COMP1 Cohésion de la matière 1S La matière qui compose notre univers est très diversifiée. Comment admettre que des particules de matière, puissent coexister malgré des caractéristiques physiques différentes? La Voie Lactée, notre galaxie A/ Quels sont les plus petits constituants de la matière? Tout édifice est constitué d atomes, de molécules ou d ions. Ces entités sont elles mêmes formées à partir de particules plus petites dites élémentaires. Au lycée, on en retiendra 2 : - le nucléon ( proton + neutron ) - l électron Exemple : le modèle planétaire de l atome Les quarks sont aussi des particules élémentaires puisqu ils composent les protons et les neutrons (voir TD interactions fondamentales) 1
B/ Comment caractériser une particule élémentaire? Une particule élémentaire est caractérisée par : - Sa masse ( liée à la quantité de matière ) - Sa charge électrique (liée à la quantité d électricité) On définit la charge élémentaire notée e comme la charge électrique d un proton. e = 1,6 x 10-19 C L unité de la charge électrique est le Coulomb ( noté C ) Ø La charge électrique de toute entité chargée ( noyau atomique, ion, objet quelconque ) peut s exprimer en fonction de la charge élémentaire e. Ø On notera par la lettre q, la charge électrique et on exprimera cette charge en fonction de e : q = n x e Les charges des particules élémentaires Particule Localisation dans l atome Charge électrique Proton Dans le noyau q p = e = 1,6 x 10-19 C Neutron Dans le noyau q n = 0 C Electron A la périphérie du noyau q e = - e = - 1,6 x 10-19 C Les masses des particules élémentaires Particule Masse Ordre de grandeur Proton m p = 1,673 x 10-27 kg 10-27 kg Neutron m n = 1,675 x 10-27 kg 10-27 kg Electron m e = 9,1 x 10-31 kg 10-30 kg 2
C/ La composition de l atome Un atome de symbole X dont le noyau comporte A nucléons et Z protons est représenté symboliquement par : A : nombre de masse Z : numéro atomique!!x Ø Pour déterminer le nombre de neutrons on réalise le calcul : A-Z Ø Deux atomes isotopes ont le même numéro atomique Z mais un nombre de nucléons différent A. 3
D/ Quelles sont les interactions fondamentales? Toutes les structures de l Univers sont régies par 4 interactions fondamentales : Ø L interaction gravitationnelle Ø L interaction électromagnétique Ø L interaction forte Ø L interaction faible L interaction gravitationnelle Ø Cette interaction a été étudiée en classe de seconde. Ø C est une interaction attractive. Ø Elle agit entre particules ayant une masse non nulle. Ø Sa portée est infinie mais sa valeur diminue quand la distance augmente. Ø C est l interaction prédominante pour des objets de masses élevées. Ø Elle explique la cohésion des édifices astronomiques. L interaction électromagnétique Ø C est une interaction attractive ou répulsive. Ø Elle agit entre particules ayant une charge électrique non nulle. Ø Sa portée est infinie mais sa valeur diminue quand la distance augmente. Ø C est l interaction prédominante pour des objets chargés et englobe l interaction électrostatique décrite par la loi de Coulomb ( voir prochain chapitre) Ø Elle explique notamment la cohésion de l atome. L interaction forte Ø L interaction forte assure la cohésion du noyau atomique. Ø Elle agit principalement entre les nucléons. Ø Elle ne s exerce qu à des distances très courtes, de l ordre du diamètre du noyau d un atome. 4
L interaction faible Ø L interaction faible est responsable de certains types de radioactivité. Ø Sa portée est extrêment faible de l ordre du diamètre du nucléon. Ø Elle ne s exerce qu à des distances très courtes, de l ordre du diamètre du noyau d un atome. Rappel de seconde E/ Quelles sont les forces d interaction? Ø En physique, lorsqu un corps agit sur un système, on parle d action mécanique ou de force. Ø Une force représente l action qui peut changer le mouvement d un objet. Ø Une force se caractérise par : Une direction Un sens Une valeur numérique En mathématique, on représente une force par un vecteur dontle point d application se situe la plupart du temps au centre de gravité du système. Exemple : Les forces appliquées à un avion en vol On comprend ici que le vol est possible si les forces de pousée, de traînée et de portance l emporte sur le poids de l avion. 5
