Découvrir & Comprendre – Les 4 interactions fondamentales

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Actuellement, il y a quatre types d’interactions qui sont utilisés pour expliquer les liaisons dans la matière :

Interaction universelle gravitationnelle qui s’exerce entre les corps ayant une masse, il de longue portée, mais, c’est la plus faible il demande des masses énormes, de l’ordre des masses des planètes, étoiles, lunes

Merci mon père
https://chimiephysiquescience.wordpress.com/2020/11/17/linfini-mysteres-et-limites-de-lunivers-dossier/

Interaction électromagnétique qu’exerce entre les corps chargés électriquement, de longue portée, il est quarante fois plus forte que la première Interaction.

— Interaction forte, de petite portée, de l’ordre du diamètre d’un noyau atomique, il permet d’expliquer la cohésion des noyaux atomiques, il s’exerce entre les nucléons, il est de type attractive.

— Interaction faible, de faible portée, de l’ordre du diamètre d’un noyau atomique, il permet d’expliquer la transformation d’un neutron en proton et d’un proton en neutron, des transformations qui ne sont observées qu’à l’intérieur des noyaux, l’énergie mise en jeu est faite, d’où son nom

Pour plus d’informations sur les quatre interactions fondamentales dans la matière, suivez le lien ci-dessous

https://www.cea.fr/comprendre/Pages/matiere-univers/essentiel-sur-4-interactions-fondamentales.aspx#:~:text=%E2%80%8BQuatre%20interactions%20fondamentales%20r%C3%A9gissent,forte%20et%20l’interaction%20gravitationnelle.&text=Quelles%20sont%20les%20propri%C3%A9t%C3%A9s%20de%20chacune%20de%20ces%20interactions%20%3F

quatre in,teractions fondamentales

Quelles sont les interactions fondamentales ?

Tous les processus physiques, chimiques ou biologiques connus peuvent être expliqués à l’aide de seulement quatre interactions fondamentales :

La théorie qui décrit la gravitation est la relativité générale, celle qui décrit les trois autres est le modèle standard.

Néanmoins, ce dernier modèle explique les masses de tous les fermions élémentaires comme le résultat d’une nouvelle interaction, entre ces fermions et le boson BEH. Comme ce boson n’a été observé que très récemment, il est encore difficile de dire si cette nouvelle interaction existe telle qu’imaginée. Si c’était le cas, cela signifierait qu’il existe une cinquième interaction fondamentale.


Qu’est-ce que l’interaction gravitationnelle ?

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.

https://chimiephysiquescience.wordpress.com/2020/03/29/situation-du-probleme/

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 1024kg, 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, qui publia en 1687 un livre dans lequel il a établi les lois de la gravitation. Il fallut ensuite attendre 1915 pour que Albert Einstein développe la théorie de la relativité générale, qui permet d’expliquer la gravitation par une théorie géométrique mais non quantique. 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.


Qu’est-ce que l’interaction électromagnétique ?

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

En bref, l’interaction électromagnétique permet d’expliquer presque tous les phénomènes de la vie quotidienne (mis à part la pesanteur)…

La première grande étape dans la compréhension de l’électromagnétisme vient de l’unification de l’électrodynamique et du magnétisme en une seule et même interaction par J. C. Maxwell en 1860. Puis, en 1864, Maxwell comprit que la lumière était une onde électromagnétique. Enfin, en 1887, H. Hertz montre l’existence d’ondes électromagnétiques autres que la lumière.

Quelques années plus tard, la mécanique quantique se développe et la théorie de l’électromagnétisme est quantifiée, la nature quantique de cette interaction (l’existence du photon) ayant déjà été découverte par Einstein en 1905. Finalement, après la résolution de problèmes techniques, la première théorie à la fois quantique et relativiste est achevée dans les annéees 1948-49 par Tomonaga, Schwinger et Feynman, c’est l’électrodynamique quantique ou QED.

Mais, comment fonctionne QED ?


Qu’est-ce que l’interaction forte ?

L’interaction forte est une force qui agit sur les quarks et par extension sur les hadrons. Les leptons y sont totalement insensibles.

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.

L’histoire des interactions fortes commence en 1911 avec la découverte du noyau atomique par Rutherford. En effet, il fallut trouver une nouvelle force pour expliquer que les noyaux atomiques ne se disloquent pas sous l’effet électrique répulsif des protons entre eux. Néanmoins, il fallut attendre 1967-70 et le développement du modèle des quarks pour que la théorie de l’interaction forte soit élaborée, c’est à dire la chromodynamique quantique ou QCD.

