L'électron dans l'atome. Des nucléons à l'électron libre

L'électron dans l'atome. Des nucléons à l'électron libre

PHYSIQUE DES ONDES

ESSAI D'UNE NOUVELLE PHYSIQUE

RUBRIQUE N° 30 L’ÉLECTRON DANS L'ATOME

DES NUCLÉONS A L’ÉLECTRON LIBRE

Par Paul Bouchard Le 25/08/2020

1) INTRODUCTION

Cette rubrique N°30 du blog ''paulpb.eklablog.fr'' est la suite logique des rubriques N°28 et 29 qui traitaient de l'interaction des rayonnements avec la matière, de la propagation de la lumière dans les fibres optiques, de l'optique non linéaire et des ondes particulières que sont les solitons.

Dans la rubriques N°29, nous avons étudié le fonctionnement du laser et son utilisation pour amplifier l'énergie des rayonnements afin d'obtenir des impulsions lumineuses ultra-brèves et ultra-puissantes. Nous avons vu que des techniques sophistiquées (CPA) ont permis d'utiliser des ondes lumière de haute fréquence, jusqu'aux rayons X, donnant accès à l'étude, à l'échelle atomique de la structure et des propriétés des matériaux. C'est ainsi que l'optique rejoint l'étude du comportement et des propriétés physiques des matériaux dans un double cadre, celui des hautes énergies (non linéarité) et celui des plus petites dimensions (nanotechnologie). Ce domaine de recherches avait été déjà abordé dans la rubrique N°22 : ''Physique de la matière condensée, de la supraconduction à la spintronique''.

Pour cette 30ème rubrique je désirais entreprendre, dans l'optique de la physique des ondes, l'étude des lasers à électrons libres et des ondes de plasma. Mais il m'est apparu indispensable auparavant d'exposer à nouveau, avec plus de détails, les hypothèses de base de la physique des ondes concernant en particulier la nature de l'électron. Nous préciserons également son mode d'implication intra-atomique dans les interactions énergétiques entre lumière et matière, son mode d'action comme onde électromagnétique ainsi que le mode de production des électrons libres.

2) DÉFINITION DE L’ÉLECTRON PAR LA PHYSIQUE DES ONDES

Pour la physique des ondes, l'électron est la véritable "onde électromagnétique" qui aurait pour origine l'interférence d'une onde longitudinale de type lumière avec un champ magnétique transversal (avec des ondes de type magnéto-gravitationnelles). L'électron pourrait être la particule de base de la matière, formée dans le plasma des disques d'accrétion des étoiles en formation. La "fabrique" d'électrons se ferait, en continu et en série, par paire ressemblant à deux "vortex", l'un tournant dans le sens horaire (l'électron -), l'autre dans le sens anti-horaire (le positron +) . A l'origine de ce phénomène on imagine l'action d'une onde lumière de choc (de grande énergie et de vitesse c), passant de la ''substance de l'espace'' au plasma de l'étoile en formation. Le processus serait analogue à celui d'un bang supersonique et sa représentation serait comme la résultante d'une étrave de bateau dans l'eau.

En supposant qu'une telle hypothèse soit reconnue comme une réalité, les deux ondes ainsi créées (électron et positron) le sont "dans et de" substance de l'espace, elles possèdent l'énergie des ondes lumière et sont soumises au très important champ magnétique du disque d'accrétion de l'étoile en formation. Ce champ fournit à l'onde lumière une polarisation circulaire, c'est-à-dire une nouvelle énergie de rotation qu'elle conserve. Faisant partie de la substance de l'espace ces énergies en conservent les propriétés, à savoir la quantification des deux énergies et la vitesse maximum de la particule ainsi structurée.

Ainsi pourraient naître, à l'intérieur des deux "ondes-mères", deux séries de particules élémentaires, électrons et positrons, possédant chacune le quantum d'énergie élémentaire fourni par leur onde lumière longitudinale, et l'énergie magnétique élémentaire dite de masse (m) également quantique, donnée par leur onde magnétique tournante transversale nommée ''onde de structure''. Celle-ci "rigidifie" la première et l'interférence des deux ondes constitue leur nouvelle nature : "particule élémentaire de la matière".

La particule élémentaire que je propose serait donc constituée par une onde lumière polarisée circulairement. En repos elle aurait la forme d'un disque mis en rotation par l'énergie du champ magnétique transversal comme je l'ai indiqué. En mouvement, elle aurait la forme d'un vortex plus ou moins pointu (et "compact") suivant la fréquence de l'onde lumière. L'énergie de rotation est quantique, l'onde lumière est "découpée" en quanta par cette onde rotationnelle, et la fréquence de la rotation de cette onde de structure est en rapport avec la fréquence de l'onde lumière. Il en résulte que, dans l'espace, "l'effet de masse" est proportionnel à la vitesse de la particule.

Ainsi l'électron, particule élémentaire, relie en son sein le quantum de mouvement (énergie de l'onde de type lumière), le quantum de moment magnétique (onde transversale) et la substance de l'espace (qui constitue à la fois l'une et l'autre onde). L'électron met donc en rapport, avec la constante "h" de Planck, le quantum de mouvement "de et dans" la substance de l'espace, la charge élémentaire "e", le quantum de moment magnétique et la masse élémentaire "m".

Tout corps de matière est neutre au repos car ses atomes sont en équilibre entre les particules chargées positivement (positrons) et celles chargées négativement (électrons). Une des hypothèses fondamentales de la physique des ondes est exposée au chapitre N°4 ''La matière, l'atome, l'électron'' et reprise dans la rubrique N°24 ''Étude de la masse-énergie des particules atomiques''. Elle exprime la possibilité que chaque nucléon (proton et neutron) constituant le noyau d'un atome soit composé de ''brochettes'' d'électrons et de brochettes de positrons. Ces brochettes sont en équilibre magnétique dans un neutron (918 électrons, 918 positrons). Elles le sont aussi dans un proton, (918 positrons, 917 électrons) sauf qu'un de ses positrons (de sa brochette de positrons) se trouve relié magnétiquement à un électron extérieur au noyau situé sur une des orbitales périphériques de l'atome. Si un atome perd un électron périphérique, son noyau devient un ''ion''+.

