Chapitre 1P : PARTICULES ELEMENTAIRES ET INTERACTIONS FONDAMENTALES De l échelle microscopique à l échelle astronomique, tout est construit à partir des particules élémentaires. Cet ensemble doit sa cohésion à l existence d interactions fondamentales : l interaction électrique l interaction gravitationnelle 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 10-15 m). Par conséquent, un noyau contenant plusieurs nucléons aura un diamètre de l ordre de 10-14 m. Expérimentalement, on mesure aussi qu un atome se situe aux environs de 10-10 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 = 9,109. 10-31 kg q e- = - e = - 1,6.10-19 C Proton m p = 1,673. 10-27 kg q p = e = 1,6.10-19 C Neutron m n = 1,675. 10-27 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 0910
II) Charges électriques, conducteurs et isolants et phénomènes d électrisation 1) Deux types de charges L électrostatique est l étude des charges électriques au repos. 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-dessous au 4) : 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. 2) Unité de charge électrique Dans le système international, une charge électrique notée est mesurée en : 1µC = C 1 nc = C 1 pc = C 3) 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. 4) Les phénomènes d électrisation Electrisation par frottement 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. - 2/5 MARTIN Lycée Français de Djibouti 0910
Electrisation par contact Lorsqu un corps A, électrisé négativement touche un corps B neutre, des électrons passent du corps vers le corps. Ainsi, le corps B initialement neutre s électrise par contact. Voir les documents n 6 et 7 p16. Il existe aussi l électrisation par influence (voir la boule en aluminium et la machine de Wimshurst). III) Interaction électrique ou interaction «Coulombienne» 1) Mise en évidence 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 : 2) Loi de Coulomb 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. - 3/5 MARTIN Lycée Français de Djibouti 0910
IV) L interaction gravitationnelle 1) La loi de Newton (1687) Deux objets ponctuels de masses m et m exercent l un sur l autre des forces d interaction gravitationnelle attractives, dont la valeur est proportionnelle à chacune des masses et inversement proportionnelle au carré de la distance d qui les sépare : 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. 2) 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 : 3) Interaction gravitationnelle et structure de l univers La force gravitationnelle est une force d interaction fondamentale de la nature à laquelle est associé le concept de masse : - 4/5 MARTIN Lycée Français de Djibouti 0910
V) L interaction forte Une autre interaction 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 1932. 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 ( 10-15 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). VI) Résumé Domaine d action Echelle Attractive ou répulsive? Portée Interaction gravitationnelle Interaction électrique Interaction forte - 5/5 MARTIN Lycée Français de Djibouti 0910