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Interactions et cohésion de la matière
A / Interactions fondamentales
1 / Particules élémentaires
a / Définition
On appelle particule élémentaire toute particule indivisible (cette notion est évidemment liée à l’état des connaissances actuelles).
La diversité de la matière résulte des nombreux arrangements des atomes entre eux.
L’atome est constitué à partir de trois particules élémentaires : le proton, le neutron, et l’électron.
Autour du noyau formé de neutrons et de protons, les électrons sont en mouvement rapide.
b / Caractéristiques des particules élémentaires
c / L’atome
Les particules élémentaires s’assemblent pour former des atomes.
Un atome est constitué :
. d’un noyau contenant A nucléons : Z protons et ( A – Z ) neutrons.
. d’un nuage électronique constitué de Z électrons.
Rappel :
A : nombre de masse , et Z : numéro atomique
Conséquence :
Un atome est électriquement neutre.
La masse d’un électron étant négligeable devant celle d’un nucléon, la masse d’un atome est pratiquement égale à la masse de son noyau.
L’atome appartient au domaine de l’infiniment petit ( le plus petit des atomes : atome d’hydrogène avec rH = 52,9 pm, et l’un des plus gros : atome de césium avec rCs = 265 pm ).
Le rayon de l’atome est 100.000 fois plus grand que celui de son noyau (100 pm pour le rayon des atomes et 1 fm (10-15 m) pour le rayon du noyau). La matière à une structure lacunaire, elle est essentiellement constituée de vide.
2 / Interactions fondamentales
La cohésion de la matière est due aux interactions entre les particules élémentaires :
. l’interaction gravitationnelle (Newton 1867) entre les masses.
. l’interaction électrique (Coulomb 1785) entre les charges.
. l’interaction forte (1970) entre les nucléons.
B / Interaction gravitationnelle
Deux corps ponctuels A et B de masses respectives mA et mB séparés d’une distance d exercent l’un sur l’autre des forces attractives opposées.
Schéma :
Et,
A/B et B/A telles que :
Avec : . G : constante de gravitation universelle : G = 6,67.10-11 m3.kg-1.s-2 ( ou m2.kg-2.N, ou S.I. )
. mA et mB en kg
. d en m
. FA/B et FB/A en N
Caractéristiques des deux forces :
FA/B B FB/A A
Droite ( AB ) Droite ( AB )
B ? A A ? B
FA/B FB/A
Conséquense :
Les forces se représentent par des flèches , appelées vecteurs, de même longueur, de même direction, mais de sens opposés.
C / Interaction électrique (électrostatique)
1 / Introduction
L’interaction électrique est due à l’interaction entre les charges électriques. Elle peut-être attractive ou répulsive.
L’interaction électrique (électrostatique) est un cas particulier de l’interaction magnétique qui se produit lorsque les charges électriques sont immobiles.
Rappel :
Deux corps chargés possédant des charges de même signe se repoussent.
Deux corps chargés possédant des charges de signe contraire s’attirent.
2 / Loi de Coulomb
Deux corps ponctuels A et B, de charges qA et qB, séparés par une distance r, exercent l’un sur l’autre des forces attractives ou répulsives telles que :
Schéma : il existe trois possibilités
Exemple 1 : Exemple 2 : Exemple 3 :
A et B sont chargés positivement A et B sont chargés négativement A est chargé positivement
et B est chargé négativement
- La boule A agit sur la boule B par l’intermédiaire d’une force notée :
- Réciproquement la boule B agit sur la boule A par l’intermédiaire d’une force notée :
Et,
Avec : . k : constante ( dépend du milieu : valeur donnée pour l’air ou le vide ) : k = 9,0.109 N.m2.C-2 ( ou S.I. )
. qA et qB (charges électriques) en C
. r (distance) en m
. FA/B et FB/A en N
D / Application : Cohésion de la matière
1 / A l’échelle du noyau atomique (nucléons)
Soit un noyau d’hélium He (2 protons et 2 neutrons). Déterminons la valeur des interactions gravitationnelles et électriques qui existent entre les différentes particules de ce noyau.
Interaction gravitationnelle (proton – neutron) :
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=> |
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Fp/p |
= |
6,67.10-11.(1,67.10-27)2 |
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(2,4.10-15)2 |
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=> |
Fp/p = 3,23.10-35N |
Interaction électrique (proton – proton) :
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=> |
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Fp/p |
= |
9,0.109.(1,6.10-19)2 |
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(4,8.10-15)2 |
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=> |
Fp/p = 10N |
La force de répulsion électrique est très supérieure à la force d'attraction gravitationnelle. La cohésion des noyaux ne peut être due aux deux forces précédentes (les noyaux se disloqueraient car la répulsion est plus forte que l’attraction).
La cohésion des noyaux est donc due à une autre force de nature attractive : l'interaction forte.
Définition de l’interaction forte :
L'interaction forte est une interaction attractive importante qui s'exerce sur les nucléons. Elle assure la cohésion des noyaux.
Contrairement à l'interaction gravitationnelle et à l'interaction électrique, l'interaction forte augmente avec la distance. Cependant, c'est une action à courte portée.
2 / A l’échelle atomique (nucléons et électrons)
Soit un atome d'hydrogène .
Déterminons la valeur des interactions gravitationnelles et électriques qui existent entre le noyau et l'électron de cet atome.
Interaction gravitationnelle:
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=> |
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Fp/e |
= |
6,67.10-11.1,67.10-27.9,11.10-31 |
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(53.10-12)2 |
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=> |
Fp/e = 3,6.10-47N |
Interaction électrique:
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=> |
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Fp/e |
= |
9.109.(1,6.10-19)2 |
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(53.10-12)2 |
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=> |
Fp/p = 8,2.10-8N |
La force d'attraction électrique est très supérieure à la force d'attraction gravitationnelle. L'interaction électrique assure la cohésion de la matière à l'échelle atomique.
3. A l'échelle moléculaire et à notre échelle
Un calcul identique au niveau de la molécule donne le même résultat. Les propriétés des solides, des liquides et des gaz en découlent. La cohésion de la matière à l'échelle moléculaire est assurée par l'interaction électrique.
4. A l'échelle astronomique
A l'échelle de l'Univers, la matière est électriquement neutre. Seule l'interaction gravitationnelle assure la cohésion de la matière. Elle est responsable du mouvement des astres, de la formation des étoiles, des planètes et des galaxies.
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