Activité 1(B1) : La matière et les interactions I Ordre de grandeur Les édifices organisés présents dans l univers ont des dimensions très différentes. Q1) Chercher l'ordre de grandeur des différentes structures présentes dans l Univers (Ordre de grandeur : puissance de 10 la plus proche d un nombre) Un noyau des atomes Une fourmi Un quark Un atome Un homme La Voie Lactée La galaxie du sombrero La Terre La France Un cheveu Un neutron ou un proton Un électron L'Univers Le système solaire Q2) Construire un axe horizontal avec une échelle logarithmique (tous les cm, on multiplie par 10 2 et le début est à 10 16 m) sur lequel vous placerez les différentes structures ci dessus. II Particules élémentaires «Aristote croyait aussi que la matière était continue, c'est-à-dire que l'on pouvait diviser un bout de matière en morceaux de plus en plus petits, à l'infini. Quelques Grecs, cependant, comme Démocrite, tenaient que la matière était granuleuse en soi et que tout était fait d'un grand nombre de différentes sortes d'atomes. Le débat entre les deux écoles de pensée ne fut réellement clos en faveur des atomistes que dans les premières années de ce siècle. À ce moment-là, on soupçonnait déjà que ces atomes n'étaient peut-être pas insécables, après tout. J.J. Thomson avait démontré l'existence d'une particule de matière, appelée électron, qui avait une masse de moins du millième de celle de l'atome le plus léger. En 1911 finalement, le physicien britannique Ernest Rutherford montra que les atomes de matière ont bien une structure interne : ils sont faits d'un noyau extrêmement petit, chargé positivement, autour duquel tournent un certain nombre d'électrons. Cependant, en 1932, un collègue de Rutherford à Cambridge, James Chadwick, découvrit que le noyau comprenait une autre particule, appelée le neutron, qui avait à peu près la même masse que le proton, mais pas de charge électrique. Jusqu'à il y a vingt ans environ, on pensait que les protons et les neutrons étaient des particules «élémentaires», mais les expériences au cours desquelles les protons entraient en collision avec d'autres protons ou des électrons à grande vitesse révélèrent qu'ils étaient eux-mêmes composés de particules plus petites. Ces particules furent appelées quarks». D'après Stephen Hawking, Une brève histoire du temps, Flammarion, 1989. Q3) Quels sont, avant le début du XXème siècle, les 2 courants de pensée au sujet de la composition de la matière? Q4) Avant 1969, quelles sont les seules particules élémentaires connues? Donner leurs caractéristiques (masse et charge). Q5) Comment furent découvert les quarks? Q6) Selon vous, qu'est-ce que l'on appelle une particule élémentaire? Q7) Rappeler la signification de la représentation symbolique d un atome A Z X.
III Les interactions fondamentales La cohésion de l atome, des molécules, des édifices organisés est due à l existence de différentes interactions. Lors de cette activité, nous allons essayer de répondre à ces questions : Quelles sont ces interactions fondamentales? A quelle(s) échelle(s) prédominent-elles? La force de gravitation Isaac Newton avait ainsi condensé sa théorie de la gravitation dans une équation permettant de prédire de nombreux phénomènes : de la chute d une pomme aux trajectoires des planètes. Cette équation a le mérite d être simple, et donc de connaître des solutions faciles. On sait qu elle exprime que deux corps s attirent en proportion de leur masse et en proportion inverse du carré de la distance qui les sépare. Mais on peut aussi lui faire dire bien d autres choses Car, derrière la formule mathématique, se cache une image de l Univers : celle de corps distribués dans l espace et reliés entre eux par des forces. [ ] Rien ni personne n échappe à la gravité. Première des forces à avoir été mathématisée, elle est aussi la force la plus faible dans la Nature : 10 37 fois moins intense que la force électromagnétique par exemple. Mais comme sa sœur, elle est de portée infinie : faisant aussi bien tomber les pommes à terre que tourner la Lune autour de la Terre. [ ] La force électromagnétique L électricité, par exemple, a révélé que ce modèle collait parfaitement à l explication de l interaction entre deux charges électriques (loi de Coulomb). [ ] on ne tardera pas à découvrir des formes d interaction, différentes à la fois du formalisme de la gravitation et de l électromagnétisme. Au nombre de deux, elles ont été mises en évidence quand on s est intéressé à l intérieur du noyau des atomes. [ ]Associée à la gravitation, elle façonne le monde à notre échelle la plus commune. De la taille de l Univers jusqu à celle des planètes de l homme en passant par celle des planètes, tout est fixé par la combinaison de ces deux constantes fondamentales, celle de structure fine et celle de structure gravitationnelle. La première agit sur les charges électriques