3) POUR UN CHANGEMENT DE PARADIGME

L'équilibre interne (en repos) entre les particules formant un atome dont nous venons de parler est un équilibre entre charges élémentaires (électrostatique). Deux électrons ou deux positrons se repoussent, un électron et un positron se marient, sans s’annihiler comme on le pense généralement, car ce sont des ondes et non des boules. Les hypothèses que nous avons exposé donnent une réalité physique, une cohésion de structure, à l'atome du modèle standard de la physique des particules, ce que celle-ci n'a jamais réussi à faire.

Au début du 20ème siècle, la théorie des quanta a introduit dans la physique théorique une connaissance remarquable de la structure de l'atome. Cette conception de la structure électronique des atomes, avec son niveau fondamental et ses harmoniques aurait dû conduire à adopter et développer les idées de Louis de Broglie sur la nature ondulatoire de l'électron et sur son ''onde pilote''. Sans occulter complètement cette physique ondulatoire qu'ils ne pouvaient méconnaître, les physiciens de l'époque (1925-1930) ont choisi d'orienter leurs travaux dans l'esprit de la ''mécanique'' quantique. Puis, pour tenir compte des phénomènes électromagnétiques, ils ont incorporé à la mécanique la notion de champs et ont ainsi développé la ''théorie quantique des champs'' avec une pléthore de particules et pseudo-particules.

<< La théorie quantique des champs est une approche en physique théorique pour construire des modèles décrivant l'évolution des particules, en particulier leur apparition ou disparition lors des processus d'interaction entre la lumière et la matière. >> Wikipédia

En effet, pour cette physique, les particules élémentaires sont des boules qui se meuvent comme dans un billard à trois puis quatre dimensions, elles sont douées de masse et de charge qui sont des concepts sans réalité mais qui permettent de concevoir, d'étudier et de quantifier leurs mouvements en utilisant soit les lois de la mécanique, soit des notions de ''champs'' électromagnétiques. Cela a permis, en extrapolant les lois et les ''effets'' de la mécanique, du domaine macroscopique au domaine de l'infiniment petit, de développer les études de ce dernier dans des conditions qui restent acceptables, tant que l'on demeure à des niveaux d'énergie linéaires (voir la précédente rubrique).

Un siècle après, le ''zoo'' des particules est spectaculaire, même la lumière est trop souvent considérée comme une particule. << En théorie quantique des champs, le photon est la particule médiatrice de l’interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d’un point de vue quantique comme un échange de photons. >> Wikipédia

Le quantum minimum de mouvement, propriété caractéristique de la substance de l'espace, devient pour la lumière, ''le photon'', pseudo-particule qui relie les particules élémentaires de matière, comme le ferait la balle de ping-pong entre les raquettes de deux joueurs. C'est ainsi que la physique des particules explique l'interaction rayonnement matière. L'invention de toutes sortes de particules virtuelles intermédiaires est nécessaire puisqu'il est question de collisions de boules, d'éjection, d'impulsion, de vitesse, de densité, de pression...bref de mécanique.

<< En physique, une particule virtuelle est une fluctuation quantique transitoire dont les caractéristiques sont proches de celles d'une particule ordinaire, mais qui existe pendant un temps limité du fait du principe d'incertitude. Le concept de particule virtuelle vient de la théorie des perturbations de la théorie quantique des champs dans laquelle les interactions entre particules ordinaires sont décrites en termes d'échanges de particules virtuelles. >> Wikipédia

C'est lorsque le système est en mouvement que l'intelligibilité de la ''mécanique'' des particules précédemment esquissée devient problématique. Plus on cherche à expliquer la réalité des ''effets'' expérimentaux, plus les paradoxes apparaissent. Dans les faits, ce sont ces résultats expérimentaux plus que la théorie qui font avancer la science. La théorie cherche (en vain) à s'accorder aux ''effets'' qui sont découverts par les physiciens chercheurs. Ces effets, ainsi que les lois qui vont souvent avec, portent le nom de leur découvreur, (au cas où ils seraient contredits par la suite). En science physique, plus de 80 effets sont répertoriés. Nombreux sont les effets qui sont classés ''purement quantiques'', pour dire que la théorie ne peut les expliquer. Le fond du problème peut s'exprimer par le fait qu'il conviendrait que l'énergie et la matière soit de même nature. C'est précisément l'apport de base de la physique des ondes pour laquelle la particule élémentaire de matière (l'électron) est constituée d'une onde énergétique longitudinale matérialisée par une onde transversale de structure.

En physique des ondes ce ne sont plus les ondes de type lumière qui présentent des ''particularités de particule'', c'est la matière qui est faite d'ondes. Tout est alors plus simple et clair. Les ondes de type lumière ne sont pas des ondes électromagnétiques, elles n'ont aucune composante transversale, aucune propriété magnétique ni électrique. Une mauvaise interprétation de Maxwell concernant la vitesse des ondes dans le vide de l'espace a entraîné la confusion entre la lumière et la véritable onde électromagnétique qui est l'électron-positron.

4) INTERACTION LUMIÈRE - MATIÈRE

J'ai jugé nécessaire d'exposer une fois de plus, dans nos hypothèses de base, le rôle de l'électron ainsi que la différence de conception entre la physique des ondes et la physique standard, pour ce qui concerne les phénomènes d'interaction de la lumière avec la matière. Nous devons maintenant laisser de côté la physique ''mécanique'' et parler uniquement d'ondes afin de décrire cette interaction selon un paradigme ondulatoire. Les possibilités de contact et de transfert d'énergie entre particules-ondes par mise en résonance et l'échelle des fréquences sont les critères essentiels à prendre en compte pour expliquer la réalité des faits et des effets.

L'interaction entre les ondes de type lumière et la matière se produit lorsqu'un système est en déséquilibre ce qui est pratiquement une généralité. Même dans un système qui semble immobile, il se pratique constamment des échanges d'énergie (le plus souvent thermique). Bien que les effets de ces interactions soient dissemblables suivant la fréquence des ondes et les matériaux en jeu, le processus est identique.

Ce processus général de l'interaction lumière-matière a été décrit dans la rubrique N°28 chapitre N°3 intitulé ''L'électron récepteur-échangeur d'énergie''. Ce chapitre comportait l'étude des propriétés de diffusion et d'absorption des ondes de type lumière qui dépendent des critères suivants :

* La nature du matériau, (gaz, liquide, solide, mou, dur, conducteur, isolant, transparent...etc).

* L'état de surface du matériau, (couleur, poli, réfléchissant...etc).

