Phys. N° 04

Cohésion de

 la matière.

Cours.

 

   

 

Mots clés :

cohésion de la matère, constituants de la matière,

particules élémentaires, proton, neutron, électrons, quarks,

atome,

interactions fondamentales, interaction gravitationnelle, interaction électromagnétique, interaction forte, interaction faible,

dimensions, échelle de grandeurs, infiniment grand, infiniment petit,

loi de Coulomb, électrostatique, électromagnétisme, 

QCM, ...

 

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I- Les constituants de la matière.

1)- Les particules élémentaires.

2)- L’atome.

II- Les interactions fondamentales.

1)- Introduction.

2)- L’interaction gravitationnelle :

3)- L’interaction électromagnétique.

4)- Les interactions forte et faible.

III- Récapitulatif :

Dimensions et interactions

fondamentales :

IV- Applications.

1)- QCM :       QCM

2)- Exercices :   Exercices

Cours de seconde :  Phys. N° 05 La gravitation Universelle.

 Exercices :  énoncé avec correction

a)-  Exercice 7 page 128. Exprimer une charge.

b)-  Exercice 8 page 128. Déterminer un numéro atomique.

c)-  Exercice 9 page 128. Déterminer la composition d’un atome.

d)-  Exercice 12 page 128. Comparer des ordres de grandeur.

e)-  Exercice 13 page 128. Connaître les interactions.

f)-   Exercice 15 page 129. Autour du mercure.

g)-  Exercice 18 page 129. Noyaux radioactifs.

h)-  Exercice 20 page 130. Interpréter l’expérience de Rutherford.

I- Les constituants de la matière.

1)- Les particules élémentaires.

a)-  Caractéristiques des particules élémentaires.

-    Petit Historique :
-    En 1897 J.J Thomson découvre l’électron.
-    En 1911, E. Rutherford met en évidence le noyau d'un atome.
-    Entre 1910 et 1920 on met en évidence l’existence du noyau.
-    En 1930, J. Chadwick découvre le neutron.

Nom

Masse (kg)

Charge (C)

Proton

mp = 1,67265 x 10 – 27 kg

+ e = 1,602189 x 10 – 19 C

Neutron

mn = 1,67496 x 10 – 27 kg

0

Électron

me- = 9,11 x 10 – 31 kg

– e = – 1,602189 x 10 – 19 C

-    Quelles sont les remarques que l’on peut faire à la lecture du tableau :
-    Remarque 1 : C est le symbole du coulomb unité de charge électrique.
-    Remarque 2 : e représente la charge élémentaire.
-    La charge élémentaire est égale à la valeur absolue de la charge portée par un électron.
-    Une charge électrique q est une grandeur physique dont la valeur est positive négative ou nulle.
-  Elle s’exprime en coulomb symbole C.
-    Toute charge électrique s’exprime en un nombre entier positif ou négatif de charges élémentaires :
-    q = n . e
-    Remarque 3 : La masse du neutron est voisine de celle du proton : mp mn
-    Remarque 4 : La masse de l’électron est 1846 fois plus petite que celle du proton et du neutron.
-    Remarque 5 : la charge électrique portée par un électron est opposée à celle portée par un proton.
-    Remarque 6 : le neutron est électriquement neutre. Sa charge globale est nulle.

b)-  Pour aller plus loin.

-    Les nucléons ne sont pas des particules élémentaires.
-    Ils sont constitués de particules : les quarks.
-    Les briques fondamentale de la matière sont donc :
-    Les quarks qui sont les constituants des protons et des neutrons.
-    Et les électrons.
-    Les protons et neutrons du noyau sont composés de 3 quarks.
-    On étudie au CERN les interactions entre quarks pour découvrir comment les particules se sont formées dans les premiers instants de l'Univers.
-     

2)- L’atome.

a)-  Présentation.

-    Les particules élémentaires s’assemblent pour former des atomes.

 

    Un atome est constitué :

-    D’un noyau contenant A nucléons : Z protons et (A – Z) neutrons.
-    D’un nuage électronique constitué de Z électrons.
-    Le nombre de nucléons est noté A, on l’appelle aussi le nombre de masse.
-    Le nombre de protons que contient le noyau est noté Z, on l’appelle aussi le numéro atomique ou le nombre de charge.

