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"De quoi le monde est-il fait ?" et "Qu'est-ce qui le maintient uni ?" De linfiniment grand à linfiniment petit, la matière reste unie. « Comment est assurée.

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1 "De quoi le monde est-il fait ?" et "Qu'est-ce qui le maintient uni ?" De linfiniment grand à linfiniment petit, la matière reste unie. « Comment est assurée la cohésion de la matière à léchelle astronomique, à léchelle de latome et de la molécule, à léchelle du noyau ? »

2 Les interactions fondamentales Introduction Maintenant il semblerait que toute la matière connue soit construite à partir d'un petit nombre de particules différentes maintenues ensemble par quelques forces fondamentales. Malgré la grande variété des forces que l'on peut rencontrer dans l'univers, tous les phénomènes connus actuellement peuvent être expliqués à l'aide de seulement quatre forces fondamentales, on parle alors de quatre interactions fondamentales. Tous les processus physiques, chimiques ou biologiques peuvent être expliqués à l'aide de ces quatre interactions fondamentales :

3 l'interaction gravitationnelle (ou gravitation), qui explique la pesanteur (donc le poids) mais aussi les marées ou les trajectoires des planètes ou des étoiles, l'interaction électromagnétique, qui permet d'expliquer lélectrostatique (électrisation), l'électricité, le magnétisme, la lumière, les réactions chimiques ou la biologie (en fait quasiment tous les phénomènes de la vie courante), l'interaction forte, qui explique la cohésion des noyaux atomiques (donc l'existence de la matière que nous connaissons). L'interaction forte est une interaction qui nexiste quà l'intérieur des noyaux atomiques (tout comme l'interaction faible). C'est pourquoi elle n'est connue que depuis quelques décennies. l'interaction faible, qui permet d'expliquer une certaine forme de radioactivité et permet au Soleil de « briller », sujet que nous ne traiterons pas.

4 I. Interaction gravitationnelle (rappels) 1. Définition et représentation 2. Calcul dans le cas Terre-Lune Activité 1 Question 1

5 II. L'interaction électromagnétique 1. Electrisation par frottement (voir TP) On peut électriser des corps par frottement. Lors du frottement il y a transfert de charges électriques : Électrisation = transfert de charges électriques 2. Charge électrique La charge électrique est une grandeur physique notée q Elle sexprime en coulomb (C) Une charge électrique est un multiple de la charge électrique « élémentaire » : e = 1, C Une charge électrique peut être positive ou négative, cest une grandeur algébrique (q 0) Rappel : un atome est électriquement neutre

6 3. Loi de Coulomb - en général - dans l'atome - en général (Activité 1 question 2)

7 4. Interprétation des phénomènes d'électrisation On peut électriser un corps : - par frottement : transfert de charge dun corps à lautre - par contact : les charges sont transférées dun corps à lautre par contact - par influence : déplacement de charges lorsquon approche un corps chargé dun autre non chargé Remarque : les charges qui sont transférées sont les - un corps chargés négativement est un corps possédant un ……….. délectrons - un corps chargé positivement est un corps qui possède un ……….. délectrons électrons excès défaut

8 5. Isolants et conducteurs

9 Daprès les calculs de l'activité, le noyau ne devrait pas pouvoir exister car : III. Interaction forte La gravitation est beaucoup trop faible, Linteraction électromagnétique nagit pas sur les neutrons. La répulsion électrostatique des protons entre eux (ils ont tous une charge électrique positive) devrait faire exploser le noyau atomique. (Activité 1 question 3)

10 Il existe donc une autre force capable d'assurer la cohésion de ces noyaux : la force nucléaire (= interaction forte) C'est la plus puissante des quatre interactions ou forces fondamentales de la Nature. En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig émirent l'hypothèse que les protons, les neutrons et les très nombreuses particules récemment découvertes n'étaient pas des particules élémentaires mais plutôt des objets complexes constitués de particules plus petites appelées quarks. L'interaction forte s'applique aux quarks et uniquement aux quarks. Des particules encore plus petites ?

11 Pour étudier les particules, les chercheurs bombardent les noyaux et en déduisent certaines propriétés.. Les accélérateurs de particules permettent de mettre en œuvre des expériences de ce type. Actuellement, les physiciens nucléaires continuent leur recherche. Au cœur de la matière (cest pas sorcier) Trajet d'un proton dans le LHC LHC Pourquoi le LHC Visite du détecteur ATLAS

12 Comment agit linteraction forte ? L'interaction forte possède une propriété très particulière : elle se comporte à linverse de l'interaction électromagnétique ou de la gravitation. En effet, dans le cas de ces interactions familières, la force diminue avec la distance entre les objets en interaction ( lexpression de la valeur de la force fait intervenir un terme en 1/d 2 ). Au contraire, l'interaction forte est une force qui augmente avec la distance. Donc plus les quarks sont proches les uns des autres moins ils interagissent. Deux quarks infiniment proches n'interagissent plus du tout entre eux: ils sont libres pour une distance infiniment proche de zéro.

13 Analogie Ce comportement pourrait être comparé à celui de deux billes jointes par un ressort : plus les billes sont éloignées l'un de l'autre plus le ressort tente de les rapprocher alors que si les deux billes sont l'une contre l'autre le ressort n'agit plus. Cette propriété a une conséquence très importante : Il faut une très grande énergie pour séparer 2 quarks et il est donc impossible d'observer un quark libre, c'est à dire seul.

14 Linteraction forte est l'interaction fondamentale qui a l'intensité la plus importante, ce qui permet de contrer la répulsion électrostatique entre les protons dans les noyaux atomiques. Linteraction forte permet également de comprendre certains phénomènes ayant lieu au cœur des étoiles comme la transformation de l'hydrogène en hélium appelée fusion nucléaire. Or cette transformation est à la source de l'énergie que les étoiles rayonnent. L'interaction forte contribue donc aussi à faire briller le Soleil.

15 En résumé : L'interaction forte qui agit dans les noyaux : - est attractive, - est d'une portée courte (distance nucléaire), - d'une intensité élevée (dans le noyau, elle est environ mille fois plus élevée que linteraction électrique), - elle agit entre les quarks (et donc entre les neutrons et les protons). l'interaction forte, qui explique la cohésion des noyaux atomiques (donc l'existence de la matière que nous connaissons). L'interaction forte est une interaction qui nexiste quà l'intérieur des noyaux atomiques (tout comme l'interaction faible). C'est pourquoi elle n'est connue que depuis quelques décennies.

16 Les limites de l'interaction forte : Cependant certains noyaux ne sont pas stables : la répulsion entre les protons nest plus compensée par linteraction forte. Cest le cas des noyaux après luranium qui sont radioactifs.

17 IV. Domaine de prédominance des interactions (Activité 1 question 4)


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