Mais, comment fonctionne QCD ?


Qu’est-ce que l’interaction faible ?

L’interaction faible est une force qui agit sur toutes les particules. En particulier, c’est la seule force à laquelle sont sensibles les neutrinos.

L’interaction faible est responsable de la radio-activité β qui permet les réactions nucléaires qui sont la source d’énergie du Soleil. La radio-activité naturelle est probablement aussi une source d’énergie importante pour maintenir le magma en fusion sous la croûte terrestre.

L’histoire de l’interaction faible commence bien sûr en 1896 avec la découverte de la radio-activité par Becquerel. Il faut ensuite attendre 1933 pour que E. Fermi élabore le premier modèle des interactions faibles en incorporant l’existence non encore démontrée du neutrino. Puis, en 1961, S. L. Glashow tente d’unifier l’interaction faible et l’électromagnétisme en une seule interaction électrofaible. Cette unification prédit l’existence d’une interaction faible par courant neutre qui est découverte en 1973. Elle prédit aussi l’existence de vecteurs de cette interaction, les W+, W et Z0, qui sont à leur tour découverts en 1983.

Mais, comment agissent les W et le Z0 ?


Interaction et échange de particules

Les interactions sont expliquées en physique des particules comme l’échange entre particules de matière de particules de rayonnement.

Le dessin ci-dessous montre deux barques qui s’éloignent l’une de l’autre car leurs occupants échangent un ballon (par le principe d’action-réaction bien connu). Il y a donc interaction à distance entre les deux barques par échange d’un objet intermédiaire (le ballon). Cet objet est appelé le vecteur de l’interaction.

Ainsi, en physique des particules, on explique toute interaction entre particules par l’échange entre ces particules de vecteurs (qui sont eux-même des particules).Echange d'une particule
Exemple d’interaction entre deux barques par l’échange d’un ballon.

On peut aussi imaginer que plus le ballon est lourd, plus il sera difficile aux occupants du bateau de le lancer loin. Ainsi, si le ballon est trop lourd, les bateaux ne pourront plus interagir au-delà d’une certaine distance.

De même, en physique des particules, plus la particule vecteur d’une interaction sera lourde, plus cette interaction sera de courte portée.


Existe-t-il une cinquième (ou sixième) force ?

Le modèle standard prédit l’existence d’une nouvelle interaction, dont le boson serait le boson BEH, afin d’expliquer l’existence de la masse. Si cette prédiction se confirmait, il s’agirait bien d’une cinquième force.

Les théoriciens ayant beaucoup d’imagination, il y a régulièrement des nouvelles théories qui prédisent une nouvelle force, qui serait donc la sixième interaction fondamentale. Néanmoins, ces théories ne résistent en général pas aux expériences mises en oeuvre pour vérifier leurs prédictions…

De même, il arrive parfois qu’une expérience observe un phénomène pouvant laisser croire à l’existence d’une nouvelle interaction. Mais, ces résultats ne sont en général pas confirmés par d’autres expériences et il s’avère souvent que le phénomène nouveau était simplement un effet non compris d’un phénomène déjà connu.

Finalement, à l’heure actuelle, tous les phénomènes connus sont explicables à l’aide des quatre (ou cinq) interactions fondamentales connues… Il n’existe donc pas de manifestation connue d’une sixième force.