    Conséquences :

-    Un atome est électriquement neutre.
-    La masse d’un électron étant négligeable devant celle des nucléons,
-    La masse d’un atome est pratiquement égale à la masse de son noyau.
-    Dimension des atomes.
-    L’atome appartient au domaine de l’infiniment petit.
-    Le plus petit des atomes : atome d’hydrogène : rH ≈ 52,9 pm                  
-    L’un des plus gros : atome de Césium : rCs ≈ 265 pm                   
-    Le rayon des atomes est de l’ordre de 100 pm (p pour pico : 10– 12) c’est à dire 10– 10 m.
-    Le rayon du noyau d’un atome est de l’ordre du femtomètre c’est à dire 10 – 15 m.
-    Conséquence : Le rayon de l’atome est cent mille fois du grand que celui de son noyau.
-    La matière a une structure lacunaire. Elle est essentiellement faite de vide.

b)-  Symbole du noyau d’un atome.

-    Les deux grandeurs A et Z suffisent pour caractériser un noyau ou un atome.
-    Le symbole du noyau s’obtient à partir du symbole de l’atome correspondant.
-    Un atome de symbole X qui a pour nombre de masse A et pour nombre de charge Z est représenté symboliquement par :
-    L’atome étant électriquement neutre, le nombre d’électrons d’un atome est égal au nombre de protons.
-    Cet atome possède un cortège électronique constitué de Z électrons.
-    Exemple : symbole du noyau de l’atome de cuivre.
-    Le noyau de l’atome de cuivre est constitué de Z = 29 protons, A – Z = 34 neutrons.
-    Cet atome possède un cortège électronique constitué de Z = 29 électrons.
-    Un atome comprend : Z protons et Z électrons, et A – Z neutrons.

c)-  Les isotopes.

-    Des noyaux isotopes possèdent le même nombre de protons mais des nombres différents de neutrons.
-    Il existe environ 350 noyaux naturels et plus de 2500 noyaux artificiels obtenus en laboratoire.
-    Exemples :

 

Composition d’un morceau de graphite

Isotopes

 

 

 

Pourcentages %

98,9

1,1

traces

 

II-       Les interactions fondamentales.

1)- Introduction.

    Les structures de l’Univers sont régies par quatre interactions fondamentales :

-    L’interaction gravitationnelle ;
-    L’interaction électromagnétique ;
-    L’interaction forte ;
-    L’interaction faible.

    Selon la taille du système étudié, l’une des quatre interactions prédomine devant les trois autres.

2)- L’interaction gravitationnelle :      Cours de seconde : Phys. N° 05 La gravitation Universelle.

a)-  Rappels.

-    La gravitation universelle est une des interactions de l’Univers.
-    Elle est attractive et s’exerce à distance.

*    Énoncé :

Deux corps ponctuels, de masses m et m’, séparés par une distance d, exercent l’un sur l’autre des forces attractives, de même valeur :

 

 

G est appelé la constante de gravitation universelle :

G ≈ 6,67 x 10 – 11 m 3 . kg– 1 . s– 2 

G ≈ 6,67 x 10 – 11 m 2 . kg– 2 . N

F : Valeur de la force F en newton N.

m et m’ : Valeur des masses en kg.

d : Distance séparant les deux masses ponctuelles : en m

 

-    Les forces se représentent par des flèches, appelées vecteurs, de même longueur, de même direction, mais de sens opposés.
-    Caractéristiques du vecteur force :

  

Point d’application : A’

Direction : la droite (AA’)

Sens : de A’ vers A

 Valeur de la force : 

Caractéristiques du vecteur force :

 

Point d’application : A

Direction : la droite (AA’)

Sens : de A vers A’

 Valeur de la force : 

-    Ce résultat se généralise à des corps à répartition sphérique de masse.
-    La masse est répartie de façon régulière autour du centre du corps.
-    C’est le cas de la Terre, de la Lune, des planètes et des étoiles.

    En résumé :

-    Cette interaction est toujours attractive.
-    Elle agit entre particules ayant une masse.
-    Sa portée est infinie, mais sa valeur diminue quand la distance augmente.
-    À l’échelle Astronomique, elle est prédominante devant les autres interactions.
-    Elle explique la cohésion des édifices astronomiques.

b)-  Application.

