L'Univers est composé de particules élémentaires (protons, neutrons et électrons) qui, ensemble, constituent les atomes et les ions que l'on trouve dans la matière. Quatre interactions suffisent pour décrire tous les phénomènes physiques, chimiques et biologiques qui se déroulent dans l'Univers :
- L'interaction gravitationnelle qui s'exerce entre les corps massiques.
- L'interaction électromagnétique qui s'exerce entre les corps électriquement chargés.
- L'interaction forte qui explique la cohésion du noyau atomique.
- L'interaction faible qui se manifeste dans certains cas de radioactivité.
Chaque interaction prédomine à une certaine échelle de l'Univers où elle assure la cohésion de la matière.
La matière à différentes échelles
Les ordres de grandeur
Ordre de grandeur
L'ordre de grandeur d'un nombre est la puissance de 10 la plus proche de ce nombre.
- Le système solaire s'étend jusqu'à environ 4{,}5 \times 10^{9} km, son ordre de grandeur est donc 109 km, soit 1012 m.
- Le diamètre d'un atome d'hydrogène est de 0,106 nm, soit 0{,}106 \times 10^{-9} m, son ordre de grandeur est donc 10-10 m.
L’échelle des longueurs
Les objets présents dans l'Univers ont des dimensions très différentes. Leurs ordres de grandeur permettent de les représenter facilement sur un même axe :
Échelle des longueurs
Les constituants de la matière
Les particules élémentaires
L'atome est la "brique de base" de la matière de l'Univers. Il est constitué d'un noyau autour duquel se déplacent des électrons.
Les particules qui constituent le noyau sont appelées nucléons : ce sont les protons et les neutrons.
Particule élémentaire
Une particule élémentaire est une particule qui ne peut être divisée en particules plus petites.
- L’électron est une particule élémentaire.
- Le proton et le neutron sont considérés comme des particules élémentaires même s'ils sont tous deux constitués de quarks.
Les charges électriques des particules élémentaires peuvent être exprimées en fonction de la charge élémentaire : e = 1{,}60 \times 10^{-19} C.
| Particule | Proton | Neutron | Electron |
|---|---|---|---|
| Ordre de grandeur de la masse | m_{proton} \approx 10^{-27} kg | m_{neutron} \approx 10^{-27} kg | m_{électron} \approx 10^{-30} kg |
| Charge électrique | qproton = e | qneutron = 0 C | qélectron = - e |
Les électrons sont, en général, les seules particules élémentaires susceptibles d'être arrachées, transférées à la matière ou déplacées.
Dans les expériences d'électrisation :
- Un matériau peut arracher par frottement des électrons à un autre et ainsi porter une charge négative (cas de la baguette de PVC dans la figure ci-dessous).
- Un matériau qui se charge positivement par frottement n'a pas gagné des charges positives, mais a perdu des charges négatives (les électrons) qui ont été transférées à un autre matériau (cas de la laine dans la figure ci-dessous).
Électrisation par frottement
La représentation symbolique du noyau
Par convention, le noyau d'un atome est noté _{Z}^{A}X, où :
- X est le symbole de l'élément chimique.
- A est le nombre de nucléons, appelé aussi "nombre de masse".
- Z est le nombre de protons, appelé "numéro atomique" ou aussi "nombre de charge".
Si on note N le nombre de neutrons, on peut écrire : N = A – Z.
Masse d'un noyau
La masse d'un noyau de représentation symbolique _{Z}^{A}X est :
m_{noyau} = A \times m_{nucléon}, avec : m_{nucléon} = 1{,}67 \times 10^{-27} kg.
La masse d'un noyau de lithium _{3}^{7}Li est :
m_{Li} = A \times m_{nucléon} = 7 \times 1{,}67 \times 10^{-27} = 1{,}17 \times 10^{-26} kg.
Les électrons ayant une masse négligeable devant celle des nucléons, la masse d'un atome est concentrée dans son noyau.
Charge électrique d'un noyau
La charge électrique d'un noyau de représentation symbolique _{Z}^{A}X est :
q_{noyau} = Z \times e, avec : e = 1{,}60 \times 10^{-19} C.
La charge électrique d'un noyau de lithium _{3}^{7}Li est :
q_{Li} = z \times e = 3 \times 1{,}60 \times 10^{-19} = 4{,}80 \times 10^{-19} C.
Isotopes
Des isotopes sont des noyaux qui ont le même numéro atomique Z, mais des nombres de nucléons A différents. Ils ont donc le même nombre de protons, mais pas le même nombre de neutrons.
Les noyaux de carbone 12 (_{6}^{12}C) et de carbone 14 (_{6}^{14}C) sont des isotopes.
Le nuage électronique
Un atome est électriquement neutre : il possède donc autant d’électrons que de protons.
Charge électrique du nuage électronique d'un atome
La charge électrique du nuage électronique d'un atome de représentation _{Z}^{A}X est égale à la somme de celle de ses électrons, elle peut donc s'écrire :
q_{nuage} = -Z \times e, avec : e = 1{,}60 \times 10^{-19} C.
La charge électrique d'un nuage électronique d'un atome de lithium _{3}^{7}Li est :
q_{Li} = -z \times e = -3 \times 1{,}60 \times 10^{-19} = -4{,}80 \times 10^{-19} C.
Les ions monoatomiques
Ion monoatomique
Un atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons : il devient alors un ion.
- Un cation est un ion de charge positive, formé par un atome qui a perdu un ou plusieurs électrons.
- Un anion est un ion de charge négative, formé par un atome qui a gagné un ou plusieurs électrons.
- L'atome de cuivre peut perdre 2 électrons et former ainsi l'ion cuivre \ce{Cu^{2+}} qui porte la charge électrique positive : q_{Cu^{2+}} = 2 \times e.
