Première-Physique-chap 1 :
Les interactions fondamentales

Rappel : Les particules élémentaires :

• Citez le nom des trois particules élémentaires :

  Les trois particules élémentaires sont le proton, le neutron et l'électron.

• Peut-on rassembler deux d'entre elles sous un même nom ?
  

  Le proton et le neutron sont des nucléons : ils sont situés dans le noyau de l'atome.

• Quelle est la masse de chacune d'entre elles ?
  

  m_proton = m_neutron = 1.67*10^-27 kg
  m_électron = 9.31*10^-31 kg

• Quelle est la charge de chacune d'entre elles ?
  

  q_proton = - q_électron = e = 1.6*10^-19 C (Coulomb)
  e est appelé charge élémentaire car c'est la plus petite charge électrique qui existe.
  q_neutron = 0 C
  

Rappel : Les caractéristiques du noyau :

• Où sont situées les particules élémentaires citées précédemment à l'intérieur de l'atome ?

  Les protons et les neutrons sont des nucléons donc situés dans le noyau de l'atome.
  Les électrons constituent le cortège électronique situé tout autour du noyau de l'atome.
  

• Par quels nombres caractérise-t-on un atome ?
  

  On utilise le numéro atomique Z, nombre de protons dans le noyau de l'atome.
  On utilise le nombre de masse A, nombre de nucléons dans le noyau de l'atome.
  Comme l'atome est électriquement neutre, s'il y a Z protons dans le noyau de l'atome, l'atome possède Z électrons dans son cortège électronique.
  

• Donnez les ordres de grandeurs de la dimension d'un atome et de la dimension de son noyau :
  

  d_atome = 10^-10 m
  d_noyau = 10^-15 m
  

• D'après les masses des particules élémentaires, où est située la majorité de la masse de l'atome ?
  

  La masse est concentrée dans le noyau de l'atome car m_électron << m_nucléon
  (<< = très inférieur = négligeable par rapport à).

1^ère interaction fondamentale : l'intéraction gravitationnelle (loi de Newton) :

Deux corps sphériques et homogènes A (masse m₁) et B (masse m₂) dont les centres O₁ et O₂ sont distants de d exercent l’un sur l’autre des forces attractives de même droite support (O₁O₂) et de même valeur.

• Donnez l'expression littérale de la formule permettant de calculer la valeur de ces forces (F_A/B = F_B/A) :
  

• Faites un schéma représentant les deux corps en attraction et les forces gravitationnelles qui s'exercent sur eux :
  

• Application numérique : quelle est la valeur de la force de gravitation qui s’exerce entre la terre et la lune ? On donne : M_T = 5.97*10²⁴ kg ; M_L = 7.53*10²² kg et d = 3.84*10⁵ Km.
  

2^ème interaction fondamentale : l'interaction électromagnétique :

Les phénomènes d'électrisation :

• Que se passe-t-il lorsque l'on frotte une tige de verre avec un morceau de laine :
  

  La laine arrache des électrons à la tige de verre : la tige se retrouve chargée positivement à cause d'un défaut d'électrons, alors que la laine se retrouve chargée positivement à cause d'un excès d'électrons.

• Décrivez les cas d'attraction ou de répulsion qui se produisent lorsque l'on approche deux charges électriques l'une de l'autre :
  

  Si les deux charges sont de même signe, alors il y a répulsion.
  Si le deux charges sont de signes contraires, alors il y a attraction.

• Lorsque l'on approche une règle en plastique frottée (avec de la laine par exemple) près d'un petit morceau de papier, on constate que la règle attire le papier. On parle alors de phénomène de polarisation : Pouvez-vous expliquer celui-ci ?
  

  La règle, par exemple chargée négativement, va polariser le morceau de papier, c'est à dire créé un déplacement de charge :
  
  Les charges négatives du morceau de papier sont repoussées par la règle, donc à l'endroit où ces charges étaient, il y a un défaut de charge négative et cet endroit est chargé positivement.
  
  Ainsi il y a attraction entre la règle, chargée négativement, et le "bout" du papier chargé positivement (du fait de la distance entre les charges, l'attraction l'emporte sur la répulsion).

• Charge électrique d'un objet :
  Quand peut-on dire qu'un objet est électriquement chargé ?
  Comment note-t-on cette charge, quelle est son unité, et quelle condition présente-t-elle ?
  

  Un objet est chargé électriquement lorsqu'il possède un excès d'électron (il est alors chargé négativement) ou un défaut d'électrons (il est chargé positivement).
  
