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 10-15 m). Par conséquent, un noyau contenant plusieurs nucléons aura un diamètre de l ordre de 10-14 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
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 1687. 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
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
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
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 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). 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