Les interactions fondamentales

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Tests
En classe de seconde, nous avons étudié l'interaction gravitationnelle qui nous a permis d'expliquer le mouvement des planètes ou d'un projectile.
Que deviennent ces forces à notre échelle ? Quelles sont les forces qui expliquent la solidité d'un objet ou d'un atome ?
1. La structure de la matière
La matière est constituée d'atomes, de molécules et d'ions.
• Un atome est constitué d'un noyau autour duquel gravitent des électrons.
Le noyau est constitué de nucléons, c'est-à-dire de protons et de neutrons.
L'atome est électriquement neutre car il comporte autant de protons (qui portent chacun une charge élémentaire positive +e) que d' électrons (qui portent chacun une charge élémentaire négative −e).
Le numéro atomique, noté Z, est le nombre de protons contenus dans le noyau. Il est caractéristique de l'élément chimique.
Le nombre de masse, noté A, est le nombre de nucléons (neutrons + protons) contenus dans le noyau.
Le noyau est donc caractérisé par les nombres Z et A.
On le note sous la forme : {{}_Z^A {\mathrm{X}}} où X est le symbole de l'élément chimique.
On appelle isotopes des noyaux ayant même nombre de protons (même numéro atomique) mais des nombres de neutrons différents (nombres de masse différents). Les isotopes appartiennent donc au même élément chimique.
• Une molécule est un assemblage d'atomes liés entre eux par des liaisons covalentes ; cet ensemble est électriquement neutre.
• Un ion est un atome ou un groupe d'atomes électriquement chargé ; lorsque la charge est positive, il s'agit d'un cation, lorsque la charge est négative, il s'agit d'un anion.
Quelques grandeurs caractéristiques :
masse du proton : mp = 1,673 × 10−27 kg ;
masse du neutron : mn = 1,675 × 10−27 kg ;
masse de l'électron : me = 9,109 × 10−31 kg ;
donc mp \approx mn \approx 103 × me ;
charge électrique élémentaire : e = 1,602 × 10−19 C
rayon de l'atome \approx 10−10 m ;
rayon du noyau \approx 10−15 m ;
Test n°1Test n°2
2. Interactions et forces
On appelle interaction une action réciproque qui s'exerce entre les constituants de la matière.
On compte quatre interactions fondamentales : l'interaction gravitationnelle, l'interaction électrostatique, l'interaction forte et l'interaction faible.
Une interaction se traduit par l'existence de deux forces de valeurs égales, de même direction mais de sens opposés.
Ce qui s'écrit vectoriellement : {\vec F_{{\mathrm{A/B}}} = -\vec F_{{\mathrm{B/A}}} }, mais en norme : {F_{{\mathrm{A/B}}} = F_{{\mathrm{B/A}}} }.
Test n°3Test n°4
3. L'interaction gravitationnelle
Deux objets ponctuels A et B de masses mA et mB séparés par la distance AB s'attirent mutuellement.
Les caractéristiques de la force d'attraction gravitationnelle exercée par A sur B sont :
  • point d'application : B supposé ponctuel (pour un objet à répartition sphérique de masse, comme les planètes, le centre de l'objet) ;
  • direction : la droite (AB) ;
  • sens : de B vers A (attractif) ;
  • valeur : donnée par la loi de Newton {F_{{\mathrm{A/B}}} = F_{{\mathrm{B/A}}} = G \cdot \frac{{m_{\mathrm{A}} \cdot m_{\mathrm{B}} }}{{{\mathrm{AB}}^2 }}}, où G est la constante universelle de gravitation (G = 6,67 × 10−11 SI).
Test n°5Test n°6
4. L'interaction coulombienne
Par frottement, contact ou influence, un objet peut être électrisé (phénomène d'électrisation) c'est-à-dire se charger électriquement : s'il perd des électrons, il se charge positivement ; s'il gagne des électrons, il se charge négativement.
La charge électrique d'un objet est notée q. Son unité est le coulomb (C). Elle peut être positive ou négative.
Dans les corps conducteurs, des porteurs de charges circulent librement. Ce sont des électrons (dans les conducteurs métalliques) ou des ions (dans les solutions électrolytiques).
Dans les isolants, au contraires, les charges ne peuvent se déplacer (mais un matériau isolant peut être localement chargé).
Deux objets ponctuels A et B de charges qA et qB séparés par la distance AB exercent l'un sur l'autre une force attractive (si leurs charges sont de signes opposées) ou répulsive (si leurs charges sont de même signe).
Les caractéristiques de la force électrostatique exercée par A sur B sont :
  • point d'application : B ;
  • direction : la droite (AB) ;
  • sens : de B vers A (attractif) si qA \cdot qB < 0, ou de A vers B (répulsif) si qA \cdot qB > 0 ;
  • valeur : donnée par la loi de Coulomb {F_{{\mathrm{A/B}}} = F_{{\mathrm{B/A}}} = k \cdot \frac{{\left| {q_{\mathrm{A}} } \right| \cdot \left| {q_{\mathrm{B}} } \right| }}{{{\mathrm{AB}}^2 }}}, où k est une constante qui dépend du milieu (k \approx 9,0 × 109 SI dans le vide ou l'air).
Test n°7Test n°8
5. L'interaction nucléaire forte
Ni l'interaction gravitationnelle (trop faible) ni l'interaction électrostatique (répulsive) ne peuvent expliquer la cohésion du noyau atomique.
C'est en effet l'interaction nucléaire forte, une interaction attractive très intense mais de très courte portée (< 10−15 m) qui s'exerce entre les nucléons, qui assure la stabilité du noyau… jusqu'à Z = 92 tout du moins car ensuite les interactions électrostatiques répulsives l'emportent : le noyau est instable.
Test n°9
6. Cohésion de la matière
À l'échelle du noyau, la cohésion est assurée par l'interaction nucléaire forte.
À l'échelle de l'atome c'est l'interaction électrostatique noyau/électron qui assure la cohésion des édifices.
À l'échelle macroscopique (humaine) c'est encore l'interaction électrostatique qui est responsable de la cohésion de la matière et de ses propriétés (solidité d'un fil, fluidité de l'eau…).
Mais entre deux objets globalement neutres les interactions électrostatiques sont nulles ; c'est alors l'interaction gravitationnelle qui devient prépondérante. C'est elle qui assure la cohésion de la matière à l'échelle astronomique.
Test n°10
À retenir
• Les particules élémentaires qui constituent la matière sont le proton (chargé positivement), le neutron (neutre et de même masse que le proton) et l'électron (chargé négativement, environ 2 000 fois plus léger que les deux premiers).
• Les interactions qui assurent la cohésion de la matière sont :
  • l'interaction gravitationnelle liée aux masses (loi de Newton), attractive, à l'échelle astronomique ;
  • l'interaction électrostatique liée aux charges (loi de Coulomb), attractive ou répulsive, aux échelles macroscopique et atomique ;
  • l'interaction nucléaire forte, attractive, à l'échelle du noyau atomique.
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