DOCUMENT : Les interactions fondamentales.

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Chapitre 8. Activité sur document
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Les interactions fondamentales.
Les physiciens considèrent que l’Univers est gouverné par quatre forces fondamentales, appelées interactions :
l'interaction gravitationnelle, l'interaction électromagnétique, l'interaction forte et l'interaction faible. A elles
quatre, ces forces naturelles sont capables d'expliquer tous les phénomènes connus, dans l'infiniment grand
comme dans l’infiniment petit.
La force (ou interaction) gravitationnelle est la plus anciennement connue des quatre forces, parce quelle est
aussi la plus évidente. C'est une force attractive qui s'exerce entre toutes les particules de l’Univers. C'est à cause
d'elle que la Terre tourne autour du Soleil et qu'il est impossible à la Lune de prendre la tangente dans la
galaxie. Mais c'est aussi à cause d'elle que les gouttes de pluie tombent vers le sol et que, selon la légende, une
pomme en chutant est venue interrompre la sieste champêtre de Newton, lui inspirant la théorie de l’attraction
universelle.
Si la portée de l’interaction gravitationnelle est infinie, son intensité est extrêmement faible. C'est même la plus
faible des quatre forces fondamentales. Pour avoir une idée de cette faiblesse, songeons que le poids de notre
corps résulte de l’interaction de celui-ci avec la masse totale de la Terre ! Bien sûr, elle se manifeste aussi à
l'échelle atomique, mais ses effets sont si ténus qu’elle est généralement négligée par les physiciens. Qu'on en
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juge : l'interaction gravitationnelle entre un proton et électron est 10 (un 1 suivi de 40 zéros) fois plus faible
que la force électromagnétique qui les lie !
La force électromagnétique, précisément, se manifeste entre toutes les particules électriquement chargées.
Contrairement à la force gravitationnelle, qui est toujours attractive, la force électromagnétique est tantôt
attractive (entre les objets qui ont des charges de signe opposé), tantôt répulsive (entre les objets qui ont des
charges de même signe). C’est grâce à elle que l'aimant attire la limaille de fer et que la boussole indique le
nord. C'est elle aussi qui lie les électrons (de charge négative) au noyau (de charge positive) pour constituer les
atomes, et les atomes entre eux pour former les molécules. De ce fait elle est à la base de tous les phénomènes
chimiques et biologiques. Sa portée est (en principe) infinie, et son intensité, nous l'avons dit, est des milliards
de milliards de fois plus forte que celle de la gravité.
L'interaction forte est comme son nom l’indique, la plus puissante des forces fondamentales (plusieurs centaines
de fois supérieure à la force électromagnétique), mais elle ne se manifeste que dans le domaine de l'infiniment
petit, car sa portée est extraordinairement limitée : elle est de l’ordre du fermi, c'est-à-dire du milliardième de
micromètre. Uniquement attractive, c'est elle qui assure la cohésion des noyaux atomiques, liant intimement
entre eux les neutrons et les protons, et empêchant notamment que ces deniers, qui possèdent une charge
positive, ne se repoussent les uns les autres en vertu de l'interaction électromagnétique. […]
L'interaction faible, enfin, s'exerce également à l'intérieur du noyau atomique, mais son intensité est de l'ordre
de dix millions de fois inférieure à celle de l'interaction forte, et sa portée encore 100 fois plus courte. Elle n'a
pas, à proprement parler, de pouvoir de liaison, ni même de répulsion, bien quelle soit responsable de la
désintégration de nombreuses particules, et notamment de la radioactivité bêta […].
D'après SCIENCES ET VIE (décembre 1999)
interaction
forte
électromagnétique
portée
intensité relative
exemples de manifestation
1
-2
10
faible
gravitationnelle
1. A l'aide du texte, compléter le tableau.
2. A l'aide du tableau, justifier que deux seulement des interactions fondamentales puissent intervenir à notre
échelle.
3. A l'aide du texte, justifier la nécessité théorique de l'existence de l'interaction forte.
4. Après avoir relu le paragraphe sur l'interaction électromagnétique, essayer de justifier pourquoi, à grande
échelle, c'est l'interaction gravitationnelle qui prédomine sur l'interaction électromagnétique.
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Chapitre 8. Activité sur document
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Les interactions fondamentales.
Éléments de correction.
1.
interaction
portée
intensité relative
forte
-15
1
10
m
électromagnétique
infinie
faible
-17
gravitationnelle
10
m
infinie
exemples de manifestation
cohésion du noyau atomique
-2
aimants, liaison électrons-noyaux, liaisons atomiques
-7
radioactivité β
-42
rotation des corps célestes, chutes
10
10
10
- L'interaction forte "est de l’ordre du fermi, c'est-à-dire du milliardième de micromètre".
- L'interaction électromagnétique : "sa portée est (en principe) infinie".
- L'interaction faible à une "portée encore 100 fois plus courte" que l'interaction forte.
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- "L'interaction gravitationnelle entre un proton et électron est 10 (un 1 suivi de 40 zéros) fois plus faible que
-2
40
-42
la force électromagnétique qui les lie" (10 /10 =10 ).
- L'interaction faible : son "intensité est de l'ordre de dix millions de fois inférieure à celle de l'interaction forte"
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7
-7
(10×10 =10 fois plus faible, c’est-à-dire une intensité relative égale à 10 ).
- "La portée de l’interaction gravitationnelle est infinie".
2. Les portées des interactions forte et faible sont trop petites pour intervenir à notre échelle.
3. L'interaction forte "liant intimement entre eux les neutrons et les protons, et empêchant notamment que ces
deniers, qui possèdent une charge positive, ne se repoussent les uns les autres en vertu de l'interaction
électromagnétique".
4. "La force électromagnétique est tantôt attractive (entre les objets qui ont des charges de signe opposé), tantôt
répulsive (entre les objets qui ont des charges de même signe)" alors que la force gravitationnelle est toujours
attractive. Or la matière est électriquement neutre. Donc, à grande échelle, c'est l'interaction gravitationnelle qui
l'emporte (même si elle est vraiment beaucoup plus faible).