Interactions et cohésion de la matière
04-24-2010

Interactions et cohésion de la matière




I. Interactions fondamentales:

1. Particules élémentaires
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 entres eux.
  • L'atome est constitué à partir de 3 particules élémentaires: le proton, le neutron et l'électron.
  • Autour du noyau formé de neutrons et de protons, les électrons sont en mouvement rapide.

Caractéristiques des particules élémentaires 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 constituée de vide. L'atome a une structure lacunaire (voir cours de seconde).
2. Les 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.
II. Cohésion de la matière

1. A l'échelle du noyau atomique
Rappel: Interaction gravitationnelle: (voir cours de seconde).Deux corps A et B de masses respectives mA et mB séparés d'une distance d exercent l'un sur l'autre des forces opposées 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'hélium (2 protons, 2 neutrons). Déterminons la valeur des interactions gravitationnelles et électriques qui existent entre les différentes 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 électrique:


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 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).

La cohésion des noyaux est donc due à l'interaction forte.
Définition: L'interaction forte est une interaction attractive importante qui s'exerce sur les nucléons. Elle assure la cohésion des noyaux.
Remarque: 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
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:
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 électrique:
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 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 à l'échelle de l'Univers. Elle est responsable du mouvement des astres, de la formation des étoiles, des planètes et des galaxies.