Sciences Physiques : 1S 2011-12 SZayyani Unité : Interaction Fondamentales Chapitre: 1 - Interactions Fondamentales Fiche de Cours Particules Fondamentales Rappels On se rappelle que la matière se constitue des blocs fondamentaux : i) Protons ii) Neutrons iii) Electrons Les protons et les neutrons s appellent des nucléons, car ils se trouvent dans le noyau de l atome, alors que les électrons sont en orbite autour du noyau. Le noyau atomique Le noyau atomique fut découvert en 1911 par Ernest Rutherford. On représente le noyau de l atome de façon symbolique, on utilise son symbole chimique, qu on note X pour le cas général. En haut à gauche du symbole, on fait figurer le nombre de nucléons A (nombre total de protons et de neutron dans le noyau) et en bas à gauche le numéro atomique Z (nombre de proton dans le noyau): Exemples : 1. Hydrogène : 1 proton 2. Magnésium : 12 proton, 12 neutrons, 3. Fer : 26 protons, 30 neutrons 4. Plomb : 82 protons, 208 nucléons DEFINITION : Deux noyaux sont isotopes l un de l autre s ils ont le même numéro atomique mais le même nombre de nucléons. Exemples : L élément Hydrogène a trois isotopes : ( ) ( ). Deux isotopes sont toujours le même atome (élément), car le nombre (de protons), n a pas changé. Donc c est le nombre de proton qui détermine la nature d un élément chimique. 1
EX. 1 Le carbone se trouve, dans la nature, sous deux formes, Carbone-12 (majoritaire), et Carbone - 14. Donner les symboles de ces deux isotopes. La charge élémentaire La charge électronique élémentaire est la valeur absolue de la charge d un électron, noté (dont la valeur numérique est ). Donc la charge d un électron est notée et celle d un proton. Toutes les charges électronique sont des multiples (positifs ou négatifs) de. La matière Toute matière dans l univers se constituent, à la base, de ce trois particules fondamentales : protons et neutrons dans le noyau, entourés par un nuage d électrons. En revanche, à l exception des gaz rares, on ne rencontre jamais des éléments naturels sous forme d atomes. Ils sont soit les ions, ou assemblés dans les molécules. Les Interactions fondamentales La physique moderne nous a montré que l on peut expliquer toutes les interactions entre les particules de la matière grâce à quatre Interactions Fondamentales : i. Interaction Gravitationnelle ii. Interaction Electromagnétique iii. Interaction Forte iv. Interaction Faible (pas dans le programme) Interaction Gravitationnelle Nous avons déjà étudié cette interaction (ou force) en 2 e. Selon Newton : Deux corps ponctuels et de masse et s attirent mutuellement, exerçant une force sur, et exerçant une force sur, dont les caractéristiques sont : 2
et son dirigées dans la direction de la droite AB telle que : Valeur absolue de ces forces : où La force gravitationnelle a une portée infinie (=infinite range) On peut représenter chaque force et sont des vecteurs unitaires (=unitary vectors), i.e. des vecteurs à la direction de AB, avec une norme. Donc, tant qu un corps a une masse non-nulle, il exerce une force sur d autres corps aussi que sentir les forces exercées par d autres corps. Interaction Electrique (électrique) On est entamé par des phénomènes d origine électrique. Un exemple simple est le phénomène d électrisation. Ce phénomène peu se manifester, par exemple, sous forme d éclaire (électrisation des nuages). Certains corps peuvent s électriser par frottement. Un corps électrisé est un corps qui porte une charge électrique (totale) non-nulle. Un corps peut être chargé positivement ou négativement. Des corps électrisés de même manière se repoussent alors que s ils sont électrisés de manière opposés ils s attirent. A nos jours, grâce au modèle atomique, on peut expliquer ce phénomène, ou celui d obtention des charges positives ou négatives, très facilement : Lors de l électrisation par frottement, des électrons sont arrachés. Donc l électrisation est simplement un transfert d électron d un corps vers l autre. Un corps positivement chargé est déficitaire en électrons (plus de proton qu électron). Un corps négativement chargé possède un excès d électrons DEFINITION : un corps est isolant (=insulator) si aucun de ses électrons ne peut s y déplacer sur des distances supérieures aux dimensions atomiques (e.g. verre, PVC, plastiques, ) Un corps est conducteurs si certains électrons (mais pas tout) peuvent se déplacer librement dans le solide (e.g. métaux, graphite, ) 3
