Chapitre 1 Les Interactions Fondamentales

7/25/2019 Chapitre 1 Les Interactions Fondamentales

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1Chapitre 1

Interactions fondamentales

I- Introduction

La physique(du grec ) est tymologiquement la science de la Nature. Son champ est nanmoins plus

restreint : elle dcrit de faon la fois quantitative et conceptuelle les composants fondamentauxde l'univers, lesforcesqui s'y exercent et leurs effets.

Elle dveloppe des thories en utilisant l'outil des mathmatiques pour dcrire et prvoir l'volution d'un systme.Cette science n'accepte comme rsultat que ce qui est mesurable et reproductible par exprience. Celle-ci permet de

valider ou d'infirmer une thorie donne.http://fr.wikipedia.org/wiki/Physique

II- Les particules lmentaires

1- Caractristiques des particules lmentaires

La diversit de la matire : noyaux, atomes et molcules, phases condenses ou gazeuses, organismes vivants,systmes astronomiques, rsulte de larrangement de trois briques de base, protons, neutrons et lectrons,

considres comme particules lmentaires (cette notion est videmment lie l'tat des connaissances actuelles).

Particule Masse (kg) Charge (unit : Coulomb; symbole C)

lectron me= 9,109.10-31

qe= - e = -1,602.10-19

proton mp= 1,673.10-27 qp= e = 1,602.10

-19

neutron mn= 1,675.10-27

0

- Les charges lectriques de l'lectron et du proton ont mme valeur e. Cette valeur e commune est appele charge

lectrique lmentaire.

2- L'atome et le noyau

L'atome est constitu d'un noyau de nuclons et d'un nuage d'lectrons.

Le noyau est donc chargpositivementet le nuage lectronique chargngativement.

Latome est lectriquement neutre(ou de charge nulle) car il possdeautant de protons que d'lectrons.La masse du noyau reprsente la quasi totalit de la masse de latome :

8001

lectronl'demasse

nuclonund'masse

L'espace occup par un atome peut tre assimil une sphre. Le diamtre de cette sphre est d'environ10

-10m. Le noyau peut lui aussi tre assimil une sphre place au centre de la prcdente le diamtre du noyau est

d'environ 10-15m.

A retenir lordre de grandeur du rapport des masses du nuclon et de llectron. Lordre de grandeur dudiamtre dun atome et dun noyau.


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2III-Mise en vidence des diffrents types dinteraction1- Rpartition de la matire dans lunivers

Simulation informatique du systme solaire.

Le calcul prcis des trajectoires des plantes autour du soleil a montrla puissance de la thorie de Newton.

Les neuf plantes du systme solaire se dplacent sur des trajectoireselliptiques (proches de cercles). Toutes ces ellipses sont pratiquementdans le mme plan, lexception de celle de Pluton, la plante la plusloigne du soleil.

CNRS Photothque

A quelle type dinteraction sont soumises ces plantes ? Soumises linteraction gravitationnelle

Avec quel astre interagissent-elles ? Le Soleil

2- Cohsion dans la matire

Exemple 1: molcules deau et de mthane

Dcrire chacune des molcules ; partir de ces descriptions donner une dfinition dune molcule. Leau est

compose de 2 atomes dhydrogne et dun atome doxygne. Pour le mthane on a 4 atomes dhydrogne et

atome de carbone. Une molcule est un assemblage d'atomes

Quel type dinteraction intervient dans la cohsion des atomes au sein dune molcule ? Interaction de type

coulombienne (lectrostatique)

Exemple 2: Le calcite (carbonate de calcium CaCO3)

De quels types dions est form le cristal ? Ion calcium Ca2+

et lion carbonate CO32-

Comment ces cristaux sont-ils organiss au sein de la matire ? Ils sont alterns

Quel type dinteraction assure cette cohsion ? Interaction de type lectrostatique(ou ionique)

Dgager de ltude ci-dessus une dfinition dun cristal ionique. Un solide ionique est un solide compos d'ions

dans un solide ionique cristallin (cristal ionique), les anions et les cations sont disposs de faon ordonne dans

l'espace.

Exemple 3 :Lvitation d'une statuette, du sculpteur TanguyCette statue contient des aimants permanents au dessus d'un lit de supraconducteurs, refroidis la temprature del'azote liquide (-196C). Un aimant plac au voisinage dun supraconducteur induit des courants la surface dusupraconducteur. Ces courants induisent (crent) eux-mmes un champ magntique oppos au premier do cephnomne de lvitation (effet Meissner).Quel type dinteraction est ici mise en vidence ?Interaction lectromagntique

Daprs le texte, quelle est lorigine des phnomnes magntiques ? Justifier le terme dinteraction

lectromagntique ? A des courants induits ; linteraction lectromagntique signifiel'tude des phnomnes

lectriques et magntiques


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33- Cohsion de la matire dans les noyaux des atomes

Cette image stroscopique montre les interactions entrequarks, anti-quarks et gluons et les fluctuations quantiques du

vide.

