L'INTERACTION ELECTROMAGNETIQUE

ou

le photon plus ou moins forcé







Le facteur de la cohésion

Un corps de masse importante, comme une planète de plus de 300 km de diamètre, est dominé par la gravitation qui lui impose une forme globale sphérique. Cette forme parfaite est spontanément adoptée par tous les astres, planètes ou étoiles.

Par contre, un objet de masse faible est dominé par la force électromagnétique qui assure sa cohésion interne. C'est pourquoi il peut avoir n'importe quelle forme : table, corps humain ou immeuble.
C'est la mieux comprise des quatre interactions et elle présente certaines analogies avec la gravitation qui a, comme elle, une portée infinie: cela s'explique par le fait que le boson médiateur, le photon, a une masse nulle et peut donc agir à très longue portée.
 


 

Unification de l'électricité et du magnétisme


 

Autrefois, l'électricité et le magnétisme étaient deux concepts bien distincts et ils le restent d'ailleurs toujours pour le non spécialiste: quoi de plus différent, à priori, que la force qui déplace l'aiguille d'une boussole et l'électricité qui allume nos lampes?
 

Et pourtant, en 1820, Oersted montre que le passage d'un courant électrique dans un fil conducteur fait dévier d'aiguille d'une boussole placée à côté: le courant électrique crée un champ magnétique.
Inversement, le mouvement alternatif d'un aimant dans une boucle de fil conducteur crée un courant électrique: c'est le principe bien connu de la dynamo.

C'est en 1873 que le physicien écossais James Clerk Maxwell unifie l'électromagnétisme avec ses équations et établit que la lumière est une onde (ou ébranlement) électromagnétique.

L'interaction électromagnétique attire deux particules de charge Q opposée (comme par exemple l'électron et le noyau atomique) et repousse deux particules de même charge.  Contrairement à la gravitation, ses effets cumulatifs sont ainsi annulés à grande distance du fait de la neutralité globale de la matière: les attractions et les répulsions localisées se compensent à grande échelle.

Chaque atome est théoriquement neutre car il comporte autant d'électrons que de protons. En réalité, les électrons peuvent s'exciter facilement et sauter d'un atome à l'autre. Ce faisant, ils créent donc des ions, c'est-à-dire des atomes incomplets chargés électriquement. Ce sont ces ions qui cherchent à compléter leurs orbitales externes et qui s'accrochent entre eux. Ces ensembles d'atomes forment des molécules qui peuvent être très complexes et très lourdes dans le cas des constituants de la vie.
En assurant la cohésion des objets grâce aux liaisons des orbitales électroniques entre atomes et entre molécules, l'interaction électromagnétique est donc à la base de la chimie et de la biochimie (ou chimie du vivant).

Pour en savoir plus sur les liaisons interatomiques, n'hésitez pas à visiter un superbe site qui traite de ce sujet: La Physique, c'est fantastique!
 


 

La QED ou électrodynamique quantique

La théorie actuelle expliquant l'électromagnétisme s'appelle l'électrodynamique quantique ou QED en sigle anglo-saxon. Vérifiée avec une extraordinaire précision, elle a toute la confiance des physiciens.
Elle nous dit que l'interaction électromagnétique résulte de l'échange de photons virtuels, impossibles à détecter en tant que tels. Toutes les particules chargées (électron, proton...) ou pourvues, comme le neutron, d'un moment magnétique (comme un petit aimant) subissent sa loi.
 

Seuls les neutrinos ne subissent ni l'interaction électromagnétique, ni la gravitation, ni l'interaction forte.

 

Ce schéma animé, appelé diagramme de Feynman, appelle une petite précision: L'électron N°1, qui se rapproche du N°2, pénètre à un moment donné dans le champ électrique du N°2 (et vis versa). C'est à cet instant qu'ils émettent tous deux un photon et qu'ils changent de direction: ce phénomène s'appelle la diffusion des électrons. Les deux fermions ne se sont pas heurtés, chacun est simplement entré dans le champ électromagnétique de l'autre et en a subi l'action. La notion de champ est une notion mathématique qui est très difficile à imaginer. Disons que l'espace entourant chaque électron semble avoir ses propriétés modifiées en tout point et selon la proximité de la particule. Nous ne nous avancerons pas plus loin!
Il est important de retenir que la force électromagnétique n'agit qu'après l'émission du boson-photon.
 


 

Nouvelle image de l'atome

On pourra mieux imaginer, à l'aide de la QED, le lien qui unit les électrons (ou leur version quantique diluée sous forme d'orbitale) au noyau de l'atome. Il faut se représenter ce lien invisible comme un incessant échange interne de photons virtuels, cela simultanément entre tous les électrons et les nucléons de leur noyau. Nous voyons là la complexité croissante de la représentation de l'atome depuis le modèle de Bohr.

Selon la QED, la force électromagnétique découle du rôle capital d'une particule virtuelle sans masse: le photon. Ce sont in fine les propriétés et les échanges de photons entre fermions qui produisent les lois de l'électricité, du magnétisme et de l'optique et par extension de toute la chimie et de toute la vie en général.