Chapitre 1P : PARTICULES ELEMENTAIRES ET INTERACTIONS FONDAMENTALES

Transcription

1 Chapitre 1P : PARTICULES ELEMENTAIRES ET INTERACTIONS FONDAMENTALES De l échelle microscopique à l échelle astronomique, tout est construit à partir de 3 particules élémentaires. Cet ensemble doit sa cohésion à l existence d interactions fondamentales : l interaction gravitationnelle, l interaction électromagnétique et l interaction forte. I) Les particules élémentaires L ensemble de l univers est constitué de Ces constituants de la matière sont eux-mêmes un assemblage de 3 particules élémentaires déjà vues en seconde. 1) Les 3 particules dites «élémentaires» (découvert par J.J. Thomson en 1897). (découvert par E. Rutherford en 1911). (découvert par J. Chadwick en 1932). 2) Ordre de grandeur du rayon de l atome et du noyau Le proton et le neutron sont sphériques et de dimensions comparables (de l ordre de m). Par conséquent, un noyau contenant plusieurs nucléons aura un diamètre de l ordre de m. Par exemple, pour un atome d hydrogène à notre échelle humaine, si l on considère le noyau (un seul proton) gros comme une balle de tennis, l électron sera à environ 2 km! 3) Masses et charges des particules «élémentaires» Particule élémentaire : Masse : Charge électrique (voir l unité au II) : Electron m e = 9, kg q e- = - e = - 1, C Proton m p = 1, kg q p = e = 1, C Neutron m n = 1, kg q n = 0 C Remarques : Toute charge électrique sera un multiple positif ou négatif de cette charge élémentaire : - 1/5 MARTIN Lycée Français de Djibouti

2 II) Les interactions fondamentales 1) L interaction gravitationnelle a) Loi de Newton Le déplacement de l eau des océans, c'est-à-dire la marée, s explique par l attraction conjuguée de la Lune et du Soleil sur la Terre. L interaction gravitationnelle entre corps est universelle : elle fait l objet d une loi énoncé par Isaac Newton en Deux corps sont toujours soumis à une interaction attractive due à leur masse. Deux corps assimilables à des objets ponctuels A et B, de masses m A et m B séparés par une distance d, sont soumis à des forces d intensité communes : La loi de Newton est applicable (sous cette forme) à des objets ponctuels mais sera aussi applicable à des objets non ponctuels si la répartition des masses m et m est à symétrie sphérique. (L objet sera assimilé à son centre et affecté de la masse de l objet). C est le cas des planètes. b) Le poids d un corps Tout objet de masse m, situé au voisinage de la Terre est soumis à une force d attraction gravitationnelle exercée par la Terre. Soit M T la masse de la terre de rayon R T. A la surface de la Terre, la valeur de cette force F 0 est : Nous admettrons que cette force peut être assimilée au poids de cet objet à la surface de la Terre. On en déduit : c) Interaction gravitationnelle et structure de l univers La force gravitationnelle est : - 2/5 MARTIN Lycée Français de Djibouti

3 2) L interaction électromagnétique Des corps électriquement chargés sont soumis à une interaction. Si les charges sont au repos, cette interaction est électrique (on dit aussi électrostatique). Si les charges sont en mouvement, elles sont aussi soumises à une interaction magnétique. De manière générale, l interaction entre deux corps électriquement chargés est qualifiée d interaction électromagnétique. On limite ici l étude à l interaction électrique. a) L électrisation Il est possible d électriser un matériau par frottement ou par influence. Le phénomène d électrisation s interprète par le déplacement des électrons. C est probablement en polissant de l ambre, alors utilisé pour fabriquer des bijoux, que les Grecs se sont aperçus que l ambre frotté avait la propriété d attirer des corps légers. Lorsqu on frotte une tige en matière plastique, elle acquiert cette même propriété. Les expériences d électrisation nous montrent qu il n y a que 2 espèces de charges électriques : les et les. On peut énoncer 2 propriétés : Un objet est dit s il porte autant de charges que de charges (cas de l atome mais pas de ). Un corps qui possède un excès d électrons est chargé. ( ). Un corps qui possède un défaut d électrons est chargé. ( ) La charge électrique totale d un système isolé est constante. Voir l expérience dessinée ci-dessus : Une baguette d ébonite gagne des charges négatives quand elle est frottée avec une fourrure. Pendant le frottement ces charges sont transférées de la fourrure à l ébonite de sorte que la fourrure se retrouve chargée positivement. La charge électrique totale de l ensemble {ébonite+fourrure} ne varie pas : c est le principe de. Unité de charge électrique Dans le système international, une charge électrique notée est mesurée en : 1µC = C 1 nc = C 1 pc = C Les conducteurs et les isolants Des électrons peuvent circuler librement dans les conducteurs métalliques. Ils sont nommés Dans les solutions conductrices, ce sont d autres porteurs de charges,, qui assurent la conduction de l électricité. Au contraire, les isolants ne permettent pas aux électrons de circuler librement hors de l atome. Il n y a pas. - 3/5 MARTIN Lycée Français de Djibouti

4 b) L interaction électrique Si deux corps A et B sont chargés de la même façon, ces 2 corps auront tendance à. Le corps A exerce sur le corps B une force notée : Le corps B exerce sur le corps A une force notée : Donc : En 1785, Charles de Coulomb a énoncé la loi relative à l interaction électrique. Ces forces peuvent être ou et la droite d action sera la droite (AB). L interaction électrostatique (ou «électromagnétique») est responsable de l existence des atomes, des molécules et assure la cohésion de la matière (vivante ou non). Cette force joue un rôle prépondérant dans la forme, la dureté, l élasticité, etc des objets. 3) L interaction forte Dans le noyau, deux nucléons sont soumis à une interaction attractive, indépendante de la charge électrique et de courte portée (de l ordre de la taille du noyau). A courte distance, l intensité de cette interaction est environ 10 2 à 10 3 fois plus importante que l interaction électrique ; Elle a la propriété caractéristique d être insignifiante dès que l on s éloigne du noyau. - 4/5 MARTIN Lycée Français de Djibouti

5 Une autre interaction donc se manifeste dans le noyau et empêche la dispersion des protons (et des neutrons). Cette interaction porte le nom. La présence de cette interaction a été proposée par C. W. Heisenberg en Ci-contre un exemple malheureux de ce qui se passe lorsqu on arrive à vaincre l interaction forte et à libérer l énergie des nucléons. L interaction forte est indépendante de la charge électrique et de très courte portée ( m) soit environ les dimensions du noyau. Si le noyau est trop gros, on observe une instabilité : les noyaux sont tous radioactifs à partir de l uranium (Z=92). III) Résumé : la cohésion de la matière Interaction gravitationnelle Interaction électrique Domaine d action Echelle Attractive ou répulsive? Interaction forte - 5/5 MARTIN Lycée Français de Djibouti