
nucléons. Elle assure la cohésion des noyaux.
Remarque: Contrairement à l'interaction gravitationnelle et à l'interaction électrique,
l'interaction forte augmente avec la distance. Cependant, c'est une action à courte portée.
2. A l'échelle atomique
Soit un atome d'hydrogène .
Déterminons la valeur des interactions gravitationnelles et électriques qui
existent entre le noyau et l'électron de cet atome.
Interaction gravitationnelle:
Fp/p = G.mp.me/d2=6,67.10-11.1,67.10-27.9,11.10-31 / (53.10-12)2=3,61.10-47N
Interaction électrique:
Fp/p = K.|qA.qB|/d2=> Fp/p = 9.109.(1,6.10-19)2/(53.10-12)2=8,20.10-8N
La force d'attraction électrique est très supérieure à la force d'attraction gravitationnelle.
L'interaction électrique assure la cohésion de la matière à l'échelle atomique.
3. A l'échelle moléculaire et à notre échelle
Un calcul identique au niveau de la molécule donne le même résultat. Les propriétés des
solides, des liquides et des gaz en découlent. La cohésion de la matière à l'échelle
moléculaire est assurée par l'interaction électrique.
4. A l'échelle astronomique
Al'échelle de l'Univers, la matière est électriquement neutre. Seule l'interaction
gravitationnelle assure la cohésion de la matière à l'échelle de l'Univers.Elle est
responsable du mouvement des astres, de la formation des étoiles, des planètes et des
galaxies.