Cours Phys 01 Les Interactions Fond Amen Tales

1 LES INTERACTIONS FONDAMENTALES....................................................................................................................... ........2 1.1 PARTICULES ÉLÉMENTAIRES.........................................................................................................................................................2 1.1.1 Les constituants de la matière : neutrons, protons, électrons.......................................................................................2 1.1.2 Charge élémentaire.......................................................................................................................................................2 1.1.3 Masses, charges et dimensions des particules élémentaires.........................................................................................2 1.1.4 L’atome.........................................................................................................................................................................2 1.2 INTERACTIONS FONDAMENTALES...................................................................................................................................................2 1.2.1 La masse et l’interaction gravitationnelle....................................................................................................................2 1.2.2 Les charges et l’interaction électrique..........................................................................................................................3 1.2.2.1 Loi de Coulomb..................................................................................................................................................................... .........3 1.2.2.2 La particule messagère de la force électromagnétique est le photon...........................................................................................3 1.2.2.3 L’électrisation................................................................................................................................................................. ................3

1.2.3 Les nucléons et l’interaction forte................................................................................................................................4 1.2.3.1 L'interaction forte est confinée à l'intérieur du noyau atomique................................................................................................. ..4 1.2.3.2 L'interaction forte agit entre quarks possédant une charge de couleur.........................................................................................4 1.2.3.3 L'interaction forte est l'interaction fondamentale la plus intense................................................................................................. .4 1.2.3.4 Les particules messagères de l'interaction forte sont les gluons...................................................................................................4

1.3 INTERACTIONS ET COHÉSION DE LA MATIÈRE...................................................................................................................................4 1.4 NOTATIONS, UNITÉS ET VALEURS...................................................................................................................................................4

1

1

Les interactions fondamentales

1.1

Particules élémentaires

1.1.1

Les constituants de la matière : neutrons, protons, électrons

La diversité de la matière : noyaux, atomes et molécules, phases condensées ou gazeuses, organismes vivants, systèmes astronomiques, résulte de l’arrangement de trois « briques » de base, protons, neutrons et électrons, considérées comme particules élémentaires. 1.1.2

Charge élémentaire

Une charge électrique est une grandeur algébrique (avec un signe) qui se mesure en Coulomb (symbole C). L'électron porte une charge électrique - e = - 1,6 .10 -19 C. La charge, la plus petite connue, est appelée charge élémentaire et notée e. Toute charge électrique q est un multiple de la charge élémentaire : q = n .e 1.1.3

avec n entier positif ou négatif.

Masses, charges et dimensions des particules élémentaires Nom Electron Proton Neutron

A retenir

Charge -e +e 0

Masse 9 .10 -31 kg 1,673 .10 -27 kg 1,675 .10 -27 kg

Dimension 5,6.10 -15 m 2,4.10 -15 m 2,4.10 -15 m

les valeurs des cases grisées.

Le proton et le neutron appartiennent à la famille des nucléons. 1.1.4

L’atome

L'atome est constitué d'un noyau de nucléons et d'un nuage d'électrons. Le noyau est donc chargé positivement et le nuage électronique chargé négativement. L’atome est électriquement neutre (ou de charge nulle) car il possède autant de protons que d'électrons. La masse du noyau représente la quasi totalité de la masse de l’atome : masse d' un nucléon ≅ 1 800 masse de l' électron L'espace occupé par un atome peut être assimilé une sphère. Le diamètre de cette sphère est d'environ 10 -10 m. Le noyau peut lui aussi être assimilé une sphère placée au centre de la précédente le diamètre du noyau est d'environ 10 -15 m. A retenir 1.2

l’ordre de grandeur du rapport des masses du nucléon et de l’électron. L’ordre de grandeur du diamètre d’un atome et d’un noyau.

Interactions fondamentales

La cohésion de la matière est assurée par trois interactions fondamentales : 

l’interaction forte à l’échelle du noyau.



l’interaction électromagnétique à l’échelle des atomes, des molécules et de la matière à notre échelle.



l’interaction gravitationnelle à l’échelle astronomique.