Dans les métaux les porteurs de charge (=charge carriers) sont des électrons libres, tandis que dans les solutions conductrices (e.g. eau salée, ) ce sont les ions qui jouent ce rôle. C est Charles Augustin de Coulomb (1736 1806) qui propose la théorie actuelle de cette interaction entre deux corps chargés, en la basant sur la théorie newtonienne de gravitation. ENONCE : LOI DE COULOMB L interaction entre deux corps ponctuels et portant des charges et est représentés par deux vecteurs forces (=force vectors): { [ ] ( ) avec {[ ] ( ) [ ] ( ) Le est une constante de nature qui dépend du milieu et des unités, mais en SI et dans le vide : NB : Malgré la similitude entre la loi de coulomb et la loi the newton (gravitation), il y a deux différence fondamentales entre ces deux interaction : i. La force gravitationnelle n est que attractive, alors que la force de coulomb peut être attractive ou répulsive (constatez le signe (-) devant la deuxième équation, ainsi que les charges peuvent être négatives ou positives, tandis que la masse est toujours positive ) ii. Les ordres de grandeur de k et de G sont très différents (différence de 20 ordres de grandeurs!), d où la faiblesse de gravitation sauf pour les objets extrêmement massifs. 4
EX. 2 Comparer (i.e. trouver le rapport entre) la force gravitationnelle et électrique entre deux corps ponctuels, de masses égales à, portant chacun une charge de, situés à une distance de. Interaction Forte Considérons le noyau d un atome. Il se constitue des protons et des neutrons. Quelles sont les forces miseen-jeu? A priori, on peut en identifier au moins deux : Gravitation : force attractive Electromagnétisme : Forces attractive et répulsive Un calcul simple montre les effets de ces deux types de force. EX. 4 En 1817, ARFVEDSON identifia le lithium en tant que métal alcalin. 1. Calculer la valeur de la force d interaction gravitationnelle qui s exerce entre deux protons de masse éloignés de la distance. 2. Calculer la valeur de la force d interaction électrique qui s exerce entre deux protons de charge éloignés de la distance. 3. Schématiser la situation, et justifier de la nécessité d un troisième type d interaction pour expliquer la stabilité du noyau de lithium. Données : 5
On voit bien qu en prenant seulement ces deux forces, la force dominante est une force de répulsion, alors que le noyau est un édifice stable et cohérent. Cela nous indique la présence d une autre interaction plus puissante que l électromagnétisme à cette échelle - qui empêche la désintégration du noyau. En effet, cette interaction est la fameuse interaction forte! Caractéristiques de l interaction forte : Elle s exerce entre les nucléons (les protons et les neutrons, alors que les électrons sont insensible à cette force). Au contraire de l interaction gravitationnelle et électrique, l interaction forte augmente avec la distance. Elle est de très courte portée, de l ordre de (i.e. ordre de la taille du noyau) A l échelle du noyau, cette interaction est 100 et 1000 fois plus forte que l interaction électromagnétique. Au-delà de elle négligeable devant les autres interactions. NB : Il y a une Quatrième interaction fondamentale, l interaction faible(=weak force), qui est responsable de certaines formes de décroissance et désintégration nucléaire, que l on ne va pas étudier en 1 e S. Cohésion de la Matière A l échelle du noyau ( ) La cohésion de la matière à cette échelle est due à l interaction forte qui compense, largement, l électromagnétisme du aux charges électriques des protons. Lorsque les nombre de protons devient trop important, l interaction électrique peut s imposer sur l interaction forte. Alors, le noyau devient instable : c est le phénomène de radioactivité (que l on va étudier en terminale). A l échelle atomique ( ) Cette échelle est au-delà de la portée de la force forte, t donc c est l interaction électrique entre le noyau positivement chargé et le nuage d électrons, négativement chargée qui est responsable de la cohésion de l atome. A l échelle macroscopique ( ) C est encore l interaction électrique qui est le principal responsable de la cohésion de la matière, même si la gravitation se manifeste plus visiblement à cette échelle. A l échelle astronomique ( ) Vu que à cette échelle des distances sont très éloignées et les tailles plutôt énormes, la matière apparaît électriquement neutre, et donc, l interaction électrique est considérée pratiquement nulle. La cohésion de la matière (e.g. formation des étoiles, des galaxies, etc. ) est due à l interaction gravitationnelle. 6
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