CHAPITRE 1 : LES INTERACTIONS FONDAMENTALES

I. LES CONSTITUANTS DE LA MATIERE :

La matière résulte de l’assemblage de trois particules élémentaires : les protons, les neutrons et les électrons.

• Masse : m_n » m_p » 1,67.10^-27 kg

m_e » 9,1.10^-31 kg

m_n/m_e = 1835 » 1800

La masse de l’électron est 1800 fois plus faible que celle du neutron ou du proton.

• Charge : q_n = 0 C

q_p = -q_e = e (charge élémentaire = 1,6.10^-19 C)

Dans la matière qui nous entoure, les protons, les neutrons et les électrons sont généralement organisés en atomes qui peuvent s’assembler en molécules ou donner des ions.

• Le noyau atomique : il est constitué de protons et de neutrons qui portent le nom de nucléons. Le nombre de protons ou numéro atomique (Z) permet de caractériser un élément chimique. L’essentiel de la masse d’un atome est concentré dans son noyau. C’est pour cette raison, que le nombre de nucléons (A) est aussi appelé nombre de masse.
• Le nuage électronique : les électrons ont un mouvement désordonné autour du noyau. Il y a autant d’électrons que de protons, l’atome est électriquement neutre.
• Taille et structure : la taille d’un atome a un ordre de grandeur de 10^-10 m. C’est 100 000 fois supérieur à la taille du noyau (10^-15 m) . Si on représente le noyau par une balle de 10 cm de diamètre, l’atome occuperait une sphère de 10 km de rayon.

L’atome est essentiellement constitué de vide, on dit qu’il a une structure lacunaire.

II. L’INTERACTION GRAVITATIONNELLE :

Loi de Newton : (1687) (vidéo)

Deux corps ponctuels A et B, de masse m_A et m_B, séparés par une distance d exercent l’un sur l’autre des forces attractives :

- de direction : la droite reliant les deux masses,

- de sens opposés,

- de même valeur :

avec G = 6,67.10^-11 S.I.(constante de Cavendish)

Avec F en Newton (N) ; m en kilogramme (kg) et d en mètre (m)

On a :

et F_A/B = F_B/A = F

La portée de l’interaction gravitationnelle est infinie mais son intensité diminue rapidement avec la distance.

Remarque : Cette loi s’applique aussi aux objets non ponctuels à condition qu’ils soient à répartition sphérique de masse, comme les étoiles, les planètes et les noyaux des atomes. Dans ce cas, tout se passe comme si la masse des corps était concentrée en leur centre.

I. L’INTERACTION ELECTRIQUE :

Phénomène d’électrisation :

Les phénomènes d’électrisation sont fréquents dans la vie quotidienne : attraction entre cheveux propres et brosse en plastique, picotements ressentis lorsqu’on approche la main d’un écran de télévision sous tension….

Les deux types de charges électriques :

Expérience et observations :

• Une baguette de verre chargée

repousse une autre baguette de verre

chargée.

• De même, une baguette d’ébonite

chargée attire une baguette de verre

chargée.

Conclusion :

Des corps électrisés peuvent s’attirer ou se repousser. On admet l’existence de deux sortes de charges électriques : les charges positives et les charges négatives.

Deux corps portant des charges électriques de même signe se repoussent. Deux corps portant des charges électriques de signes contraires s’attirent.

L’interaction électrique est une interaction attractive ou répulsive s’exerçant entre des objets possédant une charge électrique.

Remarque : Par convention, le verre (ou plexiglas) frotté avec de la laine porte une charge électrique positive ( électricité vitrée) et l’ébonite (ou PVC) frotté avec de la fourrure porte une charge électrique négative (électricité résineuse).

Interprétation microscopique :

La matière est constituée d’atomes, électriquement neutres. Par frottement avec le morceau de laine, des électrons sont arrachés de la surface du verre et passent sur la laine. Le verre électriquement neutre avant l’expérience présente alors un défaut d’électron : sa charge électrique devient positive : on parle d’électrisation par frottement.

L’électrisation est un transfert d’électrons d’un corps vers un autre qui consiste à faire apparaître sur un corps soit un excès soit un défaut d’électrons.

Charge électrique d’un objet et charge élémentaire :

La charge électrique q est un multiple de la charge élémentaire.

Elle s’exprime en Coulomb (C) q = ne avec n entier positif ou négatif

Autres modes d’électrisation :

Ci-dessus, une baguette d’ébonite chargée négativement attire le pendule, puis le repousse car celui-ci est électrisé à son contact.

· Avant le contact : électrisation par influence . Sous l’influence des charges de la baguette, les électrons sont repoussés d’un côté de la boule. Il se crée une dissymétrie dans la répartition des électrons qui permet une attraction, alors que la boule est globalement neutre : on parle d’électrisation par influence.

· Lors du contact, la baguette cède des électrons à la boule : : on parle d’électrisation par contact.

· Après le contact : La boule est électrisée et porte une charge de même signe que la baguette : elle est donc repoussée.

Autre exemple ci contre : : l’électroscope :Les feuilles chargées par influence Se repoussent.

Loi de Coulomb (vidéo):

Deux corps ponctuels A et B, de charges q_A et q_B, et séparés par une distance d, exercent l’un sur l’autre des forces :

- de direction : la droite reliant les deux charges,

- de sens opposés,

- de même valeur :

avec k = 9.10⁹ S.I. dans l’air ou le vide

Avec F en Newton (N) ; q_A et q_B, en coulomb (C) et d en mètre (m)

Remarque : L’interaction gravitationnelle a une intensité beaucoup plus faible que l’interaction électrique.

Ces forces sont :

- attractives si les charges sont de signes contraires (vidéo).

- Répulsives si les charges sont de même signe (vidéo).

Conducteurs et isolants :

Dans un conducteur(métal), certains porteurs de charges sont mobiles. Au contraire, dans un isolant, les porteurs de charges ne sont pas libre de se déplacer.

Ex : verre, PVC, matières plastiques, bois…

La conduction électrique des liquides est due à un déplacement d’ions :

ces solutions sont appelées électrolytes. Les cations se déplacent vers l’électrode reliée à la borne négative. (voir expérience de migration des ions dans un tube en U)

II. L’INTERACTION FORTE :

L’interaction forte est une interaction attractive, très intense et d’une portée très faible (10^-15m) s’exerçant entre les nucléons présents dans les noyaux atomiques.

Cette interaction permet la cohésion des noyaux atomiques en liant les protons et les neutrons entre eux, au sein du noyau.

III. DOMAINE DE PREDOMINANCE DES INTERACTIONS :

• A l’échelle des noyaux atomiques, les trois interaction coexistent mais la force d’interaction électrique est 10³⁶ fois plus grande que la force d’interaction gravitationnelle (le noyau devrait donc exploser) or l’interaction forte est 100 à 1000 fois plus intense que l’interaction électrique, c’est donc elle qui prédomine et qui est à l’origine de la cohésion du noyau.
• Aux échelles atomiques et humaines, l’interaction électrique entre le proton et l’électron d’un atome d’hydrogène est 10⁴⁰ fois plus intense que l’interaction gravitationnelle, c’est donc elle qui prédomine et assure la cohésion de la matière y compris la matière vivante.
• A l’échelle astronomique, la matière est globalement neutre et les masses mises en jeu sont considérables, c’est donc l’interaction gravitationnelle qui prédomine et qui assure la cohésion de la matière à l’échelle de l’Univers.