Chapitre 1 Interactions fondamentales
Chapitre 1 Interactions fondamentales
Chapitre 1 Interactions fondamentales
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<strong>Chapitre</strong> 1<br />
1<br />
<strong>Interactions</strong> <strong>fondamentales</strong><br />
I- Introduction<br />
La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la Nature. Son champ est néanmoins plus<br />
restreint : elle décrit de façon à la fois quantitative et conceptuelle les composants fondamentaux de l'univers, les<br />
forces qui s'y exercent et leurs effets.<br />
Elle développe des théories en utilisant l'outil des mathématiques pour décrire et prévoir l'évolution d'un système.<br />
Cette science n'accepte comme résultat que ce qui est mesurable et reproductible par expérience. Celle-ci permet de<br />
valider ou d'infirmer une théorie donnée.<br />
http://fr.wikipedia.org/wiki/Physique<br />
II- Les particules élémentaires<br />
1- Caractéristiques des particules élémentaires<br />
La diversité de la matière : noyaux, atomes et molécules, phases condensées ou gazeuses, organismes vivants,<br />
systèmes astronomiques, résulte de l’arrangement de trois « briques » de base, protons, neutrons et électrons,<br />
considérées comme particules élémentaires (cette notion est évidemment liée à l'état des connaissances actuelles).<br />
Particule Masse (kg) Charge (unité : Coulomb; symbole C)<br />
électron m e = 9,109.10 -31 q e = - e = -1,602.10 -19<br />
proton m p = 1,673.10 -27 q p = e = 1,602.10 -19<br />
neutron m n = 1,675.10 -27 0<br />
- Les charges électriques de l'électron et du proton ont même valeur e. Cette valeur e commune est appelée charge<br />
électrique élémentaire.<br />
2- L'atome et le noyau<br />
L'atome est constitué d'un noyau de nucléons et d'un nuage d'électrons.<br />
Le noyau est donc chargé positivement et le nuage électronique chargé<br />
négativement.<br />
L’atome est électriquement neutre (ou de charge nulle) car il possède<br />
autant de protons que d'électrons.<br />
La masse du noyau représente la quasi totalité de la masse de l’atome :<br />
masse d' un nucléon<br />
masse de l'électron<br />
≅ 1800<br />
L'espace occupé par un atome peut être assimilé une sphère. Le diamètre de cette sphère est d'environ<br />
10 -10 m. Le noyau peut lui aussi être assimilé une sphère placée au centre de la précédente le diamètre du noyau est<br />
d'environ 10 -15 m.<br />
A retenir<br />
l’ordre de grandeur du rapport des masses du nucléon et de l’électron. L’ordre de grandeur du<br />
diamètre d’un atome et d’un noyau.
III- Mise en évidence des différents types d’interaction<br />
1- Répartition de la matière dans l’univers<br />
2<br />
Simulation informatique du système solaire.<br />
Le calcul précis des trajectoires des planètes autour du soleil a montré<br />
la puissance de la théorie de Newton.<br />
Les neuf planètes du système solaire se déplacent sur des trajectoires<br />
elliptiques (proches de cercles). Toutes ces ellipses sont pratiquement<br />
dans le même plan, à l’exception de celle de Pluton, la planète la plus<br />
éloignée du soleil.<br />
CNRS Photothèque<br />
A quelle type d’interaction sont soumises ces planètes Soumises à l’interaction gravitationnelle<br />
Avec quel astre interagissent-elles Le Soleil<br />
2- Cohésion dans la matière<br />
Exemple 1 : molécules d’eau et de méthane<br />
Décrire chacune des molécules ; à partir de ces descriptions donner une définition d’une molécule. L’eau est<br />
composée de 2 atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Pour le méthane on a 4 atomes d’hydrogène et<br />
atome de carbone. Une molécule est un assemblage d'atomes<br />
Quel type d’interaction intervient dans la cohésion des atomes au sein d’une molécule Interaction de type<br />
coulombienne (électrostatique)<br />
Exemple 2 : Le calcite (carbonate de calcium CaCO 3 )<br />
De quels types d’ions est formé le cristal Ion calcium Ca 2+ et l’ion carbonate CO 3<br />
2-<br />
Comment ces cristaux sont-ils organisés au sein de la matière Ils sont alternés<br />
Quel type d’interaction assure cette cohésion Interaction de type électrostatique (ou ionique)<br />
Dégager de l’étude ci-dessus une définition d’un cristal ionique. Un solide ionique est un solide composé d'ions<br />
dans un solide ionique cristallin (cristal ionique), les anions et les cations sont disposés de façon ordonnée dans<br />