* La structure électronique du matériau.

* Le rapport entre la ou les longueurs d'onde du rayonnement incident et la dimension des particules diffusantes du matériau.

* L'échelle de la ou des fréquences de l'onde de type lumière qui frappe la matière. (radio, infrarouge, visible, UV, rayons X)

Lorsqu'une onde de type lumière frappe la surface d'un matériau, si celui-ci possède des propriétés physiques lui permettant d'absorber cette onde, cela signifie qu'il est formé d'atomes capables d'être excités par cette onde, autrement dit qu'il possède des atomes dont les électrons peuvent entrer en résonance à la même fréquence que celle de l'onde lumière qui frappe ce matériau. La diffusion de l'onde, son absorption et sa réémission par le matériau, dépendent des différents critères exposés ci-dessus. On peut distinguer deux types de diffusion :

* La diffusion élastique, sans accord de fréquence possible entre le rayonnement incident et la structuration électronique du matériau récepteur, donc sans échange d'énergie, (diffusion Rayleigh).

* La diffusion inélastique dans laquelle la mise en résonance est possible car les échanges d'énergie proviennent d'une onde lumière dont une des fréquences est proche d'un des niveaux électroniques d'énergie des atomes du matériau ciblé (diffusion Raman). Cette diffusion inélastique décale vers le rouge ou vers le bleu la lumière réémise (effet Raman). Dans le premier cas, la réémission se fait avec une plus faible énergie car la transition de l'électron, pour mise en résonance, s'est faite au niveau supérieur. Le rayonnement incident a perdu de l'énergie absorbée par la matière. C'est le contraire dans le second cas (transition au niveau inférieur) où l'atome a fourni une (faible) énergie à l'onde réémise.

Mais le critère essentiel qui détermine le résultat de l'interaction d'une onde de type lumière sur un matériau est la fréquence de cette onde exprimée en hertz. Ci-dessous nous avons copié un tableau des rayonnements non ionisants, c'est -à-dire hors rayons X et gamma. Il est extrait du site :

http://stop-compteurs.blogg.org/tableaux-des-frequences-o em-p1279978

Les longueur d'onde sont celles des ondes dans le vide (dans la substance de l'espace).

5) EFFETS ET USAGES DES ONDES ÉNERGÉTIQUES A DIFFÉRENTES FRÉQUENCES

Nous parlons dans ce chapitre des rapports énergétiques entre les ondes, l'action des champs magnétiques sera reliée plus loin. Parmi ces ondes énergétiques figurent les ondes dites mécaniques, en particulier les ondes sonores dont les fréquences se chevauchent avec celles des rayonnements (ondes radio), mais qui ne vibrent pas dans le même milieu ni sur le même mode. En effet le son est une vibration mécanique qui, pour se propager, a besoin d'un support matériel (solide, liquide, gazeux). Cette propagation est généralement attribuée, pour les liquides et les gaz, à une variation de pression créée par la source dans ce milieu et, pour les solides, à une mise en résonance de la matière même. (Voir la rubrique N°6 ''Propagation des ondes sonores dans l'air'').

Voici les domaines des ondes sonores :

Infrasons < 16 Hz Ultrasons > 20 kHz Hypersons > 1 Ghz.

Plage de fréquence de l'oreille humaine : 16 Hz pour les basses ou graves profondes, 15 à 18 kHz pour les aiguës les plus fines et élevées.

Le terme de ''rayonnement énergétique'' que nous employons est équivalent à celui de ''rayonnement électromagnétique'' couramment utilisé. Cette dernière appellation habituelle est définie par la physique standard soit de manière corpusculaire comme une propagation de photons, soit de manière ondulatoire comme une onde électromagnétique qui se manifesterait sous la forme d'un champ électrique couplé à un champ magnétique (définition attribuée par nous à l'électron).

Rappelons à nouveau que la physique des ondes appelle ce concept de rayonnements énergétiques ''ondes de type lumière''. Ces ondes ne sont pas ''électromagnétiques'' car elles n'ont aucune propriété magnétique. Elles ne sont pas électriques mais énergétiques car elles transportent de l'énergie d'une matière à une autre. Elles comprennent toutes les ondes qui se propagent dans la substance de l'espace, en dehors des particules cosmiques ou autres. Elles possèdent toutes les propriétés qui caractérisent les ondes ainsi que leur mode de propagation dans la substance de l'espace. Nous avons consacré de nombreuses rubriques à leur exposition. Le tableau précédent donne le détail de ces ondes et leurs fréquences, ce qui permet de les classer.

Nous étudions ci-dessous les principaux ''effets'' expérimentaux de ces rayonnements sur la matière en partant des plus basses fréquences des ondes énergétiques. Celle-ci, les ondes radio en particulier, ont une grande importance pour l'homme car c'est sur cette plage de fréquence que se rencontrent toutes les ondes auxquelles nous avons directement accès (ondes sonores, vibrations mécaniques diverses, radio, écrans, ondes thermiques, lumière visible). Pour une même fréquence, les types d'ondes, les milieux de propagation, et donc les vitesses, peuvent être différents. Mais par mise en résonance à cette fréquence, la matière sert de lien permettant de transformer et transmettre l'énergie et les informations. Les micros et écouteurs téléphoniques en sont un exemple.

Les extrêmement basses fréquences énergétiques (ELF) de 1 à 3000 Hertz, sont émis par les installations électriques et les lignes de transport de l'électricité.

Wikipédia à propos des (ELF) indique : << La bande des extrêmement basses fréquences ne semble pas être utilisée en télécommunications. Par contre, elle est exploitée pour détecter certains phénomènes naturels, générateurs d'impulsions radioélectriques (foudre et certaines perturbations naturelles du champ magnétique terrestre). >>

On attribue les fréquences de 0,5 à 40 Hz aux ondes neuronales du cerveau. C'est un domaine médico-scientifique à part qui concerne l'analyse du sommeil, l'épilepsie et l'hypnose, mais qui ne considère pas comme scientifique la transmission de pensée et les autres phénomènes télépathiques. Ces domaines sont considérés par la science comme proche du magnétisme (vilain mot) ou même comme de la magie...(concept plus consensuel que le magnétisme).

Personnellement je pense que, de même que le virus se développe dans des ''clusters'' confinés, de même, les idéologies se forment et se développent lors de meetings ou d'assemblées qui ''amplifient'' les ondes cervicales des participants. Cela ressemble étrangement à l'amplification des ondes dans une cavité, à l'effet laser et à l'effet Larsen, jusqu'à détraquer certains cerveaux.