Four fondamental interactions

Four Fundamental Interactions The forces of gravity and electromagnetism are familiar in everyday life. Two new forces are introduced when discussing nuclear phenomena: the strong and weak interactions. When two protons encounter each other, they experience all four of the fundamental forces of nature simultaneously. The weak force governs beta decay and neutrino interactions with nuclei. The strong force, which we generally call the nuclear force, is actually the force that binds quarks together to form baryons (3 quarks) and mesons (a quark and an anti-quark). The nucleons of everyday matter, neutrons and protons consist of the quark combinations uud and udd, respectively. The symbol u represents a single up quark, while the symbol d represents a single down quark. The force that holds nucleons together to form an atomic nucleus can be thought to be a residual interaction between quarks inside each individual nucleon. This is analogous to what happens in a molecule. The electrons in an atom are bound to its nucleus by electromagnetism: when two atoms are relatively near, there is a residual interaction between the electron clouds that can form a covalent bond. The nucleus can thus be thought of as a “strong force molecule.” The force between two objects can be described as the exchange of a particle. The exchange particle transfers momentum and energy between the two objects, and is said to mediate the interaction. A simple analogue of this is a ball being thrown back and forth between two people. The momentum imparted to the ball by one person gets transferred to the other person when she catches the ball. The potential energy associated with each force acting between two protons is characterized by both the strength of the interaction and the range over which the interaction takes place. In each case the strength is determined by a coupling constant, Table 4-1. Strength and range of the four fundamental forces between two protons. Note that the strong force acts between quarks by an exchange of gluons. The residual strong force between two protons can be described by the exchange of a neutral pion. Note the W± is not included as an exchange particle for the weak interaction because it is not exchanged in the simplest proton-proton interaction. Interaction Gravity Weak Electromagnetism Exchange particle Graviton Z0 Photon Strong Residual Mass Pion 0 mc2 (eV) 91×109 0 135 x 106 Coupling constant C2 (J · m) 1.87×10-64 3.22×10-31 2.31×10-28 2.5 x10-27 Range (m) ∞ 2 x 10-18 ∞ 1.5 x 10-15 4-1 Chapter 4—Four Fundamental Interactions and the range is characterized by the mass of the exchanged particle. The potential energy, U, between two protons a distance r apart is written as 2 =− U Crr R ( exp / ) where R is the range of the interaction, and C2, is the strength of the interaction. In each case the interaction is due to the exchange of some particle whose mass determined the range of the interaction, R = h/mc. The exchanged particle is said to mediate the interaction. Table 4-1 shows a comparison between the coupling constants and ranges of the four forces acting between two protons. Although the graviton has not yet been observed, it is thought that there is an exchange particle associated with gravity and that eventually gravity will be described in a unified theory with the other three forces of nature. Fig. 4-1. A representation of the strong force. Depending on the complexity of the problem, scientists use different formulations. The range of the gravitational and electromagnetic forces is infinite, while the ranges of the strong and weak forces are very short. Also, the strength of the interaction depends on the separation between the two protons. Both gravitation and electromagnetism are of infinite range and their strengths decrease as the separation, r, increases—falling off as 1/r2. On the other hand, because the exchange particles for the strong and weak forces have a large mass, the force associated with them is zero outside of a short range. 4-2 Chapter 4—Four Fundamental Interactions Note that the strong force between two protons is a residual interaction. The quarks inside the nucleons interact through the exchange of gluons that carry a quantum number called “color” (i.e., a “color-neutral” object does not feel the strong force, like an electrically neutral object does not feel electromagnetism). Figure 4-1 shows three different ways that the strong force can be viewed. The theory of strong interactions among quarks and gluons is called Quantum Chromodynamics (QCD). A very successful model of describing this residual force is by the exchange of the π (pi) meson, or pion. This description, dating back to the work of Yukawa in the 1930s, works extremely well except at very short distances, and is generally used to describe most of the properties of complex nuclei. Exactly at what distance inside the nucleus, or correspondingly at what values of momentum transferred between the nucleons, the pion exchange model breaks down is the subject of much current research in nuclear physics. It is presently thought that this transition occurs somewhere around momentum transfers of 1 GeV/c. Books and Articles: James O’Connell, Comparison of the Four Fundamental Interactions of Physics, The Physics Teacher 36, 27 (1998). Richard A. Carrigan and W. Petter Trower (Ed.), Particles and Forces: At the Heart of Matter: Readings from Scientific American Magazine, W.H. Freeman Co., 1989. 4-3

Publié par zeggaoui el mostafa

professeur agrégé de physique et chimie ; militant pour l'apprentissage et la diffusion de la culture scientifique en général , physique chimique essentiellement , ainsi que , je contribue à développer un projet d'apprentissage scientifique à distance , en aidant les élèves en publiant un ensemble de leçons et des exercices de physique chimique , du cycle secondaire qualifiant marocain

4 commentaires sur « Découvrir & Comprendre – Les 4 interactions fondamentales »

  1. Maintenant, il y a de grands efforts pour unifié ces quatre interactions en une, l’unification qui apparaît réussi est entre l’interaction électromagnétique et l’interaction faible, qui donne une interaction baptisé électrofaible

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