l'espace.<br />
Exemple 3 : Lévitation d'une statuette, du sculpteur Tanguy<br />
Cette statue contient des aimants permanents au dessus d'un lit de supraconducteurs, refroidis à la température de<br />
l'azote liquide (-196°C). Un aimant placé au voisinage d’un supraconducteur induit des courants à la surface du<br />
supraconducteur. Ces courants induisent (créent) eux-mêmes un champ magnétique opposé au premier d’où ce<br />
phénomène de lévitation (effet Meissner).<br />
Quel type d’interaction est ici mise en évidence Interaction électromagnétique<br />
D’après le texte, quelle est l’origine des phénomènes magnétiques Justifier le terme d’interaction<br />
électromagnétique A des courants induits ; l’interaction électromagnétique signifie l'étude des phénomènes<br />
électriques et magnétiques
3- Cohésion de la matière dans les noyaux des atomes<br />
3<br />
Cette image stéréoscopique montre les interactions entre<br />
quarks, anti-quarks et gluons et les fluctuations quantiques du<br />
vide.<br />
CNRS Photothèque<br />
Les composants du noyau de l’atome, protons et neutrons, ne sont<br />
pas des particules élémentaires. Les nucléons sont constitués de<br />
quarks, soumis à l’interaction forte par l’intermédiaire des gluons.<br />
L’interaction forte permet la cohésion des noyaux atomiques en<br />
liant les protons et les neutrons entre eux au sein de ce noyau. Si<br />
cette interaction n'existait pas, les noyaux ne pourraient pas être<br />
stables et seraient dissociés sous l'effet de la répulsion<br />
électrostatique des protons entre eux.<br />
IV- Comparaison des différentes interactions :<br />
Document Nostalgie de la lumière, Michel Cassé, 1987 :<br />
Les forces, en apparence, sont au nombre de quatre : forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle.<br />
L’intensité d’une interaction donnée peut être caractérisée par un nombre, une constante universelle qui<br />
mesure le taux auquel procèdent les transformations induites par ladite interaction. Les quatre forces sont<br />
spécifiques, hiérarchisées en portée et en intensité, mais non exclusives.<br />
L’interaction forte domine en intensité toutes les autres, dont l’interaction électromagnétique (d’où son nom),<br />
laquelle surpasse l’interaction faible, qui elle-même laisse très loin derrière la minuscule force de gravitation.<br />
Pourtant, il ne faut pas s’y méprendre, cette hiérarchie microscopique ne reflète en rien l’influence des forces<br />
à grande échelle. La gravitation est sans conteste la force dominante à l’échelle cosmique, parce qu’elle n’est<br />
contrebalancée par aucune antigravitation, et que son intensité, bien que déclinante, s’exerce sans limite de<br />
distance.<br />
Les interactions forte et faible, de par leur portée minuscule, se sont fait un royaume du noyau de l’atome.<br />
Quant à l’interaction électromagnétique, bien que de portée illimitée, elle ne saurait gouverner le vaste<br />
Cosmos car les grandes structures sont inactives du point de vue de l’électricité. En effet, les charges<br />
électriques plus et moins, en nombre égal, partout se neutralisent. Ce n’est pas pour autant une entité<br />
négligeable : la force électromagnétique a pris possession du vaste domaine laissé vacant entre l’atome et<br />
l’étoile, qui inclut le minéral, l’animal, le végétal et l’homme.<br />
Questions :<br />
a. Compléter le tableau en utilisant les informations du texte.<br />
Interaction Portée Intensité Effet Champ d’action<br />
forte 10 -15 m 1 attractif Noyau - atome<br />
électromagnétique infinie 10 -2 Attractif ou répulsif<br />
entre l’atome et notre<br />
échelle<br />
gravitationnelle infinie 10 -40 attractif Cosmos<br />
b. A quoi sert la 2 ème colonne du tableau Expliquer l’attribution des valeurs y figurant A savoir quand<br />
une interaction peut être négligée devant une autre, à connaître son champ d’action.<br />
c. Expliquer pourquoi deux protons d’un même noyau ne se repoussent pas. On rappelle que la taille du<br />
noyau d’un atome est de l’ordre de grandeur de 10 -15 m Car ils sont maintenus par l’interaction forte.<br />
d. Deux seulement de ces interactions <strong>fondamentales</strong> interviennent à notre échelle : pourquoi Car elles<br />
onts une protée infinie. L’interaction forte étant inexistant à notre échelle.<br />
Pourquoi une seule nous est-elle vraiment familière Car on la « subie » tous les jours.