Nos besoins effrénés de mise en relation avec notre environnement et de commande automatique de nos serviteurs robotisés contribuent de plus en plus à notre encerclement par des ondes de toutes les fréquences. Ce sont surtout les basses fréquences qui nous semblent dangereuses car nous connaissons les menaces des plus hautes, celles de la lumière visible. Les coups de soleil on peut s'en protéger, quant au rayonnement solaire, crainte ou non, on est bien obligé de convenir de l'existence du symptôme d'un rapide réchauffement du climat terrestre. Face aux dangers éventuels ou réels nous semblons paralysés, incapables de réagir et de trouver des réponses scientifiques.

Des associations se créent pour alerter et tenter de protéger les personnes qui se disent affectées et même intoxiquées par les ondes, sans que l'on puisse en prouver la réalité et en mesurer les atteintes. Sachant que toute matière vivante est faite d'ondes, je pense qu'en effet les risques d'interférence existent, aussi bien au niveau énergétique (action des UV sur la santé) qu'au niveau structurel des organes. Le problème posé est en dehors du sujet de cette rubrique, c'est pourquoi je n'ai pas vraiment cherché sur internet les études et thèses qui s'y rapportent. Je vous indique cependant deux sites :

* https://reussirensemble.info/cellules-emetteurs-et-recepteurs-dondes-et-bio-resonance/

Est un site d'alerte dont je cite l'introduction :

<< Ce que vous allez découvrir, c’est que nos cellules sont à la fois des émetteurs et des récepteurs d’ondes et que ces ondes peuvent être à la fois néfastes et bienfaisantes, destructrices ou constructrices. Nous devons donc apprendre à faire la différence entre les ondes qui agissent pour la vie et celles qui empêchent, voir détruisent la vie.

La bio-résonance a pour objectif de soutenir les mécanismes de vie des êtres vivants, végétaux, animaux et humains. Tout vibre, chaque partie de notre corps, chaque organe a sa propre vibration. Grâce aux informations que livrent nos cellules sous forme d’ondes, il est possible de faire un diagnostic de la santé d’un être vivant.

Ensuite il est possible de soumettre les être vivants à certaines fréquences qui stimulent les mécanismes d’auto régulation dont ils sont porteurs. C’est possible pour les plantes, pour les animaux et pour les êtres humains. >>

* https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00121677/document

Il s'agit d'une thèse de doctorat de Maxim ZHADOBOV de l'Université de Rennes qui date de 2006

'' Étude des effets des ondes millimétriques au niveau cellulaire : Cas des membranes biologiques artificielles et de l'expression génétique''.

Ce travail de thèse porte sur l’analyse, au niveau cellulaire, des effets potentiels des rayonnements millimétriques de faible puissance, ceux situés au voisinage de 60 GHz (bande 57-64 GHz).

Les très basses fréquence (VLF) de 3 à 30 kHz. Wikipédia indique :

<< Les ondes VLF pénètrent dans l’eau jusqu'à une profondeur de 10 à 50 mètres, selon la fréquence et la salinité. Elles sont utilisées pour les télécommunications avec les sous-marins proches de la surface, et permettent de transmettre un débit supérieur aux ELF, utilisées à grande profondeur. Elles sont également utilisées en radionavigation, en diffusion des signaux horaires et en recherche géophysique. >>

Les ondes radio dites radiofréquences s'étalent de 30 kHz à 300 MHz (longueur d'onde dans le vide supérieure à 1 mètre). Ces ondes sont adaptées au transport de signaux issus de la voix et de l'image, elles sont donc idéales pour la radiodiffusion, la TV, la téléphonie et l'ensemble des radiocommunications. Voici leurs différents usages en fonction de l'échelle des fréquences :

* Les basses fréquences de 30 kHz à 150 kHz, sont affectées aux signaux de radionavigation ainsi qu'aux émetteurs de diffusion de l'heure, de météo, à la radio-identification, au système de transmission par le sol, en radiotélégraphie, et aux communications d'amateur.

* La bande de fréquences de 30 kHz à 30 MHz constitue la zone de radiodiffusion traditionnelle dans laquelle les fréquences sont classées en GO, PO, OC et ont été allouées régionalement par l'Union internationale des télécommunications (UIT) Cette répartition s'est faite par zone terrestre, par pays, et en fonction des besoins de chaque diffuseur d'informations ou de signaux (radio-amateurs, chaînes nationales et internationales, marine...)

* Les très hautes radiofréquences de 30 à 300 MHz (VHF) constituent la bande de diffusion de la TV et de la radiodiffusion FM (la moitié du spectre). Le reste est alloué en Europe aux liaisons satellitaires, maritimes, radioamateurs, aéronautiques, privées ou militaires.

Dans nos rubriques N°6 et 7 ''propagation des ondes sonores dans l'air et des ondes dans l'espace'', nous avons décrit les processus d'émission de ces ondes et montré ainsi leur différence de nature.

Ces ondes radio se propagent de deux façons :

* dans l'espace libre (ondes hertziennes), propagation rayonnée, autour de la Terre par exemple.

* dans des lignes conductrices, propagation guidée dans un câble coaxial ou un guide d'onde.

Les ondes radio se propagent dans la substance de l'espace à la vitesse de la lumière. La puissance transportée par l'onde par unité de surface est inversement proportionnelle au carré de la distance à la source. Dans l'atmosphère elles peuvent subir des atténuations, des coupures, des altérations dues au relief et aux obstacles traversés. Elles peuvent être réfléchies ou guidées par la partie de la haute atmosphère (la ionosphère).

<< Lorsqu'une onde radio rencontre un obstacle de grande dimension par rapport à sa longueur d'onde, elle pourra être arrêtée par cet obstacle. Ce sera le cas d'une colline ou d'une montagne. Cependant, dans une certaine mesure, l'onde pourra contourner l'obstacle et continuer à se propager derrière celui-ci, à partir des limites de cet obstacle...Ce franchissement de l'obstacle se fera avec une atténuation, parfois très importante. Il est essentiel de comprendre les principes de la propagation des ondes pour pouvoir prédire les chances et les conditions d'établissement d'une liaison radio entre deux points de la surface de la Terre ou entre la Terre et un satellite...

