Interactions et cohsion de la matire
04-24-2010

Interactions et cohsion de la matire




I. Interactions fondamentales:

1. Particules lmentaires
Dfinition:

On appelle particule lmentaire toute particule indivisible (cette notion est videmment lie l'tat des connaissances actuelles).






  • La diversit de la matire rsulte des nombreux arrangements des atomes entres eux.
  • L'atome est constitu partir de 3 particules lmentaires: le proton, le neutron et l'lectron.
  • Autour du noyau form de neutrons et de protons, les lectrons sont en mouvement rapide.

Caractristiques des particules lmentaires dans l'atome
Proton
mp = 1,67.10-27kg
q = +e
r = 1,2.10-15m
Neutron
mn = 1,67.10-27kg
q = 0
r = 1,2.10-15m
Électron
me = 9,11.10-31kg
q = -e

Remarque: Le rayon du noyau est de l'ordre de 1fm (10-15m) alors que le rayon de l'atome est de l'ordre de 10-10m. La plus grande partie d'un atome est constitue de vide. L'atome a une structure lacunaire (voir cours de seconde).
2. Les interactions fondamentales
La cohsion de la matire est due aux interactions entre les particules lmentaires:
  • L'interaction gravitationnelle (Newton 1867) entre les masses.
  • L'interaction lectrique (Coulomb 1785) entre les charges.
  • L'interaction forte (1970) entre les nuclons.
II. Cohsion de la matire

1. A l'chelle du noyau atomique
Rappel: Interaction gravitationnelle: (voir cours de seconde).Deux corps A et B de masses respectives mA et mB spars d'une distance d exercent l'un sur l'autre des forces opposes A/B et B/A telles que:

FA/B = FB/A
= G.mA.mBd2 avec G = 6,67.10-11 N.m2.kg-2
Soit un noyau d'hlium (2 protons, 2 neutrons). Dterminons la valeur des interactions gravitationnelles et lectriques qui existent entre les diffrentes particules de ce noyau:
Interaction gravitationnelle:


Fp/p
= G.mp2d2 =>
Fp/p
= 6,67.10-11.(1,67.10-27)2(2,4.10-15)2

=>
Fp/p = 3,23.10-35N

Interaction lectrique:


Fp/p
= K.|qA.qB|d2 =>
Fp/p
= 9.109.(1,6.10-19)2(4,8.10-15)2

=>
Fp/p = 10N

La force de rpulsion lectrique est trs suprieure la force d'attraction gravitationnelle. La cohsion des noyaux ne peut tre due aux deux forces prcdentes (les noyaux se disloqueraient).

La cohsion des noyaux est donc due l'interaction forte.
Dfinition: L'interaction forte est une interaction attractive importante qui s'exerce sur les nuclons. Elle assure la cohsion des noyaux.
Remarque: Contrairement l'interaction gravitationnelle et l'interaction lectrique, l'interaction forte augmente avec la distance. Cependant, c'est une action courte porte.
2. A l'chelle atomique
Soit un atome d'hydrogne .

Dterminons la valeur des interactions gravitationnelles et lectriques qui existent entre le noyau et l'lectron de cet atome.
Interaction gravitationnelle:
Fp/e
= G.mp.med2 =>
Fp/e
= 6,67.10-11.1,67.10-27.9,11.10-31(53.10-12)2

=>
Fp/e = 3,61.10-47N
Interaction lectrique:
Fp/e
= K.|qA.qB|d2 =>
Fp/e
= 9.109.(1,6.10-19)2(53.10-12)2

=>
Fp/p = 8,20.10-8N
La force d'attraction lectrique est trs suprieure la force d'attraction gravitationnelle. L'interaction lectrique assure la cohsion de la matire l'chelle atomique.
3. A l'chelle molculaire et notre chelle
Un calcul identique au niveau de la molcule donne le mme rsultat. Les proprits des solides, des liquides et des gaz en dcoulent. La cohsion de la matire l'chelle molculaire est assure par l'interaction lectrique.
4. A l'chelle astronomique
A l'chelle de l'Univers, la matire est lectriquement neutre. Seule l'interaction gravitationnelle assure la cohsion de la matire l'chelle de l'Univers. Elle est responsable du mouvement des astres, de la formation des toiles, des plantes et des galaxies.