La cohésion de la matière est assurée par :<br />
- l’interaction gravitationnelle à l’échelle astronomique,<br />
- l’interaction électromagnétique à l’échelle des atomes, des molécules et de la matière à notre échelle,<br />
- l’interaction forte à l’échelle du noyau.<br />
4<br />
V- Comment modéliser une interaction <br />
Document (suite) :<br />
Dans la conception contemporaine, il faut entendre par force non seulement ce qui pousse, qui tire ou modifie<br />
le mouvement, mais aussi tout ce qui incite au changement, à la métamorphose. La force, ou mieux<br />
l’interaction, dans l’acception physicienne, se définit donc comme l’agent unique de la transformation.<br />
Questions :<br />
a. Extraire du texte une définition de la notion de force.<br />
Quel outil mathématique peut-on utiliser pour modéliser une force Vecteur<br />
b. Combien de forces interviennent dans l’interaction entre deux objets A et B Que pensez-vous de ces<br />
forces 2, elles sont opposées, de même nature<br />
En utilisant les forces (à définir ; qui agit sur qui ), faire les schémas correspondant à<br />
une interaction de type attractive entre A et B<br />
une intercation de type répulsive entre A et B
VI- <strong>Interactions</strong> électrostatiques et gravitationnelles :<br />
5<br />
Interaction gravitationnelle<br />
L’interaction électrostatique :<br />
La masse :<br />
Charge électrique :<br />
<br />
<br />
La masse d’un corps traduit la quantité de matière que contient ce corps.<br />
On peut aussi la définir comme un coefficient, caractéristique de chaque<br />
particule, qui détermine le comportement de la particule quand elle interagit avec<br />
d’autres particules<br />
La masse se mesure en kilogramme (kg)<br />
<br />
<br />
La charge électrique est un coefficient caractéristique de chaque particule, qui<br />
détermine l’intensité de ses interactions électrostatiques avec les autres<br />
particules.<br />
Il existe deux types de charges électriques définis par rapport au type<br />
d’interaction: les charges positives et les charges négatives. Il y a répulsion entre<br />
deux charges de même signe et attraction entre deux charges de signes opposés.<br />
<br />
La charge se mesure en Coulomb (C).<br />
<br />
La charge élémentaire e est la plus petite charge électrique que puisse porter une<br />
particule. Sa valeur est e=+/-1,6.10 -19 C.<br />
<br />
Toute autre charge électrique est un multiple de la charge élémentaire.<br />
Loi de la gravitation :<br />
Dans le vide, deux corps A et B, séparées par une distance r = AB et de masses<br />
respectives m A et m B , sont soumises à deux forces directement opposées, dont l’intensité<br />
est proportionnelle au produit des masses et inversement proportionnelle au carré de la<br />
distance qui sépare ces masses.<br />
Loi de Coulomb :<br />
Dans le vide, deux particules A et B, séparées par une distance r = AB et portant<br />
respectivement les charges q A et q B , sont soumises à deux forces directement opposées,<br />
dont l’intensité est proportionnelle au produit des charges et inversement proportionnelle<br />
au carré de la distance qui sépare ces charges.<br />
Si q A et q B de signes opposés :<br />
A<br />
FB<br />
→ A FA<br />
→ B<br />
B<br />
A<br />
F F<br />
B → A<br />
A → B<br />
B<br />
Si q A et q B de même signe :<br />
A<br />
B<br />
Expression de l’intensité des forces :<br />
FA →B<br />
= FA→B<br />
= G<br />
m<br />
A<br />
. m<br />
r<br />
2<br />
B<br />
avec G = 6,61.10 -11 SI.<br />
Expression de l’intensité des forces :<br />
FA →B<br />
= FA→B<br />
= K<br />
FB<br />
→ A<br />
FA<br />
→ B<br />
q<br />
A<br />
r<br />
. q<br />
2<br />
B<br />
avec K=9.10 9 m.F -1 .