...Dans la pratique il est fréquent que deux ou plusieurs phénomènes s'appliquent simultanément au trajet d'une onde : réflexion et diffusion, diffusion et réfraction... Ces phénomènes appliqués aux ondes radioélectriques permettent souvent d'établir des liaisons entre des points qui ne sont pas en vue directe. La diffraction sera plus importante pour les fréquences basses. Une émission kilométrique (de quelques centaines de kHz) n'aura pas de difficulté pour franchir une montagne, alors qu'une émission décimétrique sera pratiquement arrêtée. Une émission centimétrique sera arrêtée même par une petite colline. >> Wikipédia

Cette possibilité qu'ont les grandes ondes (les ondes de basse fréquence) de franchir les obstacles, est à rapprocher de l'effet tunnel propre à l'électron car, comme nous l'avons vu en étudiant le microscope (rubrique N°2), c'est la basse fréquence de l'onde de structure de l'électron qui donne à ce dernier la possibilité de franchir certains obstacles (fossés, gaps).

Les émissions en basse fréquence (GO) demandent des puissances importantes et de grandes antennes. Le développement mondial exponentiel des émissions de signaux radio et vidéo s'est réalisé dans la gamme des très hautes fréquences (VHF), ce qu'on appelle la ''bande FM'' qui est reçue directement par le public et s'applique à la fois à la réception individuelle et à la réception communautaire.

<< Cette appellation (Bande Modulation de Fréquence), bien que très répandue, est incorrecte d'un point de vue scientifique, elle est en fait un abus de langage, car la radiodiffusion en modulation de fréquence peut être réalisée dans n’importe quelle bande de fréquences. Un parler correct serait :

''bande de fréquences réservée à la radio commerciale FM''...Les pays germaniques utilisent d'ailleurs régulièrement le terme (UKW) c'est-à-dire ''ondes ultra-courtes''. >> Wikipédia

Les messages audio (la voix, la musique) à transmettre correspondent à des extrêmement basses fréquences, les signaux vidéo (l'image) à des moyennes fréquences. Ces signaux ne sont pas adaptés à la transmission directe par ondes radio quel que soit le canal choisi (hertzien, filaire, ou optique).

La modulation est le processus par lequel le signal est transformé de sa forme originale en une forme adaptée au canal de transmission, par exemple en faisant varier les paramètres d'amplitude pour la radio AM, ou ceux de fréquence pour la radio FM. On module la phase dans certaines applications ou l'impulsion pour les radars. La modulation permet donc de translater le spectre du message dans un domaine de fréquences qui est plus adapté au moyen de propagation. La démodulation est l'opération inverse qui permet d'extraire le signal de la porteuse.

Un autre phénomène propre aux ondes dont il faut tenir compte pour assurer la transmission des ondes radio est leur polarisation. Ce phénomène important est lié à la nature originelle de l'onde, à la forme et aux dimensions du matériau émetteur, mais aussi à la nature du milieu traversé. Ainsi le son dont nous venons de parler, est une vibration mécanique qui se propage grâce à une variation de pression dans les liquides et les gaz. Dans ce cas, il ne possède pas de polarisation. Dans un milieu solide (onde sismique), le son se propage par mise en résonance du milieu vibrant, l'onde sonore est donc accompagnée d'une onde transverse polarisée qui représente la direction de son élargissement dans le matériau. (Voir l'analogie avec les solitons optiques, chapitre N°8 de la rubrique N°29)

La lumière qui est émise par le soleil dans la ''substance de l'espace'', milieu isotrope probablement élastique, est constituée d'ondes planes progressives et harmoniques, ces rayonnements ne sont pas accompagnés d'onde transverse de polarisation. Mais nous avons vu (rubrique N°29) que lors de l'interaction de la lumière avec une matière diélectrique, il se crée un champ magnétique intra-atomique qui est à l'origine de la polarisation des ondes lumineuses réémises par le matériau. En simplifiant on peut dire qu'un matériau conducteur réémettra une onde polarisée par réflexion et un matériau diélectrique le fera par déviation. L'effet de polarisation dépend de la nature, de la forme, de la position du matériau émetteur et du rapport de sa dimension avec la longueur d'onde émise.

Les ondes radio émises sont aussi polarisées. << Si un émetteur constitué d'une antenne filaire verticale émet une onde polarisée verticalement et si l'antenne réceptrice possède la même polarisation, il est possible de connaître le niveau de puissance qu'elle reçoit qui est fonction de sa distance à l'antenne d'émission et de la puissance de l'émetteur... Lorsqu'une onde radio se propage dans un milieu ionisé, comme la ionosphère, sa direction de polarisation tourne. Pour cette raison, les télécommunications spatiales qui traversent la ionosphère utilisent une polarisation circulaire, afin d'éviter que l'onde reçue par l'antenne de réception n'ait une polarisation croisée avec cette antenne, ce qui produirait un évanouissement de la liaison.....

La polarisation des ondes la plus courante dans les applications grand public, comme la télévision terrestre (analogique ou numérique) ou par satellite, est la polarisation linéaire, horizontale ou verticale. On retrouve ces deux polarités dans le domaine du Wi-Fi, du radio-amateurisme et dans les transmissions professionnelles. >> Wikipédia

Les ondes radio dites hyperfréquences (UHF, SHF, EHF) s'étalent de 300 MHz à 300 GHz (longueur d'onde dans le vide supérieure à 1mm). Elles sont usuellement appelées micro-ondes et sont utilisées par la téléphonie mobile, le Wi-Fi, les fours MO, ainsi que pour la transmission de signaux utilisés pour les satellites, par les radars, ou pour des réseaux locaux tels que DECT, Wi-Fi, Bluetooth et vidéo locale sans fil.

Les micro-ondes sont produites par des antennes classiques, par des magnétons et klystrons, liés à l'émission d'électrons libres, ou par des tubes électroniques, dits ''tubes à vide''. Nous en reparlerons au chapitre N°7.

Il est très important de noter que le domaine de fréquence des micro-ondes correspond, suivant les hypothèses de la physique des ondes, à celui de la rotation (du spin) des électrons constitutifs des nucléons atomiques. Voir le chapitre N°92 ''Résonance magnétique nucléaire'' de la rubrique N°1 ''Les ondes de structure de la matière''. La fréquence de Larmor qui met en résonance un champ magnétique extérieur avec une structure nucléaire est celle du spin des nucléons. La structure de la matière est en rapport direct avec les fréquences correspondant aux VHF et aux micro-ondes.

