Caractériser les interactions fondamentales

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Fiches
Classe(s) : 1re S | Thème(s) : Cohésion et transformations de la matière


Rappels de cours

La nature est régie par quatre interactions fondamentales.

1 L’interaction gravitationnelle

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► Deux objets A et B de masses mA et mB, séparés d’une distance r, exercent l’un sur l’autre des interactions attractives, appelées interactions gravitationnelles, ayant la même intensité FG.

► La loi de Newton exprime FG en newtons (N) :

FG=FA/B=FB/A=GmA×mBr2

mA et mB en kg, r en m

G=6,67×1011m3kg1s2 : constante de gravitation universelle

► L’interaction gravitationnelle assure la cohésion de la matière à l’échelle de l’Univers.

2 L’interaction électromagnétique

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► Deux objets A et B de charges électriques qA et qB, séparés d’une distance r exercent l’un sur l’autre des interactions électromagnétiques, ayant la même intensité FE :

attractives si qA et qB sont de signes opposés ;

répulsives si qA et qB sont de même signe.

► La loi de Coulomb exprime FE en newtons (N) :

FE=FA/B=FB/A=k|qA|×|qB|r2

qA et qB en coulombs (C), r en m

k=9,0×109Nm2C2 : constante de Coulomb

► L’interaction électromagnétique assure la cohésion de la matière de l’échelle de l’atome à notre échelle.

3 Les interactions nucléaires forte et faible

► À cause de l’interaction électromagnétique, les protons d’un même noyau se repoussent du fait de leur charge électrique. La cohésion du noyau est assurée par une autre interaction attractive qui s’exerce entre les nucléons appelée interaction forte. Celle-ci n’agit qu’à l’échelle du noyau et n’est pas prise en compte en dehors du noyau.

► L’interaction faible, moins intense que l’interaction forte, n’est aussi prise en compte que dans le noyau. Une de ses manifestations est la radioactivité β .

Méthode

Interpréter la cohésion des noyaux

1. Rappeler les valeurs des masses et des charges électriques des nucléons qui constituent un noyau .

2. Montrer que, pour deux protons supposés séparés de r=1,0×1015m, l’interaction gravitationnelle (d’intensité FG) est négligeable devant l’interaction électromagnétique (d’intensité FE).

3. Justifier la nécessité de l’existence de l’interaction nucléaire forte.

Solution

1. mproton=1,673×1027kg, qproton=+e=1,6×1019C, mneutron=1,675×1027kg et qneutron=0C.

2. FE=9,0×109×|1,6×1019|×|1,6×1019|(1,0×1015)2=2,3×102N et FG=6,67×1011×(1,673×1027)2(1,0×1015)2=1,9×1034N.

On a FEFG=2,3×1021,9×1034=1,2×1036. L’interaction gravitationnelle est donc négligeable.

3. L’interaction électromagnétique répulsive entre les protons devrait provoquer l’éclatement du noyau. C’est l’interaction nucléaire forte, attractive, qui assure la cohésion des noyaux.