- L'atome de chlore peut gagner 1 électron et former ainsi l'ion chlorure \ce{Cl^{-}} qui porte la charge électrique négative : q_{Cl^{-}} = -1 \times e.
Les interactions fondamentales
Tous les phénomènes physiques, chimiques et biologiques peuvent être interprétés par quatre interactions fondamentales.
L'interaction gravitationnelle
Loi d'attraction gravitationnelle de Newton
Deux corps A et B de masses respectives mA et mB, séparés par la distance d, s'attirent mutuellement du fait de l'interaction gravitationnelle. Cette interaction est modélisée par des forces attractives \overrightarrow{F_{g A/B}} et \overrightarrow{F_{g B/A}} ayant :
- La même droite d'action : celle de la droite joignant les centres de gravité de A et de B.
- Des sens opposés : de B vers A pour \overrightarrow{F_g{A/B}} et de A vers B pour \overrightarrow{F_g{B/A}}.
- La même valeur : F_{g A/B \left(N\right)} = F_{g B/A \left(N\right)} = G \times \dfrac{m_{A \left(kg\right)} \times m_{B \left(kg\right)}}{d_{\left(m\right)}^{2}}, où G est la constante de gravitation universelle : G = 6{,}67 \times 10^{-11} N.m2.kg-2.
Représentation des forces d'interaction gravitationnelle
La cohésion (stabilité) du système {Terre - Lune} est assurée par l'interaction gravitationnelle : la Terre et la Lune s'attirent mutuellement du fait de leur masse. La valeur des forces attractives modélisant cette interaction est :
F_{gT/L} = F_{gL/T} = G \times \dfrac{m_{T} \times m_{L}}{d^{2}} = 6{,}67 \times 10^{-11} \times \dfrac{5{,}97 \times 10^{24} \times 7{,}53 \times 10^{22}}{\left(384\ 000\times 10^{3}\right)^{2}} = 2{,}03 \times 10^{20}\text{ N}
La portée de l'interaction gravitationnelle est infinie, c'est-à-dire qu'elle s'exerce quelle que soit la distance entre les deux corps massiques (même si sa valeur est d'autant plus faible que les deux corps sont éloignés).
L'interaction électromagnétique
Loi de Coulomb (interaction électromagnétique)
Deux corps A et B de charges électriques respectives qA et qB, séparés par la distance d, s'attirent ou se repoussent mutuellement du fait de l'interaction électromagnétique. Cette interaction est modélisée par des forces attractives \overrightarrow{F_{él A/B}} et \overrightarrow{F_{él B/A}} ayant :
- La même droite d'action : celle de la droite joignant les centres de gravité de A et de B.
- Des sens opposés : les forces sont attractives si les charges sont de signes opposés, sinon elles sont répulsives.
- La même valeur : F_{élA/B \left(N\right)} = F_{élB/A \left(N\right)} = k \times \dfrac{|q_{A \left(C\right)} \times q_{B \left(C\right)}|}{d_{\left(m\right)}^{2}}, où k est la constante de Coulomb : k = 9{,}0 \times 10^{9} N.m2.C-2 (dans l'air et dans le vide).
Représentation des forces d'interaction électromagnétiques
La cohésion de l'atome d'hydrogène est assurée par l'interaction électromagnétique entre le proton constituant son noyau et son seul électron se déplaçant autour : ils s'attirent mutuellement du fait de leur charge électrique opposée. La valeur des forces attractives modélisant cette interaction est :
F_{él proton/électron} = F_{él électron/proton} = k \times \dfrac{|q_{proton} \times q_{électron}|}{d^{2}} \\F_{él proton/électron} = F_{él électron/proton}= 9{,}0 \times 10^{9} \times \dfrac{|1{,}60 \times 10^{-19} \times \left(-1{,}60 \times 10^{-19}\right)|}{\left(5{,}3\times 10^{-11}\right)^{2}} = 8{,}2\times 10^{-8}\text{ N}
La portée de l'interaction électromagnétique est infinie.
L'interaction forte
Interaction forte
L'interaction forte est attractive, très intense et de portée très faible (de l'ordre de 10-15 m). Elle s'exerce entre les nucléons : elle lie les nucléons entre eux et assure la cohésion du noyau des atomes en compensant la répulsion électrique entre protons.
Dans les noyaux atomiques, les protons se repoussent du fait de l'interaction électromagnétique (la valeur de l'interaction gravitationnelle étant négligeable). C'est l'interaction forte, attractive, qui les maintient liés ensemble (et les neutrons aussi).
Plus le noyau contient de protons, plus cette interaction forte doit être intense pour contrer les forces électromagnétiques. Sinon, le noyau n'est pas stable et se désintègre : c'est la radioactivité. Le plus gros noyau naturel est l'uranium, qui contient 92 protons.
L'interaction faible
Interaction faible
L'interaction faible est de très faible intensité et de très faible portée (environ 10-18 m). Sa manifestation la plus courante est la radioactivité \beta (dans laquelle un neutron se transforme en proton ou inversement).
Les domaines de prédominance des interactions
En fonction de ses caractéristiques, chaque interaction prédomine à une certaine échelle de l'Univers :
- L'interaction gravitationnelle prédomine à l'échelle astronomique, car elle est de portée infinie et que la matière est globalement neutre électriquement.
- L'interaction électromagnétique prédomine à l'échelle humaine et à l'échelle atomique (les masses étant trop faibles pour que l'interaction gravitationnelle ait un rôle).
- L'interaction forte prédomine à l'échelle du noyau : elle est plus intense que les autres interactions, mais sa très faible portée limite son action à cette seule échelle.