Ainsi, pour le proton de l'atome d'hydrogène, la résonance est établie lorsque un champ de 1,4 Tesla rencontre une fréquence radio de 60 MHz, ou un champ de 11,7 Tesla, une fréquence de 500 MHz.

Les ondes infrarouges (IR).

<< Les ondes de fréquence supérieure à 300 GHz sont classées dans les ondes infrarouges car la technologie associée à leur utilisation est actuellement de type optique et non électrique, cependant cette frontière est artificielle car il n'y a pas de différence de nature entre les ondes radiofréquences, les hyperfréquences, les infrarouges, les ondes lumineuses et toutes les autres ondes énergétiques de type lumière. De la même manière que la lumière visible possède une gamme de longueurs d'onde (allant de rouge à violet), la lumière infrarouge produit des ondes infrarouges longues (qui sont dites dites lointaines), moyennes et courtes dites proches (de la lumière visible). >> Wikipédia

L'eau et les substances organiques absorbent facilement les rayonnements infrarouges lointains, c'est-à-dire que la structure électronique fondamentale de ces substances est facilement mise en résonance à cette fréquence. Ces rayons infrarouges réchauffent les corps sans modifier la température de l'air. Pénétrant sous la peau, ils excitent les électrons des atomes de ces substances en les faisant passer de leur niveau fondamental à un niveau de fréquence supérieur. L'énergie du rayonnement est ainsi absorbée, nous la ressentons en chaleur.

Lorsque la substance ou le matériau ne reçoit plus le rayonnement, les électrons des atomes de ce matériau reviennent sur leur orbite initiale et l'énergie accumulée est rendue sous forme de chaleur. Le matériau devient alors un émetteur de rayonnement infrarouge pour son environnement. C'est ainsi que les échanges d'énergie thermique se font en permanence entre toute matière existante, sans même que nous en ayons le plus souvent conscience. Le transfert thermique (la chaleur) est un des principaux modes d'échange d'énergie interne entre deux systèmes. C'est une notion fondamentale de la thermodynamique.

On distingue trois types d'échange thermique : la conduction, la convection et le rayonnement. Pour ce dernier transfert il est important de comprendre la nature de la relation existant à l’intérieur de la matière entre l'énergie de ce rayonnement reçu et réémis et le phénomène de transfert de chaleur qui s'opère à l’intérieur de cette matière. La physique standard attribue dans les trois cas un même mode de transfert inspiré de la mécanique des fluides, correspondant à une agitation moléculaire et atomique. Pour le rayonnement en fréquence du visible et pour les solides, il est ajouté l'action de pseudo-particules, les ''phonons'' (analogues aux photons).

Les hypothèses fondamentales de la physique des ondes autorisent une conception du transfert thermique par rayonnement adaptée à tous les types de matières et plus correcte pour les solides. Le fond du problème est le mode de stockage dans le matériau de l'énergie interne le temps du transfert. Pour nous, c'est une énergie de masse et non de mouvement, la masse de l'électron (m) est très faible, ce n'est pas son déplacement d'une orbite à l'autre qui peut justifier une accumulation d'énergie. Par contre, ce déplacement qui augmente l'énergie de l'électron entraîne une accélération de son spin (rapport gyromagnétique), et donc celui de la brochette de positrons du proton avec lequel il est en relation ( voir le chapitre N°21 précédent).

Par mise en résonance, l'ensemble des brochettes du proton (1835 m), du neutron (1836 m) et de tous les nucléons éventuellement associés, ensemble constitutif des noyaux atomiques du matériau, se trouve concerné par l'accroissement de leur fréquence de rotation (de leur spin). Cette fréquence passe de celle des micro-ondes, comme vu précédemment, à celle des infrarouges. Ce phénomène thermique interne à l'atome existe pour toutes les fréquences des rayonnements de la lumière visible, y compris les ondes U.V. Voir la rubrique N°10 qui traite de ''L'énergie et la chaleur dans l'atome'' et la N°11 qui traite de ''l'atome froid''. Si l'agitation des molécules est bien la cause de cuisson rapide des aliments dans un four micro-ondes, c'est bien la structure même d'un matériau qui est révélée par la couleur spectrale et donc la fréquence du rayonnement émis par ses noyaux atomiques.

La lumière visible

Le rayonnement de la lumière visible est très étroit en fréquence mais, pour les Hommes, cette lumière est d'une extrême importance car elle constitue l'étroite connexion par laquelle nous avons pu accéder à notre actuelle connaissance du Monde.

Fréquence de 384 THz à 789 THz ( 1 térahertz = 10 puissance 12 hertz)

Longueur d'onde de 780 nm à 380 nm. ( 1 nanomètre = 10 puissance -9 mètre)

Plus que la chaleur qui est une énergie évanescente, c'est la couleur qui a été utilisée pour cette connaissance. Plus précisément c'est l'analyse des raies de couleur et celle des trous dans ces couleurs qui constituent l'analyse spectrale, base de la connaissance de la structure de la matière.

<< Le spectre est constitué par l'ensemble des longueurs d'onde présentes. On peut le matérialiser à l'aide d'un prisme de décomposition de la lumière en un ensemble de lignes, les raies spectrales, qui correspondent aux différentes longueurs d'onde émises. Pour plus de précision, on peut également représenter ce spectre comme un graphe de l'intensité lumineuse en fonction de la longueur d'onde...

Le spectre d'émission d'un élément peut être obtenu en chauffant cet élément, puis en analysant le rayonnement émis par la matière. Ce spectre est caractéristique de l'élément.>>Wikipédia

De même que nous avons attribué le rôle du stockage de l'énergie thermique aux nucléons des atomes, de même la couleur (qui dépend de cette énergie) et surtout la position des raies spectrales de l'élément dépendent de la structure des noyaux de ses atomes. D'autre part, nous venons de voir (chapitre N°2 précédent) le lien existant entre la structure de nucléons d'un atome et sa structure électronique. Nous avons à nouveau décrit (chapitre N°4 précédent) le rôle que jouent les électrons à l’intérieur des atomes d'un matériau soumis à l'action externe des ondes lumière. La physique des ondes attribue tous ces liens à la nature même des électrons-positrons, onde double énergie et structure, telle que nous l'avons décrite. C'est la raison pour laquelle, avant d'étudier l'électron libre, il m'est apparu nécessaire d'exposer à nouveau nos hypothèses de base .