Les composants du noyau de latome, protons et neutrons, ne sont

pas des particules lmentaires. Les nuclons sont constitus dequarks, soumis linteraction fortepar lintermdiaire des gluons.Linteraction forte permet la cohsion des noyaux atomiques enliant les protons et les neutrons entre eux au sein de ce noyau. Si

cette interaction n'existait pas, les noyaux ne pourraient pas trestables et seraient dissocis sous l'effet de la rpulsion

lectrostatique des protons entre eux.CNRS Photothque

IV- Comparaison des diffrentes interactions :

Document Nostalgie de la lumire, Michel Cass, 1987 :

Les forces, en apparence, sont au nombre de quatre : forte, faible, lectromagntique et gravitationnelle.Lintensit dune interaction donne peut tre caractrise par un nombre, une constante universelle quimesure le taux auquel procdent les transformations induites par ladite interaction. Les quatre forces sont

spcifiques, hirarchises en porte et en intensit, mais non exclusives.

Linteraction forte domine en intensit toutes les autres, dont linteraction lectromagntique (do son nom),laquelle surpasse linteraction faible, qui elle-mme laisse trs loin derrire la minuscule force de gravitation.

Pourtant, il ne faut pas sy mprendre, cette hirarchie microscopique ne reflte en rien linfluence des forces grande chelle. La gravitation est sans conteste la force dominante lchelle cosmique, parce quelle nestcontrebalance par aucune antigravitation, et que son intensit, bien que dclinante, sexerce sans limite de

distance.Les interactions forte et faible, de par leur porte minuscule, se sont fait un royaume du noyau de latome.

Quant linteraction lectromagntique, bien que de porte illimite, elle ne saurait gouverner le vasteCosmos car les grandes structures sont inactives du point de vue de llectricit. En effet, les chargeslectriques plus et moins, en nombre gal, partout se neutralisent. Ce nest pas pour autant une entit

ngligeable : la force lectromagntique a pris possession du vaste domaine laiss vacant entre latome etltoile, qui inclut le minral, lanimal, le vgtal et lhomme.

Questions :a. Complter le tableau en utilisant les informations du texte.

Interaction Porte Intensit Effet Champ daction

forte 10-15

m 1 attractif Noyau - atome

lectromagntique infinie 10-2

Attractif ou rpulsifentre latome et notre

chelle

gravitationnelle infinie 10-40

attractif Cosmos

b. A quoi sert la 2mecolonne du tableau ? Expliquer lattribution des valeurs y figurant ? A savoir quand

une interaction peut tre nglige devant une autre, connatre son champ daction.

c. Expliquer pourquoi deux protons dun mme noyau ne se repoussent pas. On rappelle que la taille du

noyau dun atome est de lordre de grandeur de 10-15m ? Car ils sont maintenus par linteraction forte.

d. Deux seulement de ces interactions fondamentales interviennent notre chelle : pourquoi ? Car elles

onts une prote infinie. Linteraction forte tant inexistant notre chelle.

Pourquoi une seule nous est-elle vraiment familire ? Car on la subie tous les jours.


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4La cohsion de la matire est assure par :- linteraction gravitationnelle lchelle astronomique,- linteraction lectromagntique lchelle des atomes, des molcules et de la matire notre chelle,

- linteraction forte lchelle du noyau.

V- Comment modliser une interaction ?

Document (suite) :

Dans la conception contemporaine, il faut entendre par force non seulement ce qui pousse, qui tire ou modifiele mouvement, mais aussi tout ce qui incite au changement, la mtamorphose. La force, ou mieux

linteraction, dans lacception physicienne, se dfinit donc comme lagent unique de la transformation.

Questions :

a. Extraire du texte une dfinition de la notion de force.Quel outil mathmatique peut-on utiliser pour modliser une force ? Vecteur

b. Combien de forces interviennent dans linteraction entre deux objets A et B ? Que pensez-vous de ces

forces ? 2, elles sont opposes, de mme natureEn utilisant les forces ( dfinir ; qui agit sur qui ?), faire les schmas correspondant une interaction de type attractive entre A et B une intercation de type rpulsive entre A et B


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VI- Interactions lectrostatiques et gravitationnelles :

Interaction gravitationnelle

La masse :

La masse dun corps traduit la quantit de matire que contient ce corps.On peut aussi la dfinir comme un coefficient, caractristique de chaque

particule, qui dtermine le comportement de la particule quand elle interagit avecdautres particules

La masse se mesure en kilogramme (kg)

Loi de la gravitation :

Dans le vide, deux corps A et B, spares par une distance r = AB et de massesrespectives mAet mB, sont soumises deux forces directement opposes, dont lintensit

est proportionnelle au produit des masses et inversement proportionnelle au carr de ladistance qui spare ces masses.

Expression de lintensit des forces :

2

.

r

mmGFF

BA

BABA == avec G= 6,61.10-11SI.

Linterac

Charge lectrique :

La charge lectrique est un coedtermine lintensit de ses intparticules.

