Les interactions fondamentales
La cohésion de la matière est due aux interactions entre les particules élementaires. Il existe en tout quatre forces qui permettent de catégoriser tous les phénomènes connus :
- L'interaction gravitationelle entre les masses (par Newton en 1867)
- L'interaction électromagnétique entre les charges (par Coulomb en 1785)
- L'interaction forte entre les nucléons (en 1970)
- L'interaction faible qui intervient dans les désintégrations radioactives (en 1934)
L'interaction gravitationelle
On définit deux corps, A et B, séparés l'un de l'autre par une distance d
Ces deux corps possèdent tous les deux une masse, respectivement mA et mB
L'interaction qui va s'exercer sur ces deux corps est appelée Interaction gravitationelle. On l'écrit FA/B et FB/A Elle possède plusieurs caractéristiques :
- Sa direction : Direction de la droite (AB)
- Son sens : Dirigée vers le centre attracteur (A pour FA/B ; B pour FB/A)
- Sa valeur (en Newton) :
Avec mA et mB en kg ; d en m ; G constante de gravitation
G = 6,67 x 10-11 N.m2.kg-2
L'interaction gravitationnelle est une force toujours attractive qui agit sur toute forme d'énergie, mais avec une intensité extrèmement faible (c'est l'interaction la plus faible des quatre interactions fondamentales). Ainsi, ses effets ne sont perceptibles que lorsque des objets très massifs (la masse est une forme d'énergie) sont en jeu, c'est le cas pour les objets astronomiques.
L'énorme masse des étoiles, des planètes ou des galaxies les rend donc très sensibles à la gravitation et c'est la seule interaction en jeu pour expliquer les mouvements de ces objets.
De même, l'énorme masse de la Terre (6.10^24kg, soit six mille milliards de millards de tonnes) la rend très attractive pour des objets moins massifs. Ainsi, la pesanteur et donc le poids des objets sur Terre sont le résultat de l'attraction gravitationnelle de la Terre sur ces objets. C'est pourquoi, le poids d'un objet est plus faible sur la Lune que sur Terre, puisque la masse de la Lune est plus faible que celle de la Terre.
Enfin, c'est l'attraction gravitationnelle de la Lune sur l'eau des océans (dont la masse totale est importante) qui permet d'expliquer le phénomène des marées.
Le premier à avoir compris que la pesanteur terrestre et les mouvements astronomiques étaient le résultat d'une seule et même interaction est Isaac Newton, en 1687. La gravitation n'est donc pas du tout prise en compte par la physique des particules, mais son intensité est totalement négligeable à l'échelle des particules élémentaires.
L'intéraction éléctrique
Loi de Newton
On définit deux corps, A et B, séparés l'un de l'autre par une distance d
Ces deux corps portent tous les deux une charge, respectivement qA et qB
L'interaction qui va s'exercer sur ces deux corps est appelée Interaction électrique. On l'écrit FA/B et FB/A Elle possède plusieurs caractéristiques :
- Sa direction : Direction de la droite (AB)
- Son sens : Répulsion si qA et qB ont même signe, Attraction si qA et qB ont signe différent
- Sa valeur (en Newton) :
L'interaction électromagnétique est une force répulsive ou attractive qui agit sur les objets ayant une charge électrique. Deux objets de charges électriques de même signes se repoussent alors que deux objets de charges électriques de signes opposés s'attirent. Comme les atomes sont électriquement neutres, il y a peu d'effet de cette interaction à grande échelle.
L'interaction électromagnétique est bien sûr à l'origine de tous les phénomènes électriques et magnétiques.
L'interaction électromagnétique permet aussi la cohésion des atomes en liant les électrons (charge électrique négative) et le noyau des atomes (charge électrique positive). Cette même liaison permet de combiner les atomes en molécules et l'interaction électromagnétique est donc responsable des réactions chimiques. Enfin, la chimie de certaines classes de molécules permet d'expliquer la biologie.
Cette interaction peut, dans certaines conditions, créer des ondes électromagnétiques, parmi lesquelles on distingue la lumière, les ondes radio, les ondes radar, les rayons X...
L'interaction forte
L'interaction forte est une force qui agit sur les quarks.
L'interaction forte permet la cohésion des noyaux atomiques en liant les protons et les neutrons entre eux au sein de ce noyau. Si cette interaction n'existait pas, les noyaux ne pourraient pas être stables et seraient dissociés sous l'effet de la répulsion électrostatique des protons entre eux.
L'interaction forte est aussi responsable des réactions nucléaires, source d'énergie des étoiles et donc du Soleil.
(Correction activité Interactions fondamentales ici)