et se fait sentir dès les premières secondes de l Univers lorsque les noyaux légers sont fabriqués à partir de la soupe primordiale de quarks, de protons, de neutrons et d électrons. L'interaction faible Mais le schéma s est encore compliqué En effet, si notre planète Terre constitue un lieu accueillant, elle le doit à la stabilité de la plupart des noyaux de ses atomes. Mais la vie qui s y abrite puise son énergie dans la lumière du soleil qui, elle, résulte de la désintégration de nombreux noyaux (la radioactivité). Et ces réactions nucléaires ne sont explicables qu avec l aide d un quatrième type d interaction : l interaction «faible». [ ] Si l interaction faible atteint aussi bien le cœur des étoiles que celui des réacteurs, c est qu elle est une force nucléaire. C est-à-dire que, contrairement aux deux forces précédentes, son action n est que de courte portée ; elle est inférieure à 10 17 m. Une des manifestations est la radioactivité qui est l émission d un électron en même temps que la transformation d un neutron en proton au sein d un noyau. Elle fut découverte par Becquerel à la fin du XIXème siècle, au moment où les recherches sur la radioactivité battaient leur plein.[ ] L'interaction forte Les équations de Maxwell rendent compte de la cohésion de la matière : la liaison des électrons aux noyaux, celle des atomes entre eux pour former des molécules, etc. En revanche, elle prédit qu à l intérieur des noyaux, les protons (charges positives) doivent se repousser et ce, d autant plus fortement qu ils sont proches. Pourtant, les noyaux sont stables, sinon nous ne serions même pas là pour en parler Pour expliquer la cohésion nucléaire de la matière, les physiciens ont donc été forcés d élaborer une nouvelle sorte d interaction [ ]. Par défaut d imagination, on l a qualifiée d interaction «forte» : elle décroît très vite avec la distance, de sorte que ses effets ne sont pas sensibles à l extérieur des noyaux. Elle est la dernière découverte mais en fait la première à peser sur l avenir de l Univers. En façonnant les protons et les neutrons, puis les noyaux, l interaction forte est à l origine de la variété de toutes nos molécules. Un millionième de seconde après le début de l Univers, sa présence s impose et la longue chaîne de fabrication commence. Extrait de Sciences et Avenir (Octobre 2001) : «Les 4 forces de la nature chamboulées»
Q8) Complétez la carte heuristique suivante.
Quark Neutron ou proton ou électron Noyau atome Atome Cheveu Fourmi Homme France Terre Système solaire Galaxie Sombrero Voie Lactée Univers Correction Activité 1(B1) : La matière et les interactions Q1) Objet Taille approximative Ordre de grandeur en m Noyau des atomes 10 15 m 10 15 m Atomes 10 10 m 10 10 m Homme 1,80 m 10 0 m = 1 m Voie Lactée 100 000 a.l 10 000.10 9 x 100 000 km = 1,0.10 18 km 10 18 km = 10 21 m Fourmi 4 mm = 4.10 3 m 10 3 m Galaxie du sombrero 82 000 a.l 10 000.10 9 x 82 000 km = 8,2.10 17 km 10 18 km = 10 21 m Terre 12800 km 10 4 km = 10 7 m France 1000 km 10 3 km = 10 6 m Quark 10 20 m 10 20 m Cheveu 75 µm 10 4 m Neutron ou proton 10 15 m 10 15 m Electron 10 15 m 10 15 m Univers (observable) 10 26 m 10 26 m Système solaire 100 Unités Astronomiques = 100 x 150.10 6 km 10 10 km = 10 13 m Q2) (m) 10 20 10 18 10 16 10 14 10 12 10 10 10 8 10 6 10 4 10 2 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 10 10 10 12 10 14 10 16 10 18 10 20 10 22 10 24 10 26 10 28 Infiniment petit Taille "humaine" Infiniment grand Q3) Avant le début du XX ème siècle les 2 courants de pensée sont la pensé d Aristote (la matière est continue, elle peut se diviser à l infini) et la pensée de Démocrite (la matière granuleuse, elle est constituée de particules élémentaires : les atomes). Q4) Avant 1969, les particules élémentaires sont : Les protons : masse m = 1,673.10 27 kg et charge électrique q = 1,602.10 19 C Les neutrons : masse m = 1,675.10 27 kg et charge électrique q = 0 C Les électrons : masse m = 9,109.10 31 kg et charge électrique q = 1,602.10 19 C Q5) Les quarks ont été découverts expérimentalement en étudiant les collisions entre des particules. Néanmoins, cela ne fut pas du hasard car on cherche ce type de particules. En effet, elles avaient été «découvertes» théoriquement en 1961 par Murray Gell Mann (Prix Nobel physique 1969). Q6) Une particule élémentaire est une particule qui n est constitué d aucune autre, qui ne peut pas être cassé. Q7) A X désigne l élément chimique X. Z Z est le numéro atomique : c est le nombre de protons du noyau de l élément X A est le nombre de masse : c est le nombre de nucléons du noyau de l élément X Q8) cf. page suivante
infini Intérieur de l atome XVII ème siècle Cohésion du noyau de l atome Newton 10 17 m (un proton) Permet la transformation de p en n et inversement (radioactivité) F gravitation = G. m A.m B d 2 XX ème siècle F électrique = k. q A.q B d 2