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Leçon n° 8 : DU NOYAU DE L'ATOME A LA GALAXIE

Cette leçon comporte trois paragraphes.


1- LA MATIERE A DIFFERENTES ECHELLES : DU NOYAU DE L'ATOME A LA GALAXIE


1-1 Dimensions de différents édifices organisés

L'unité internationale de longueur est le mètre (m).

Avec cette unité indiquons l'ordre de grandeur des dimensions des différentes structures des édifices organisés (l'ordre de grandeur est la puissance de 10 qui s'approche le plus de la mesure) :

(1)

Tous ces édifices sont fabriqués à partir des mêmes particules élémentaires.


1-2 Les particules élémentaires : électrons, neutrons et protons

Protons et neutrons se trouvent dans le noyau des atomes. Ce sont des nucléons. Autour du noyau gravitent des électrons.

- Proton : L'ordre de grandeur de sa masse est de 10 - 27 kg. Il porte une charge élémentaire positive + e. (2)

- Neutron : L'ordre de grandeur de sa masse est de 10 - 27 kg. Il ne porte aucune charge électrique. (3)

- Electron : L'ordre de grandeur de sa masse est de 10 - 30 kg. Il porte une charge élémentaire négative - e. (4)

Remarque : Le premier paragraphe de la leçon 2 permet de revenir sur la constitution du noyau, de l'atome, des ions, des molécules, des composés ioniques.

Nous allons maintenant préciser quels types de forces s'exercent entre les édifices de l'univers.

 

2- LES QUATRE INTERACTIONS FONDAMENTALES


Deux systèmes sont en interaction lorsque le système A exerce une force sur le système B et que le système B exerce une force égale et opposée sur le système B.


2-1 L'interaction gravitationnelle

C'est le physicien anglais Isaac Newton (1642-1727) qui, le premier, énonça la loi de la gravitation.

Loi de Newton : Deux objets ponctuels A et B, de masses MA et MB, séparés par une distance r, exercent l'un sur l'autre des forces attractives dirigées suivant la droite qui les joint et de même valeur :

FA = FB =   (5)

r est la distance qui sépare A et B.

G est la constante de gravitation :

G = 6,67 ´ 10 - 11 dans le système international d'unités (S.I.) (6)

   (7)

- Cette relation est encore vraie pour deux objets à répartition sphérique de masse. Elle permettra, en particulier, en classe de terminale S, d'expliquer le mouvement des planètes autour du Soleil ou des satellites autour de la Terre.

- Remarque : Sous forme vectorielle, on peut écrire :

(8)

est le vecteur unitaire dirigé de A vers B. (9)

(10)

 Cette force gravitationnelle est la principale responsable du poids d'un objet sur Terre, du mouvement des planètes autour du Soleil, des marées aquatiques, etc.


2-2 L'interaction électromagnétique

Les particules chargées d'électricité peuvent être immobiles ou en mouvement. Nous examinerons surtout le cas où les particules chargées sont immobiles. Le cas général ne sera abordé que plus tard dans les études.

a) Electrisation d'un corps

Au VII° siècle avant Jésus-Christ les grecs savaient déjà que l'ambre ("électron" en grec) frottée devenait capable d'attirer des corps légers.

On distingue l'électrisation par frottement, par contact et par influence. (11)

- Electrisation par frottement (12)

Une tige de verre frottée par de la laine peut attirer de petits morceaux de papier posés sur un bureau en bois.

On dit que le verre a été électrisé par frottement. Il est chargé d'électricité vitreuse ou "positive".

- Les deux types d'électricité (13)

Une tige de verre frottée avec un chiffon en laine est placée sur un étrier suspendu à un fil.

Si on approche une deuxième tige de verre électrisée, la tige posée sur l'étrier est repoussée.

Si on approche une tige en PVC, préalablement frottée par un chiffon de laine, la tige de verre électrisée, placée sur l'étrier est maintenant attirée.

On dit qu'il existe deux types d'électricité : l'électricité type verre frotté (ou positive) et l'électricité type PVC frotté (ou négative).

Interprétation moderne : lorsqu'on frotte la tige de verre par un chiffon en laine, des électrons passent du verre sur la laine. La laine devient négative (excès de protons positifs par rapport aux électrons négatifs ).