Applications :<br />
1. Comparaison :<br />
a. Calculer l’interaction gravitationnelle entre le Soleil (M S =1,989.10 30 kg) et Jupiter (M J =1,899.10 27 kg)<br />
sachant que la distance qui les sépare est en moyenne d=815,7.10 6 km.<br />
b. On considère que le Soleil et Jupiter portent deux charges opposées de même valeur absolue. Quelle<br />
devrait être cette charge pour obtenir une interaction électrique de même valeur que l’interaction<br />
gravitationnelle précédente <br />
c. Combien d’électrons aurait-il fallu arracher ou déposer pour créer cette charge <br />
Comparer ce nombre aux nombres d’atomes de la Terre, évalué à 10 50 .<br />
2. Cohésion d’une molécule :<br />
La molécule de bromure d’hydrogène (HBr) est polarisée. L’atome de brome attirant plus fortement les<br />
électrons de valence que l’atome d’hydrogène, tout se passe comme si l’atome de brome possédait une charge -<br />
δ centrée sur son noyau et l’atome d’hydrogène une charge +δ centrée sur son noyau.<br />
On sait mesurer la distance entre les deux noyaux ainsi que la force qui lie les deux atomes l’un à l’autre : pour<br />
cette molécule d=110pm et F=4,25.10 -10 N.<br />
a. Calculer la valeur de δ. Comparer à la valeur de e (1,6.10 -19 C). Le résultat est-il possible Comment<br />
peut-on l ‘expliquer <br />
b. Calculer la valeur de la force d’interaction gravitationnelle entre les deux atomes (on donne :<br />
m H =1,67.10 -27 kg et m Br =1,34.10 -26 kg)<br />
La comparer à la valeur de la force électrique. Conclure.<br />
c. Quelles sont les différentes interactions existant entre les nucléons <br />
Le rayon de l’atome de brome étant de 5,7fm, calculer la valeur de l’interaction électrique entre deux<br />
protons séparés de cette distance. Donner l’ordre de grandeur de l’interaction forte qui est responsable<br />
de la cohésion du noyau.<br />
6<br />
VII- L’interaction électrostatique et l’électrisation<br />
L’électrisation consiste à faire apparaître sur un corps :<br />
un excès d'électrons, le corps se charge négativement<br />
un défaut d'électrons, le corps se charge positivement<br />
Exemple<br />
Exemple<br />
Exemple<br />
On peut électriser deux corps par frottement.<br />
Le PVC arrache des électrons de la laine. Le PVC se charge négativement et la laine se charge<br />
positivement. Le frottement fait passer des électrons d’un corps à l’autre.<br />
On peut électriser un corps par contact.<br />
Le PVC électrisé précédemment touche une boule d’aluminium. Lors du contact des électrons passent<br />
sur la boule.<br />
On peut électriser un corps par déplacement interne de charges.<br />
Le PVC électrisé précédemment s’approche, sans la toucher, d’une boule d’aluminium. La boule est<br />
attirée. La distribution des charges dans le métal est localement distordue.<br />
-<br />
-<br />
-<br />
+<br />
+<br />
+<br />
ρ<br />
F<br />
PVC → boule<br />
ρ<br />
F<br />
boule→PVC<br />
zone frottée<br />
- - - - -<br />
- - - -<br />
Dans un conducteur, des porteurs de charge(s) (des électrons dans les métaux, des ions dans les solutions) peuvent<br />
se déplacer dans tout l’échantillon alors que dans un isolant leurs déplacements sont inférieurs à la taille atomique.
7<br />
VIII- Interaction forte<br />
Tous les atomes d’un même élément sont-ils identiques <br />
Non ! Nous savons aujourd’hui qu’il existe en fait plusieurs<br />
types d’atomes de chaque élément.<br />
Un type d’atome est défini grâce à la composition de son<br />
noyau caractérisé par son numéro atomique Z et son<br />
nombre de masse (nombre de nucléons) A.<br />
Un couple identique de valeurs (Z , A) correspond à un seul<br />
nucléide. Deux nucléides qui possèdent le même numéro<br />
atomique Z, mais des nombres de nucléons différents, sont<br />
isotopes. On connaît environ 1500 nucléides différents.<br />
Parmi ces nucléides, 280 sont stables, c’est à dire qu’ils<br />
perdurent indéfiniment.<br />
Les autres nucléides ne sont pas stables : ils se désintègrent<br />
en émettant des particules, souvent très dangereuses pour<br />
les êtres vivants (phénomènes de radioactivité).<br />
Le diagramme ci-contre, représentant N=f(Z) et faisant<br />
apparaître « la vallée de stabilité », montre que les éléments<br />
stables dont le numéro atomique est inférieur à 30 sont<br />
groupés autour de la droite d’équation N=Z. Ces noyaux<br />
contiennent donc autant de neutrons que de protons.<br />
Pour les noyaux plus massifs, le nombre de neutrons<br />
dépasse le nombre de protons. Dans les très gros noyaux<br />
stables, il y a jusqu’à trois fois plus de neutrons que de<br />
protons.<br />
Lorsque le numéro atomique devient important, (à partir de<br />
Z=92), la répulsion électromagnétique finit par l’emporter<br />
sur l’interaction forte. Ainsi, le tableau périodique des éléments naturels s’arrête à l’uranium.<br />
1. Où les noyaux instables sont-ils situés dans le diagramme <br />
2. Quelles sont, aux vues du diagramme, les causes de non-stabilité de ces noyaux <br />
3. Comment les noyaux instables peuvent-ils évoluer pour se rapprocher de la vallée de la stabilité<br />
4. Ces évolutions sont à la base de la radioactivité naturelle. Rechercher les trois principaux types de<br />
radioactivité naturelle.