Cours de Première sur les interactions fondamentales – Physiques chimie
Cohésion de la matière et interaction fondamentale
Introduction
- La cohésion de la matière est assurée par quatre interactions fondamentales. Ces interactions se distinguent par leur portée et leur intensité.
- Elles sont responsables de la cohésion de la grande variété d’édifices qui existent dans l’Univers.
- Deux corps sont en interactions lorsqu’ils exercent l’un sur l’autre des actions de même valeur mais en sens opposé.
L’interaction gravitationnelle
- La gravitation est la plus faible des quatre interactions. Son rayon d’action est illimité mais sa valeur diminue quand la distance augmente. C’est une interaction attractive à distance entre deux objets ayant une masse. Elle prédomine à l’échelle cosmique parce que les objets en interaction ont des masses importantes.
- Deux objets de masses respectives et dont les centres sont séparés d’une distance d, exercent l’un sur l’autre des forces ayant la même intensité F :
G : constante de gravitation universelle,
F: est en newtons (N).
et : en kilogramme (kg).
d: est en mètres (m).
- les forces attractives s’exerçant sur deux masses en interaction gravitationnelle ont même direction, même intensité, mais sont de sens opposés.
- Notations :
est la force exercée par A sur B.
est la force exercée par B sur A.
: ces deux forces s’exercent dans des sens opposés mais sont de même valeur F.
L’interaction électromagnétique
- C’est l’interaction dont les effets sont les plus fréquemment constatés dans la vie courante. Elle explique la cohésion des atomes, des molécules, les propriétés des solides, liquides et gaz… comme l’interaction gravitationnelle, elle est à longue portée et, comme elle, son intensité décroit avec le carré de la distance.
- Deux objet A (portant la charge électrique ) et B (portant la charge électrique ) dont les centres sont distants de d, exercent l’un sur l’autre des forces de même intensité F:
Forces attractives (charges de signes opposés) s’exerçant sur deux objets en interaction électromagnétique.
- Si et sont de même signe, les forces sont répulsives.
Forces répulsives (charges de même signe) s’exerçant sur deux objets en interaction électromagnétique.
- L’attraction entre charges de signes opposés crée un effet d’écran qui diminue la portée théorique infinie de la force électromagnétique en une portée effective beaucoup plus courte. La matière est globalement neutre à grande échelle.
- La force électromagnétique exercée par une charge électrique sur une autre est beaucoup plus forte que la force de gravitation.
Exemple : La force électrostatique qui lie un proton et un électron dans l’atome d’hydrogène est 1036 fois plus forte que la force de gravitation.
L’interaction forte
- A cause de l’interaction électromagnétique, les protons d’un noyau devraient se repousser. La cohésion du noyau est, en réalité, assurée par l’interaction forte. C’est la plus puissante des quatre interactions. Elle n’agit cependant qu’à des distances très courtes de l’ordre du diamètre du noyau.
- Sa portée empêche de trouver des manifestations courantes. Ce qui explique qu’elle n’ait été découverte qu’au début du XXe siècle.
- Cependant, sans force nucléaire, il n’y aurait pas de noyau indispensable à l’existence de l’atome et sans atome, point de matière, ni d’être humain…
L’interaction faible
- C’est la dernière à avoir été découverte. Elle n’est responsable de la cohésion d’aucun édifice. Sa faiblesse (comme son nom l’indique, elle est la plus faible après la gravitation) et sa courte portée (inférieure au diamètre d’un nucléon) ne lui permettent pas de jouer ce rôle. Il paraît difficile, de prime abord, de trouver des manifestations courantes de cette interaction, elle joue pourtant un rôle capital dans la vie des étoiles notamment.
Conclusion
- La physique théorique a toujours cherché à décrire l’ensemble des phénomènes avec le moins de lois possibles. Ainsi, Newton montra au XVIIe siècle que la chute des corps et le mouvement des planètes pouvaient être expliqués par la gravitation. James Clerk Maxwell unifia, au XIXe siècle, l’électricité et le magnétisme.
- Aujourd’hui, les théoriciens tentent de regrouper les quatre interactions fondamentales dans une « théorie du tout ». Malgré leurs efforts, unir la relativité générale qui régit l’infiniment grand et la mécanique quantique qui règne sur l’infiniment petit demeure un « Graal théorique ».