Remarque : Ce qualificatif de positif ou de négatif est arbitraire. On a choisi de dire que les électrons sont chargés d'électricité négative, les protons d'électricité positive.

Les charges de même signe se repoussent. Les charges de signe contraire s'attirent.

- Electrisation par influence (14)

Approchons un baton de PVC chargé négativement du plateau d'un électroscope.

Les électrons négatifs du bâton de PVC repoussent les électrons libres du plateau métallique vers le bas de l'électroscope. Le plateau devient positif alors que la feuille d'or et le bas de la tige métallique deviennent négatifs. La feuille d'or est repoussée par le bas de la tige car ces deux parties sont négatives. Globalement l'électroscope est resté électriquement neutre.

Cette électrisation par influence cesse dès que l'on éloigne le bâton de PVC de l'électroscope.

(15)

- Electrisation par contact (16

Si, lors de l'expérience précédente, on frotte le plateau métallique avec le bâton de PVC négatif, des électrons passent définitivement du bâton de PVC sur l'électroscope. L'aiguille en or s'écarte de la verticale.

Cette électrisation par contact ne cesse pas lorsqu'on éloigne le bâton de PVC de l'électroscope.


b) La loi de Coulomb

C'est le physicien français Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) qui le premier énonça la loi suivante :

- Loi de Coulomb : Deux objets ponctuels immobiles A et B, séparés par une distance r et portant des charges qA et qB, exercent l'un sur l'autre des forces attractives (si qA et qB sont de signe contraire) ou répulsives (si qA et qB sont de même signe), dirigées suivant la droite qui les joint. Ces forces ont la même valeur :

(17)avec k = 9,00 ´ 10 9 m3 . kg . s - 2 . C - 2 (dans le vide ou dans l'air).

Unités internationales :m pour mètrekg pour kilogrammes pour secondeC pour coulomb.

(18)

Exemple 1 : Forces attractives car qA et qB sont de signe contraire.

(19)

Exemple 2 :  Forces répulsives car qA et qB sont de même signe.

Sous forme vectorielle, on peut écrire :

 

(20)est le vecteur unitaire dirigé de A vers B.

Complément : Si les particules chargées sont en mouvement il apparaît une nouvelle force dite magnétique. Ceci sera étudié dans les classes ultérieures.


2-3 L'interaction forte et l'interaction faible dans les noyaux

- L'interaction forte : A l'intérieur d'un noyau se trouvent Z protons et N = (A - Z) neutrons. D'après la loi de Coulomb les protons positifs se repoussent et devraient faire éclater le noyau. Si le noyau est stable, c'est qu'entre les nucléons qui le constituent s'exerce un nouveau type de force attractive : l'interaction forte. (21)

L'interaction forte est aussi responsable des réactions nucléaires qui seront étudiées dans la leçon 10 (réacteurs nucléaires, bombes nucléaires, Soleil, autres étoiles, etc).

Cette interaction forte est de 100 à 1000 fois plus forte que la force électrique mais son rayon d'action est très petit, de l'ordre de 10 - 15 m (dimension du noyau).

C'est la plus intense des interactions connues. Une étude plus poussée sera faite dans l"enseignement supérieur.

- L'interaction faible : Elle est responsable de certaines désintégrations radioactive avec émission de particules subatomiques (voir la leçon 9). Elle est beaucoup moins intense que l'interaction forte. Sa portée est voisine de 10 - 17 m. (22)

 

3- INTERACTIONS FONDAMENTALES PREDOMINANTES ASSOCIEES A CHAQUE EDIFICE ORGANISE


La cohésion de la matière de l'univers est assurée par les
4 types de forces dont nous avons parlés ci-dessus :

- l'interaction gravitationnelle à l'échelle astronomique (planètes, étoiles, galaxies, etc). (23)

- l'interaction électromagnétique à l'échelle des atomes et des molécules ou de la matière perçue par l'homme. (24)

- l'interaction forte et l'interaction faible à l'échelle du noyau. (25)


A VOIR :

Exercice 8-A : Connaissances du cours n° 8.

Exercice 8-B : Interaction Terre-Lune.

Exercice 8-C : Interactions dans l'atome d'hydrogène.

Exercice 8-D : Pendules électriques.

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