  La charge électrique d'un objet est notée q et s'exprime en Coulomb (C). La charge électrique est forcément un multiple de la charge élémentaire e, puisque ce sont des électrons qui sont en excès ou en défaut.

La loi de Coulomb :

• Cette loi ressemble beaucoup à la loi de Newton de la gravitation. Essayez d'écrire la loi :
  

  Deux objets quasi-ponctuels A (portant la charge électrique q_A) et B (de charge q_B) distants de d, exercent l’un sur l’autre des forces F_A/B et F_B/A de même droite de support (AB) et de même valeur F.
  

  

• Plusieurs cas donc plusieurs schémas des forces sur les charges peuvent se présentaient selon le signe de ces charges. Répertoriez et dessinez les différents cas :
  

  Si q_A et q_B sont de même signe, les forces sont répulsives, si q_A et q_B sont de signes contraires, les forces sont attractives.

  

La conduction de l'électricité :

• Il existe deux comportements différents des corps vis à vis de l'électricté, quels sont-ils ?
  

  Soit un corps conduit le courant et il est conducteur, soit il ne laisse pas passer le courant et il est appelé isolant.

• Comment peut-on expliquer ses différents comportements ?
  

  Dans un conducteur, il existe des électrons peu liés au noyau des atomes qui constituent le corps, ce sont les électrons de conduction.
  Ils peuvent être animés d'un mouvement d'ensemble qui permet de passage du courant électrique.
  
  Dans un isolant, les électrons des atomes sont fortement liés au noyau et il n'y a pas de mouvement d'ensemble possible donc pas de conduction du courant.

• Dans un liquide, le courant électrique peut-il circuler ? Si oui, qui permet cela ? Comment appelle-t-on ces liquides ?
  

  Les liquides qui conduisent le courant sont des solutions appelées solutions électrolytiques ou électrolytes.
  Ce sont les ions qui en, se déplaçant, permettent le passage du courant.

3^ème interaction fondamentale : l'interaction forte :

• Justifiez son existence en considérant deux protons d'un noyau atomique et en répertoriant les interactions qui s'exercent entre eux :
  

  Entre ces deux protons s’exercent :
  Une interaction gravitationnelle, négligeable au niveau microscopique.
  Une force électrique répulsive d’un ordre de grandeur de 10² N.
  
  Si on compare cette force, à la force qui lie un électron à un proton dans l’atome d’hydrogène, on remarque que cette force répulsive est dix milliards de fois plus intense.
  
  En toute logique, le noyau d’un atome devrait donc exploser. D’où l’interaction forte !

• Donnez les caractéristiques de l'interaction forte :
  

  C’est une force attractive d’une valeur mille fois plus grande que la force répulsive calculée ci-dessus.
  Elle s’exerce indifféremment entre nucléons mais pas entre électron et nucléon.
  Sa portée n’excède pas la taille du noyau.

La cohésion de la matière :

Cohésion à l'échelle atomique et humaine :

• Laquelle des interactions fondamentales est responsable de cette cohésion ?
  

  C'est l'interaction électromagnétique.

• Citez quelques exemples concrets de cohésion où cette interaction intervient :
  

  Dans la liaison entre les électrons d’un atome et le noyau.
  Dans la cohésion entre les anions et les cations d’un solide ionique (exemple du sel).
  Dans la liaison chimique entre les atomes d’une même molécule.
  La matière vivante est aussi cohérente grâce à cette interaction.

Cohésion à l'échelle astronomique :

• Laquelle des interactions fondamentales est responsable de cette cohésion ?
  

  C'est l'interaction gravitationnelle.

Cohésion à l'échelle nucléaire :

• Laquelle des interactions fondamentales est responsable de cette cohésion ?
  

  C'est l'interaction forte.
  
  L'application principale de celle-ci à l'échelle humaine est la production d'énergie par réaction nucléaire : comme l'intensité de l'interaction forte est beaucoup plus grande que celle de l'interaction électromagnétique, on libère beaucoup plus d'énergie en cassant des noyaux d'atomes qu'en cassant des molécules.

Remarque :

Il existe une 4^ème intéraction fondamentale dont on ne parle pas ici :

Il s'agit de l'interaction faible, elle s'exerce, comme l'interaction forte, au niveau du noyau des atomes et est de très faible intensité.
Cette interaction concerne tout ce qu'on appelle les particules de matière : quarks, baryons (composés de quarks), mésons (composés de quarks, antiquarks et gluons), leptons (électron, positron, neutrino, muon ...).
Ce monde de particules est bien compliqué ... vous pouvez néanmoins en savoir un peu plus avec cette affiche.

Une manifestation courante de cette interaction est la radioactivité bêta.