Ø L interaction gravitationnelle se matérialise par une force d attraction gravitationnelle. Ø Cela consiste à dire que deux corps A et B de masses respectives m A et m B et séparés d une distance d exercent l un sur l autre une action mécanique attractive et de même intensité. Ø Si on souhaite calculer cette force : F = F A/B = F B/A = G x!!!!!! G : constante de gravitation universelle G = 6,67 x 10-11 m 3.kg -1.s -2 Les masses doivent être exprimées en kilogramme (kg), la distance d en mètre (m) et la force sera exprimée en Newton (N) Utilité? Cette force est surtout évoquée à l échelle astronomique car portée très faible à l échelle humaine. Vous pouvez donc imaginer que les corps A et B sont deux planètes ou une planète et un satellite en interaction. On peut d ailleurs faire un calcul très simple d ordre de grandeur ( en puissance de 10) de la force d interaction gravitationnelle s exerçant entre un proton et un électron en considérant qu ils sont distants de 10-10 m. En bleu, F E/P la force de l électron sur le proton En orange, F P/E la force du proton sur l électron. F = F E/P = F P/E = G x ( m p x m E ) / d 2 F= (10-10 x 10-27 x10-30 ) / 10-20 F = 10-47 N On voit bien que la force d attraction gravitationnelle est négligeable à l échelle atomique. 6
Ø L interaction électromagnétique se matérialise par une force attractive ou répulsive selon la nature des charges électriques en présence. Ø Cela consiste à dire que deux corps A et B de charges respectives q A et q B et séparés d une distance D exercent l un sur l autre une action mécanique attractive ou répulsive et de même intensité. Ø Si on souhaite calculer cette force : F = F A/B = F B/A = k x!!!!!! k : constante de Coulomb k = 9 x 10 9 N. m 2.C -2 Les charges q A et q B doivent être exprimées en Coulomb (C), Les I. I signifie «valeur absolue» c est-à-dire que dans le calcul, il faut toujours considérer la valeur positive de la charge électrique. La distance D en mètre (m) et la force sera exprimée en Newton (N) Ø La force sera attractive si q A et q B sont de même signe. La force sera répulsive si q A et q B sont de signes opposés. Utilité? Cette force est surtout évoquée à l échelle humaine ou même à l échelle atomique. Vous pouvez donc imaginer que les corps A et B sont deux particules élémentaires ou deux atomes. On peut d ailleurs faire un calcul très simple d ordre de grandeur ( en puissance de 10) de la force d interaction électromagnétique s exerçant entre un proton et un électron en considérant qu ils sont distants de 10-10 m. En bleu, F E/P la force de l électron sur le proton En orange, F P/E la force du proton sur l électron. F = F E/P = F P/E = k x ( Iq p I x Iq E I ) / d 2 F= (10 10 x 10-19 x10-19 ) / 10-20 F = 10-8 N On voit bien que la force électromagnétique est plus importante à l échelle atomique qu à l échelle humaine. 7
F/ Quelles sont les dimensions des édifices de l Univers? Les puissances de 10 correspondent aux ordres de grandeurs. Vous devez vous repérer grâce à ces ordres de grandeur. 8
Pour résumer Ordre de grandeur Interaction prédominante Voie Lactée Système solaire Terre 10 21 m 10 13 m 10 7 m L interaction gravitationnelle Homme Molécule 10 0 m = 1m 10-9 m L interaction électromagnétique Atome Noyau 10-10 m 10-15 m L interaction forte et l interaction faible Compétences attendues ü Connaître les constituants de la matière ü Connaître les ordres de grandeur des valeurs des masses du proton, du neutron, de l électron. ü Savoir que toute charge élémentaire peut s exprimer en fonction de la charge élémentaire e. ü Utiliser la représentation symbolique de l atome et reconnaître des isotopes. ü Connaître les ordres de grandeur des dimensions des édifices de l Univers. ü Associer à chaque édifice organisé la ou les interactions prédominantes. ---- FIN ---- 9