Il existe deux types de chargesdinteraction: les charges positdeux charges de mme signe e

La charge se mesure en Coulo

La charge lmentaire e est la particule. Sa valeur est e=+/-1

Toute autre charge lectrique e

Loi de Coulomb :

Dans le vide, deux particules A et B, srespectivement les charges qAet qB, so

dont lintensit est proportionnelle au pau carr de la distance qui spare ces c

Si qAet qBde signes opposs :

Si qAet qBde mme signe :

Expression de lintensit des forces :

KFF BABA ==

A BF

A

ABF

A B

ABF BAF


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6Applications :

1. Comparaison :a. Calculer linteraction gravitationnelle entre le Soleil (MS=1,989.10

30kg) et Jupiter (MJ=1,899.1027kg)

sachant que la distance qui les spare est en moyenne d=815,7.106km.

b. On considre que le Soleil et Jupiter portent deux charges opposes de mme valeur absolue. Quelledevrait tre cette charge pour obtenir une interaction lectrique de mme valeur que linteractiongravitationnelle prcdente ?

c. Combien dlectrons aurait-il fallu arracher ou dposer pour crer cette charge ?Comparer ce nombre aux nombres datomes de la Terre, valu 1050.

2. Cohsion dune molcule :La molcule de bromure dhydrogne (HBr) est polarise. Latome de brome attirant plus fortement les

lectrons de valence que latome dhydrogne, tout se passe comme si latome de brome possdait une charge -

centre sur son noyau et latome dhydrogne une charge +centre sur son noyau.On sait mesurer la distance entre les deux noyaux ainsi que la force qui lie les deux atomes lun lautre : pour

cette molcule d=110pm et F=4,25.10-10

N.

a. Calculer la valeur de . Comparer la valeur de e (1,6.10-19C). Le rsultat est-il possible ? Commentpeut-on l expliquer ?

b. Calculer la valeur de la force dinteraction gravitationnelle entre les deux atomes (on donne :

mH=1,67.10-27

kg et mBr=1,34.10-26

kg)La comparer la valeur de la force lectrique. Conclure.

c. Quelles sont les diffrentes interactions existant entre les nuclons ?Le rayon de latome de brome tant de 5,7fm, calculer la valeur de linteraction lectrique entre deux

protons spars de cette distance. Donner lordre de grandeur de linteraction forte qui est responsablede la cohsion du noyau.

VII- Linteraction lectrostatique et llectrisationLlectrisation consiste faire apparatre sur un corps :

un excs d'lectrons, le corps se charge ngativement un dfaut d'lectrons, le corps se charge positivement

On peut lectriser deux corps par frottement.Exemple Le PVC arrache des lectrons de la laine. Le PVC se charge ngativement et la laine se charge

positivement. Le frottement fait passer des lectrons dun corps lautre.

On peut lectriser un corps par contact.

Exemple Le PVC lectris prcdemment touche une boule daluminium. Lors du contact des lectrons passentsur la boule.

On peut lectriser un corps par dplacement interne de charges.

Exemple Le PVC lectris prcdemment sapproche, sans la toucher, dune boule daluminium. La boule estattire. La distribution des charges dans le mtal est localement distordue.

Dans un conducteur, des porteurs de charge(s) (des lectrons dans les mtaux, des ions dans les solutions) peuventse dplacer dans tout lchantillon alors que dans un isolant leurs dplacements sont infrieurs la taille atomique.

+

+

+

PVCbouleF

boulePVCF

- -

-

-

--

-

--

--

zone frotte

-


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VIII- Interaction forte

Tous les atomes dun mme lment sont-ils identiques ?Non ! Nous savons aujourdhui quil existe en fait plusieurs

types datomes de chaque lment.Un type datome est dfini grce la composition de sonnoyau caractris par son numro atomique Z et sonnombre de masse (nombre de nuclons) A.Un couple identique de valeurs (Z , A) correspond un seul

nuclide. Deux nuclides qui possdent le mme numroatomique Z, mais des nombres de nuclons diffrents, sont

isotopes. On connat environ 1500 nuclides diffrents.Parmi ces nuclides, 280 sont stables, cest dire quilsperdurent indfiniment.Les autres nuclides ne sont pas stables : ils se dsintgrenten mettant des particules, souvent trs dangereuses pourles tres vivants (phnomnes de radioactivit).Le diagramme ci-contre, reprsentant N=f(Z) et faisant

apparatre la valle de stabilit , montre que les lmentsstables dont le numro atomique est infrieur 30 sontgroups autour de la droite dquation N=Z. Ces noyauxcontiennent donc autant de neutrons que de protons.Pour les noyaux plus massifs, le nombre de neutronsdpasse le nombre de protons. Dans les trs gros noyaux

stables, il y a jusqu trois fois plus de neutrons que deprotons.

Lorsque le numro atomique devient important, ( partir deZ=92), la rpulsion lectromagntique finit par lemportersur linteraction forte. Ainsi, le tableau priodique des lments naturels sarrte luranium.

1. O les noyaux instables sont-ils situs dans le diagramme ?2. Quelles sont, aux vues du diagramme, les causes de non-stabilit de ces noyaux ?3. Comment les noyaux instables peuvent-ils voluer pour se rapprocher de la valle de la stabilit4. Ces volutions sont la base de la radioactivit naturelle. Rechercher les trois principaux types de

radioactivit naturelle.

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Chapitre 1 Les Interactions Fondamentales