La propagation des ondes lumière, leur action sur la matière, leurs effets (photovoltaïque, photoconductivité) et leur mode d'action ont fait l'objet de la rubrique N°28 ''Interaction rayonnement-matière. Application aux fibres optiques''. Puis, dans la rubrique N°29, nous avons vu l'amplification de ces ondes par laser et l'obtention d'harmoniques qui possèdent des propriétés analogues à celles d'électrons libres. Je vous demande de vous y reporter en ce qui concerne le rayonnement visible.

Les paragraphes suivants concernent des ondes de type lumière de plus grandes fréquences. Pour plus de clarté et pour éviter les fréquences en hertz avec ses puissances de 10, nous parlerons en longueurs d'onde dégressives, en nanomètres (nm) (1 milliardième de mètre).

Pour se raccorder avec le tableau précédent, j'indique que : 1 nanomètre = 0,001 micromètre

Les rayons ultra-violets

On les divise en trois catégories suivant leurs longueurs d'ondes, leurs propriétés et leurs effets.

* Les UVA, entre 400 et 320 nm, (visibles entre 400 et 380) sont les moins énergiques mais les plus pénétrants. Ils peuvent être toniques mais, en surexposition, sont dangereux pour la peau.

* Les UVB, entre 320 et 290 nm, plus énergétiques, provoquent des coup de soleil et des brûlures.

* Les UVC, entre 290 et 100 nm, sont très énergétiques et extrêmement dangereux pour la santé, mais nous en sommes heureusement protégés par la couche d'ozone (maintenant sans trou).

* Les EUV, entre 100 et 10 nm, ultraviolets extrêmes, sont considérés comme ionisants.

Les rayonnements X

Dans ce paragraphe, nous continuons à parler d'ondes de type lumière et non de particules de même fréquence issues de la désintégration radioactive comme celles que nous décrivons plus loin.

Les rayons X ont des longueurs d'onde comprises entre 10 nm et 0,005 nm. Comme les autres rayonnements de type lumière étudiés précédemment, ils sont issus de transitions électroniques mais celles-ci sont particulières car il s'agit de la sortie des électrons de leur atome, du passage de l'orbite de valence à la zone de conduction où les électrons sont considérés comme libres, à la disposition d'une absorption par un autre atome (chimie) ou par un conducteur sous tension (électricité). En changeant de référentiel et en étant absorbés par une cible, les électrons libres émettent un rayonnement X dit ''de freinage'' (bremsstrahlung) ou rayonnement ''blanc''.

Ces rayons X existent au naturel dans les rayons cosmiques mais ils sont produits artificiellement dans les synchrotrons (en continus) et dans des tubes à vide pour les besoins de la recherche scientifique (cristallographie, analyses chimiques), de la radiologie, de la tomographie médicale ou industrielle.

Il existe plusieurs types de tubes à vide. << Dans le tube de Coolidge, le plus utilisé, les électrons sont émis par un filament de tungstène chauffé par un courant électrique (cet effet thermoïonique est aussi utilisé dans les tubes cathodiques de téléviseur). Le filament forme la cathode du tube. Une haute tension est établie entre la cathode et l'anode, ce qui accélère les électrons émis par le filament. Ils viennent alors frapper l'anode et émettent des rayons X . >> Wikipédia

Ce procédé permet donc de relier la tension électrique appliquée aux bornes du tube à l'énergie d'extraction de l'atome que l'électron cède à la cible anode. Cela a permis de déterminer expérimentalement une unité d'énergie qui peut servir à mesurer l'énergie des électrons mais aussi celle de toutes les autres particules si l'on connaît leur rapport de masse. Cette unité est l'électron-volt (eV) qui est à la base de la physique des particules car, en utilisant des constantes (de Planck, de Boltzmann....), elle peut exprimer températures, durées, longueurs et quantités de mouvements.

<< L’électron-volt est défini comme étant l'énergie cinétique acquise par un électron accéléré depuis le repos par une différence de potentiel d'un volt. Pour visualiser cela, vous prenez deux plaques métalliques parallèles distantes d’un mètre que vous soumettez à une différence de potentiel de 1 Volt. Un électron qui se détacherait de la plaque négative va alors accélérer vers la plaque positive. L’énergie cinétique acquise par cet électron est alors égale à 1 eV. >> Wikipédia

La base (le 0) de l'échelle des (eV) est l'énergie de l'électron libérée de son atome. L'énergie des électrons internes à l'atome, elle, croît à partir du niveau fondamental de la structure électronique, en accord avec l'échelle des niveaux de fréquence, car pour nous les électrons sont des ondes. L'énergie interne à l'atome est donc exprimée en négatif. Ainsi, l'énergie de l'électron de l'atome d'hydrogène (H) à son niveau fondamental est égale à : E°= -13,6 eV.

C'est donc à partir des données expérimentales et des constantes calculées par ces remarquables physiciens expérimentateurs du 19ème et du début du 20ème siècle, que la physique quantique de l'atome s'est construite et a pu coordonner ses unités avec celles de la physique classique. Le post-scriptum N°1 ''Les constantes universelle. Les unités fondamentales'' de notre blog de la physique des ondes ''paulpb eklablog.fr'' expose en détail les problèmes rencontrés pour cette difficile harmonisation.

Le rayonnement gamma

La longueur d'onde des rayonnements γ (gamma) est inférieure à 0,001 nanomètre (1 picomètre), ce qui correspond à des hautes fréquences supérieures à 300 exahertz (3×10 puissance 20 Hz). Ce sont donc les plus énergétiques des rayonnements de type lumière. Leur énergie peut atteindre plusieurs centaines de GeV voire jusqu'à 450 TeV pour le plus énergétique jamais observé.

Les rayonnements les plus énergétiques transfèrent assez d’énergie aux électrons de la matière pour les arracher de leurs atomes. Les atomes ainsi privés d'au moins un de leurs électrons sont alors chargés positivement, ce sont des ''ions'' positifs (cations). Les atomes voisins qui ont reçu au moins un électron sont devenus des ''ions'' négatifs (anions).

