1. Introduction
9
où ˆ
r est le vecteur unitaire
11 r/r, r = | r | et ε 0 la permittivité du vide. Si les
charges sont en mouvement avec une vitesse v, on doit aussi tenir compte des
forces magnétiques, mais celles-ci sont plus faibles que la force de Coulomb
par un facteur ∼ (v/c)
2
. Pour les électrons des couches externes, (v/c)
2 ∼
(1/137)
2 ≪ 1, mais, compte tenu de la très grande précision des expériences de
physique atomique, les forces magnétiques sont facilement mises en évidence
dans des phénomènes comme la structure fine ou l’effet Zeeman (§ 15.2.3). La
force de Coulomb (1.3) est caractérisée par
• la forme de la loi de force en 1/r
2 : la loi de force est dite àl o n g u e
portée ;
• l’intensité de la force mesurée par une constante de couplage qq
′ /(4πε 0 ).
Le point de vue moderne, celui de la théorie quantique des champs,
est que les forces électromagnétiques sont dues à l’échange de photons
“virtuels”
12 entre particules chargées. La théorie quantique des champs
résulte du mariage (conflictuel
13 !) entre la mécanique quantique et la
relativité restreinte. Les interactions entre atomes ou molécules sont représentées par des forces effectives, par exemple les forces de van der Waals
(exercice 15.6.1). Ces forces n’ont pas de caractère fondamental car elles
se déduisent de la force de Coulomb : c’est le déguisement sous lequel
apparaît la force de Coulomb pour des sytèmes complexes électriquement
neutres.
Les interactions fortes sont responsables de la cohésion du noyau atomique. Contrairement à la force de Coulomb, elles décroissent exponentiellement en fonction de la distance, suivant une loi en exp(−r/r 0 )/r
2 ,a v e c
r 0 ≃ 1 fm : on dit que ce sont des forces à courte portée.P o u rr < ∼ r 0 , elles
sont très intenses. Il en résulte que les énergies caractéristiques dans un noyau
sont de l’ordre du MeV, alors qu’elles sont de l’ordre de l’eV dans un atome
pour les électrons des couches externes. En réalité, les forces entre nucléons ne
sont pas des forces de type fondamental, car les nucléons sont, on l’a vu, des
particules composées. Les forces entre nucléons sont l’analogue des forces de
van der Waals pour les atomes, et les forces fondamentales sont les forces entre
quarks. Cependant, la relation quantitative qui relie les forces entre nucléons
et les forces entre quarks est encore loin d’être comprise. Le gluon, particule de masse nulle et de spin 1 comme le photon, joue, pour les interactions
fortes, le rôle que joue le photon pour les interactions électromagnétiques.
La charge est remplacée par une propriété appelée par convention couleur,
11. Nous utiliserons systématiquement la notation ˆ
r, ˆ
n, ˆ
p, etc. pour les vecteurs unitaires
de l’espace ordinaire.
12. Ce terme sera expliqué au § 4.2.4.
13. La combinaison de la mécanique quantique et de la relativité restreinte conduit
à des résultats infinis, et ces infinités doivent être contrôlées par une procédure appelée
renormalisation, qui n’a vraiment été comprise et justifiée que dans les années 1970.
9
où ˆ
r est le vecteur unitaire
11 r/r, r = | r | et ε 0 la permittivité du vide. Si les
charges sont en mouvement avec une vitesse v, on doit aussi tenir compte des
forces magnétiques, mais celles-ci sont plus faibles que la force de Coulomb
par un facteur ∼ (v/c)
2
. Pour les électrons des couches externes, (v/c)
2 ∼
(1/137)
2 ≪ 1, mais, compte tenu de la très grande précision des expériences de
physique atomique, les forces magnétiques sont facilement mises en évidence
dans des phénomènes comme la structure fine ou l’effet Zeeman (§ 15.2.3). La
force de Coulomb (1.3) est caractérisée par
• la forme de la loi de force en 1/r
2 : la loi de force est dite àl o n g u e
portée ;
• l’intensité de la force mesurée par une constante de couplage qq
′ /(4πε 0 ).
Le point de vue moderne, celui de la théorie quantique des champs,
est que les forces électromagnétiques sont dues à l’échange de photons
“virtuels”
12 entre particules chargées. La théorie quantique des champs
résulte du mariage (conflictuel
13 !) entre la mécanique quantique et la
relativité restreinte. Les interactions entre atomes ou molécules sont représentées par des forces effectives, par exemple les forces de van der Waals
(exercice 15.6.1). Ces forces n’ont pas de caractère fondamental car elles
se déduisent de la force de Coulomb : c’est le déguisement sous lequel
apparaît la force de Coulomb pour des sytèmes complexes électriquement
neutres.
Les interactions fortes sont responsables de la cohésion du noyau atomique. Contrairement à la force de Coulomb, elles décroissent exponentiellement en fonction de la distance, suivant une loi en exp(−r/r 0 )/r
2 ,a v e c
r 0 ≃ 1 fm : on dit que ce sont des forces à courte portée.P o u rr < ∼ r 0 , elles
sont très intenses. Il en résulte que les énergies caractéristiques dans un noyau
sont de l’ordre du MeV, alors qu’elles sont de l’ordre de l’eV dans un atome
pour les électrons des couches externes. En réalité, les forces entre nucléons ne
sont pas des forces de type fondamental, car les nucléons sont, on l’a vu, des
particules composées. Les forces entre nucléons sont l’analogue des forces de
van der Waals pour les atomes, et les forces fondamentales sont les forces entre
quarks. Cependant, la relation quantitative qui relie les forces entre nucléons
et les forces entre quarks est encore loin d’être comprise. Le gluon, particule de masse nulle et de spin 1 comme le photon, joue, pour les interactions
fortes, le rôle que joue le photon pour les interactions électromagnétiques.
La charge est remplacée par une propriété appelée par convention couleur,
11. Nous utiliserons systématiquement la notation ˆ
r, ˆ
n, ˆ
p, etc. pour les vecteurs unitaires
de l’espace ordinaire.
12. Ce terme sera expliqué au § 4.2.4.
13. La combinaison de la mécanique quantique et de la relativité restreinte conduit
à des résultats infinis, et ces infinités doivent être contrôlées par une procédure appelée
renormalisation, qui n’a vraiment été comprise et justifiée que dans les années 1970.