L’essentiel 1S SPE CHAP 3 Les interactions fondamentales Champs et Forces
1. Ordres de grandeurs des différentes structures de l’Univers (rappel 2nde) (C1)
Dans l’état actuel de nos connaissances, les plus petites structures (≈ 10-15 m) sont les particules élémentaires et la taille de l’Univers observable avoisine les 1026 m.
Rappel (multiples et sous multiples)
1 nanomètre = 10-9 m = 1 nm 1 kilomètre = 103 m = 1km 1 micromètre = 10-6 m = 1 µm (1 année-lumière ≈ 1016 m) 1 millimètre = 10-3 m = 1 mm
2. Les particules élémentaires (C2)
Une particule élémentaire est une particule non divisible en particules plus petites.
L’électron est une particule élémentaire mais ce n’est pas le cas des protons et des neutrons (constitués de quarks)…
Cependant, malgré la découverte des quarks, les neutrons et les protons sont encore considérés comme des particules élémentaires…(les scientifiques sont un peu « conservateurs »…)
Les « particules élémentaires » et leurs caractéristiques
Remarques : - le proton et le neutron ont des masses sensiblement égales mais l’électron est nettement plus léger - la charge électrique de l’électron est exactement égale à l’opposée de celle du proton
3. Charge élémentaire (C3)
On appelle charge élémentaire la valeur Conséquences :
- aucune charge existante n’est plus petite (en valeur absolue) que la charge élémentaire « e » - toute charge « Q » existante est un multiple de « e » :
L’ordre de grandeur de l’atome (c'est-à-dire la distance entre le noyau et les électrons) est 10-10 m mais la taille des particules n’est que d’environ 10-15 m (l’atome contient essentiellement du vide : structure « lacunaire »)
e = 1,602 .10-19 C (Coulomb)
Q = k.e avec k ∊ ℤ
Rappel :
L’unité légale de distance est le mètre (m)
A grande échelle, l’Univers n’est pas homogène : les galaxies seraient disposées le long de filaments ou sur d’immenses bulles…
4. Les 4 interactions fondamentales ou « forces »
① L’interaction gravitationnelle ou « Newtonienne »
Remarque : l’interaction gravitationnelle a une « portée infinie » (formule en 1/d2) : elle ne s’annule jamais même à très grande distance. Ainsi, notre Soleil exerce une interaction sur les planètes mais aussi sur les étoiles, pourtant très lointaines.
L’interaction gravitationnelle assure la cohésion de l’Univers à l’échelle astronomique.
② L’interaction électromagnétique ou « Coulombienne »
Remarque : l’interaction électromagnétique a une « portée infinie » (formule en 1/d2) : elle ne s’annule jamais même à très grande distance.Mais contrairement à l’interaction gravitationnelle, ses effets ne se font pas sentir à grande distance car la matière est globalement neutre à grande échelle (les charges électriques positives et négatives, en nombre égal, ont des effets qui se neutralisent).
L’interaction électromagnétique assure la cohésion et la forme des objets à notre échelle
③ L’interaction nucléaire « forte »
Il n’existe pas (au lycée) de « formule » pour la calculer. Cette interaction, toujours attractive, a une portée maximale de 10-15 m et nous n’en ressentons donc pas les effets. Elle s’exerce entre tous les nucléons (un proton et un proton, un neutron et un neutron, un proton et un neutron). L’interaction forte explique la cohésion des noyaux atomiques et donc l’existence de tous les noyaux atomiques : elle permet de « faire tenir » les nucléons ensemble et compense la répulsion électromagnétique entre les protons des noyaux atomiques. Sans elle, les noyaux atomiques et donc les atomes n’existeraient pas…
④ L’interaction nucléaire « faible » (limite programme)
Attractive et de portée très limitée (10-17 m), elle permet d’interpréter certains résultats concernant les quarks et certaines désintégrations nucléaires (de type β : voir dans un prochain chapitre).
⑤ Synthèse
Interaction Gravitationnelle ou Newtonienne
Electromagnétique ou Coulombienne
« Forte » ou nucléaire forte
« Faible » ou nucléaire faible
nature attractive attractive ou répulsive attractive attractive
portée infinie infinie pas plus de 10-15 m pas plus de 10-17 m
Rôle ou domaine
de prédominance Cohésion de l’Univers
Cohésion des structures à l’échelle humaine (solides, liquides…)
Cohésion du noyau Cohésion des nucléons
Compétences attendues
C1 Connaître les ordres de grandeur des dimensions des différentes structures des édifices organisés.
C2 Connaître l’ordre de grandeur des valeurs des masses d’un nucléon et de l’électron.
C3 Savoir que toute charge électrique peut s’exprimer en fonction de la charge élémentaire « e ».
C4 Associer, à chaque édifice organisé, la ou les interactions fondamentales prédominantes.