-    Calculer la valeur de la force FTL d’attraction gravitationnelle exercée par la Terre sur la Lune.
-    Donner les caractéristiques du vecteur force  .
-    Faire un schéma de la situation : Échelle : 1 cm ↔ 1,0 × 1020 N
-    Données : Masse de la Lune : mL = 7,4 × 10 22 kg ; masse de la Terre : mT = 6,0 × 10 24 kg 
-    Distance Terre-Lune : dTL = 3,84 × 10 5 km :
-    Constante universelle de gravitation : G ≈ 6,67 × 10 – 11 m 2 . kg– 2 . N

    Solution :

-    Schéma réalisé avec Celestia :

 

 

 

Caractéristiques du vecteur force  :

 

Point d’application : A

Direction : la droite (AA’)

Sens : de A vers A’

 Valeur de la force : 

-    Valeur de la force :
-     

 

3)- L’interaction électromagnétique.

a)-  Introduction.

-    L’interaction électrostatique, étudiée cette année (Chap. N° 06 Cohésion de la matière à l’état solide), fait partie de l’interaction électromagnétique.
-    L’interaction électrique (électrostatique) est un cas particulier de l’interaction électromagnétique.
-    Lorsque les charges électriques sont immobiles, l’interaction est seulement électrique (statique).
-    Lorsque les charges sont en mouvement, il apparaît en plus l’interaction magnétique.
-    On parle alors d’interaction électromagnétique.

    En résumé :

-    L’interaction électromagnétique peut être répulsive ou attractive.
-    Elle agit entre particules portant une charge électrique.
-    Sa portée est infinie, mais sa valeur diminue quand la distance augmente.
-    Elle prédomine de l’échelle atomique à l’échelle humaine.
-    Elle explique la cohésion de l’atome.

b)-  Interaction électrostatique : Loi de Coulomb (elle est étudiée cette année : Chap. N° 06 Cohésion de la matière à l’état solide)

-    Charles Augustin Coulomb : 1785.

*    Énoncé ;

deux corps ponctuels A et B, de charges qA et qB, séparés par une distance r, exercent l’un sur l’autre des forces attractives ou répulsives telles que :

 
-    Caractéristiques des deux forces :
-    La force  est appliquée en B et la force  est appliquée en A.
-    Elles ont la même direction : la droite (AB).
-    Elles ont des sens opposés.
-    Elles sont attractives si les charges sont de signes opposés.
-    Elles sont répulsives si les charges sont de même signe.
-    Elles ont la même valeur :
-    Expression :

 

-    La constante k = 9,0 x 10 9  N . m 2 . C – 2
-    Au niveau de la première, on écrit :
-    k = 9,0 x 10 9  S.I
-    Premier cas : on considère que : qA . qB > 0

 

-    Deuxième cas : on considère que : qA . qB < 0

c)-  Application : Comparaison entre l’interaction gravitationnelle et l’interaction électromagnétique.

    Énoncé :

-    La molécule de diazote est constituée de deux atomes d’azote dont les noyaux comportent 7 protons.
-  Ces noyaux sont à la distance d = 140 pm l’un de l’autre.
-  La masse de chaque noyau est m = 2,33 x 10 – 26 kg.
-    Déterminer la valeur des forces d’interaction électrique entre les deux noyaux.
-    Ces forces sont-elles attractives ou répulsives ?
-    Déterminer la valeur des forces d’interaction gravitationnelle entre les deux noyaux.
-    Ces forces sont-elles attractives ou répulsives ?
-    Comparer les valeurs de ces deux forces d’interaction et conclure.

    Réponse :

-    Valeur des forces d’interaction électrique entre les deux noyaux :
-     

 

-    Les forces sont répulsives (les deux noyaux portent des charges électriques de mêmes signes)
-    Valeur des forces d’interaction gravitationnelle entre les deux noyaux :
-     

 

-    Les forces sont attractives.
-    Comparaison :
-     
-    On peut faire le calcul différemment sachant que mA . mp ≈ 14 mp.
-     
-    À l’échelle de l’atome, la force gravitationnelle est négligeable par rapport à la force électrique.