1.2.1

La masse et l’interaction gravitationnelle

Loi de Newton Deux corps ponctuels, de masse mA et mB, séparés d'une distance d, exercent l'un sur l'autre des forces   attractives FA →B et FB→A , de même direction, de sens opposés et de même valeur : 2

m A .m B d2

FA →B = FB→A = G

A 1.2.2

 FB → A

 FA → B

B

Les charges et l’interaction électrique

1.2.2.1 Loi de Coulomb Deux charges ponctuelles qA et qB, placées dans le vide ou dans l'air, séparées d’une distance d, exercent   l'une sur l'autre des forces FA →B et FB→A , de même direction, de sens opposés et de même valeur : q A .q B

FA →B = FB→A = k

d2

Ces forces sont attractives si les charges sont de signes contraires et répulsives si les charges sont de même signe.   FB → A FA → B signe(qA) ≠ signe(qB) A B signe(qA) = signe(qB)

1.2.2.2

B  FA → B

 FB → A

La particule messagère de la force électromagnétique est le photon

Les photons peuvent être absorbés ou bien émis par n'importe quelle particule chargée. Les photons ont une masse et une charge nulle. La portée de la force électromagnétique est infinie. En fonction de leur énergie, les photons sont appelés rayons γ, UV, lumière, IR, micro-ondes, ondes radio, ... 1.2.2.3 L’électrisation L’électrisation consiste à faire apparaître sur un corps :  

un excès d'électrons, le corps se charge négativement un défaut d'électrons, le corps se charge positivement

On peut électriser deux corps par frottement. Exemple

Le PVC arrache des électrons de la laine. Le PVC se charge négativement et la laine se charge positivement. Le frottement fait passer des électrons d’un corps à l’autre.

On peut électriser un corps par contact. Exemple

Le PVC électrisé précédemment touche une boule d’aluminium. Lors du contact des électrons passent sur la boule.

On peut électriser un corps par déplacement interne de charges. Exemple

Le PVC électrisé précédemment s’approche, sans la toucher, d’une boule d’aluminium. La boule est attirée. La distribution des charges dans le métal est localement distordue.

-

 FPVC→ boule

+ -

+ +

zone frottée -

 Fboule→PVC

3

-

-

-

-

Dans un conducteur, des porteurs de charge(s) (des électrons dans les métaux, des ions dans les solutions) peuvent se déplacer dans tout l’échantillon alors que dans un isolant leurs déplacements sont inférieurs à la taille atomique. 1.2.3

Les nucléons et l’interaction forte

1.2.3.1 L'interaction forte est confinée à l'intérieur du noyau atomique Elle s'applique uniquement aux quarks ou entre particules composées de quarks (les hadrons : protons, neutrons, pions …). Les électrons, neutrinos ou photons, qui ne sont pas des quarks, sont insensibles à cette interaction. 1.2.3.2 L'interaction forte agit entre quarks possédant une charge de couleur Chaque type de quark peut exister sous trois charges de couleur. Cette charge de couleur joue le rôle de la charge électrique dans le cas des interactions électromagnétiques. 1.2.3.3 L'interaction forte est l'interaction fondamentale la plus intense Ses effets restent confinés dans des volumes très petits comme les noyaux d’un atome. Deux quarks situés dans deux nucléons différents du noyau d’un atome sont suffisamment proches pour voir leurs charges de couleurs interagir. Elle permet ainsi de contrer la répulsion électrostatique entre protons à l'intérieur du noyau d’un atome. Lorsque le nombre de charges augmente, la répulsion électromagnétique finit par l'emporter. Le tableau périodique des éléments naturels s'arrête ainsi à l'uranium. 1.2.3.4 Les particules messagères de l'interaction forte sont les gluons Lorsque deux quarks interagissent par interaction forte, ils échangent leur charge de couleur. Cet échange est réalisé par un gluon qui est la particule messagère de cette interaction et qui possède lui-même une charge de couleur. 1.3

Interactions et cohésion de la matière

Echelle astronomique L’interaction gravitationnelle, bien que d’intensité beaucoup plus faible que les autres, gouverne la structure de la matière à grande échelle, car elle est de longue portée et toujours attractive (donc cumulative). La prédominance habituelle de l’interaction gravitationnelle sur Terre est expliquée par la quasi neutralité électrique des objets macroscopiques et la grande masse de la Terre. On remarque de plus que l’interaction gravitationnelle est négligeable entre deux objets de taille ordinaire. Echelle atomique et humaine L’interaction électrique est responsable de la cohésion des atomes, des molécules et des phases condensées. Echelle du noyau L'interaction forte, bien que 100 à 1000 fois plus forte que l’interaction électromagnétique, ne nous est pas familière car son action ne dépasse pas les dimensions du noyau. 1.4 e d  F G k m q

Notations, unités et valeurs charge électrique élémentaire. e = 1,6 .10 -19 C distance. [ d ] = m vecteur force. [ F ] = N constante de gravitation. G = 6,67.10 -11 N .m² .kg -² constante liée à la perméabilité électrique d’un matériaux. k = 9.10 9 uSI masse. [ m ] = kg charge électrique. [ q ] = C

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