4)- Les interactions forte et faible.

    L’interaction forte :

-    L’interaction forte assure la cohésion du noyau atomique.
-    L’interaction forte est attractive.
-  Elle unit ensemble les nucléons et elle prédomine devant l’interaction électrique (répulsion entre les protons).
-    L’interaction forte est intense mais de très courte portée (de l’ordre du femtomètre : 10–15 m, soit un milliardième de micromètre).
-    Remarque : La stabilité des noyaux résulte de la compétition entre l’interaction forte, responsable de l’attraction des nucléons et de l’interaction électromagnétique responsable de la répulsion entre les protons.

    L’interaction faible :

-    L’interaction faible est responsable de certains types de radioactivité (la radioactivité est étudiée cette année : Chap. N° 05 Radioactivité et réactions nucléaires).
-    Sa portée est extrêmement faible. Elle est de l’ordre du diamètre d’un nucléon (10–16 m)
-    L’interaction faible, comme son nom l'indique, est l'interaction fondamentale qui a l'intensité la plus faible (en dehors de la gravitation).
-    Elle s'applique à toutes les particules de matière (quarks, électrons, neutrinos, etc.).
-    En particulier, les neutrinos, qui sont électriquement neutres et qui ne sont pas des quarks, ne sont sensibles qu'aux interactions faible et gravitationnelle, les deux interactions fondamentales les moins intenses
-    Additif : l'interaction faible est responsable de la désintégration b.
-    Elle est portée par les bosons W (W+ et W) et Z (Z0).
-    L'interaction faible met en jeu les neutrinos, les leptons chargés et les quarks.

    Noyaux instables : Noyaux radioactifs.

-    Dans certains cas la cohésion n’est pas suffisante, on dit que les noyaux sont instables.
-    Ils se désintègrent spontanément, on dit qu’ils sont radioactifs. Ce sont des radionucléides.
-    Un noyau est instable s’il possède trop de protons par rapport au nombre de neutrons.
-    Un noyau est instable s’il possède trop de neutrons par rapport au nombre de protons.
-    Un noyau est instable s’il possède trop de protons et trop de neutrons.
-    Un noyau instable est un noyau qui possède :
-    Trop de protons, ou trop de neutrons, ou trop de nucléons.

    À l’échelle atomique, l’interaction forte est prédominante par rapport à l’interaction faible.

III- Récapitulatif : dimensions et interactions fondamentales :

    De l’infiniment grand à l’infiniment petit :

Illustrations

Structures

Ordre de grandeur

Interaction prédominante

De l’infiniment grand à l’infiniment petit →

 

Galaxie

1021 m

Interaction gravitationnelle

 

Système Solaire

1013 m

Interaction gravitationnelle

 

La Terre

107 m

Interaction gravitationnelle

 

L’Homme

1 m

Interaction gravitationnelle

 

La molécule

10–9 m

Interaction électromagnétique

 

Atome

10–10 m

Interaction électromagnétique

 

Noyau

10–15 m

Interaction forte et faible

 

Nucléon :

Proton

neutron

10–16 m

Interaction faible

    Échelle de grandeurs : pour faire voisiner l’infiniment grand et l’infiniment petit.

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IV- Applications.

1)- QCM : Pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).

QCM sous forme de tableau.

QCM réalisé avec le logiciel Questy

(11 questons) Pour s'auto-évaluer

QCM réalisé avec le logiciel Questy

(17 questions) Pour s'auto-évaluer

QCM N° 02 Révisions

QCM N° 02 Questy Révisions

2)- Exercices : Exercices :  énoncé avec correction

a)-  Exercice 7 page 128. Exprimer une charge.

b)-  Exercice 8 page 128. Déterminer un numéro atomique.

c)-  Exercice 9 page 128. Déterminer la composition d’un atome.

d)-  Exercice 12 page 128. Comparer des ordres de grandeur.

e)-  Exercice 13 page 128. Connaître les interactions.

f)-   Exercice 15 page 129. Autour du mercure.

g)-  Exercice 18 page 129. Noyaux radioactifs.

h)-  Exercice 20 page 130. Interpréter l’expérience de Rutherford.