A partir des rayons ultra-violets EUV, les rayonnements très énergétiques sont dits ''ionisants'' au sens qu'au contact de la matière, il peuvent la dégrader (pour les moins énergétiques). Les plus énergétiques sont pénétrants, c'est-à-dire qu'ils peuvent traverser la matière, leur pouvoir de pénétration dépendant du type de rayonnement et du pouvoir d'arrêt de la matière. Cela définit des épaisseurs différentes de matériaux pour s'en protéger, si nécessaire et si possible.

Dans certaines conditions, les rayonnements ionisants les plus énergétiques peuvent amorcer la désintégration de la matière. Des atomes chargés (positivement ou négativement), des ''ions'', mais également des morceaux de nucléons, des neutrons et même des noyaux entiers (particules alpha), peuvent être détachées de la matière et, si elle est vivante, l'altérer gravement.

Le rayonnement appelé ''radioactivité gamma'' est issu de la désexcitation d'un noyau atomique résultant de sa désintégration. Ces rayonnements peuvent être produits par la radioactivité d'atomes lourds, tels que l'uranium ou le plutonium, leur application actuelle est la production d'électricité mais aussi la santé en espérant éviter d'utiliser celle de la défense nucléaire.

<< Les désintégrations γ (gamma) sont souvent produites en même temps que d'autres formes de radiations comme les désintégrations α (alpha) et β (bêta). Quand un noyau émet une particule alpha ou bêta, il se retrouve souvent dans un état excité. Il peut alors redescendre vers un niveau de moindre énergie en émettant un rayon gamma, de la même façon qu'un électron atomique peut descendre de niveau d'énergie en émettant un rayon ultraviolet. >> Wikipédia

Le rayonnement alpha (α) est émis par des noyaux instables de grande masse atomique en cours de désintégration. Il est en fait constitué de particules, c'est un faisceau de noyaux d’hélium composés de deux protons et deux neutrons, particules identiques au noyau d'hélium 4, appelé hélion ( 4He2+).

En même temps que le rayonnement (γ) et la particule (α) précédente, la désintégration radioactive produit un faisceau d'une autre particule bêta (β) qui est en fait un électron ou un positron. On parle de désintégration bêta moins (β−) ou bêta plus (β+) selon qu'il s'agit de l'émission d'un électron (négatif) ou d'un positron (positif). Par exemple, on observe une émission (β-) pour le tritium (3H+) qui se transforme en hélium 3 (3He2+).

Il semble que nous ayons atteint, avec les rayons gamma, l'énergie de type lumière la plus élevée que l'on connaisse. Le rayonnement gamma de source cosmique résulte des événements les plus violents de l'univers. Mais cette énergie, si considérable qu'elle puisse être, ne peut être utile et durable (ne peut ''exister'') que si elle ''s'incarne'' dans une structure de matière. Une de nos hypothèses est que cette énergie se trouve être à l'origine de la création de la matière dans les étoiles et nous pensons qu'elle est au niveau énergétique des ondes dites ''de plasma'' dans lesquelles naîtraient les électrons et les positrons. Voir le chapitre N°5 du blog http://paulpb.eklablog.fr/ intitulé ''La création de la matière''. Les hautes énergies qui sont liées au processus de désagrégation de la matière le sont donc aussi, de par nos hypothèse, à celui de sa naissance.

6) LES EFFETS ÉLECTROMAGNÉTIQUES DES ÉLECTRONS

Nous restons dans le domaine non linéaire de haute énergie et en conformité avec nos hypothèses de base telles que nous venons de les exposer à nouveau aux chapitres N° 2 et 3.

Nous avons expliqué comment la physique des ondes conçoit l'équilibre interne de l'atome au repos et avons particulièrement souligné le rapport magnétique qui existe entre les électrons constitutifs des niveaux énergétiques de l'atome et les positrons-électrons qui composent les nucléons, structures de masse de ses noyaux.

Au chapitre N°4 nous avons étudié la réaction interne de la matière lorsqu'elle est exposée aux rayonnements de type lumière et au chapitre N°5 nous avons détaillé les différents effets énergétiques obtenus ainsi que leurs applications externes. Nous avons signalé l'importance du rôle de notre particule de base (l'électron-positron) comme transmetteur d'énergie dans un atome soumis aux rayonnements de type lumière à toute l'échelle des fréquences.

Nous voulons maintenant souligner le rôle structural et relationnel, interne et externe à l'atome tenu par cette particule dans la transmission d'énergie du fait de sa double nature d'ondes, de la dualité de ses attributs énergétiques et structurants, car l'électron-positron est bien la seule et véritable onde électromagnétique.

Dans deux cas particuliers, celui des hyperfréquences et celui des infrarouges, nous avons mis en évidence le rôle de l'onde de structure de l'électron (onde magnétique de spin) qui se trouve être en liaison permanente magnétique avec celle du positron du proton qui lui correspond. Cela permet d'expliquer le phénomène de résonance magnétique nucléaire (RMN) et celui du stockage de l'énergie dite thermique par les noyaux.

En fait, à l’intérieur des atomes, cette liaison de résonance (même fréquence) entre l'énergie des électrons et la structure du noyau est permanente et existe à tous les niveaux d'énergie. Comme notre électron est constitué d'une onde qui ''spine'', et comme la fréquence de sa rotation reste proportionnelle à celle de son onde énergétique, un lien évident apparaît entre l'énergie et la structure d'un matériau quelconque.

Ce lien essentiel n'existe pas pour la physique standard des particules pour laquelle les électrons sont des boules. La notion de ''charge'' de ces boules associée à celle d'un ''champ'' électrique reste sans véritable réalité. Il est alors difficile d'expliquer la véritable nature des effets qui se manifestent. Voici, extraits de Wikipédia, quelques exemples de définitions de la physique standard.

* << L'effet thermoélectrique est un phénomène physique présent dans certains matériaux : il lie le flux de chaleur qui les traverse au courant électrique qui les parcourt... Les effets thermoélectriques sont liés à la présence simultanée de courants électrique et de chaleur dans un métal ou un semi-conducteur. Les lois régissant ces phénomènes sont accessibles en utilisant la thermodynamique hors équilibre. >>

* << Une émission thermoionique est un flux d'électrons provenant d'un métal ou d'un oxyde métallique, qui est provoqué par les vibrations des atomes dues à l'énergie thermique lorsque ceux-ci parviennent à surmonter les forces électrostatiques. L'effet croît de manière importante avec l'augmentation de la température, mais est toujours présent pour les températures au-dessus du zéro absolu. La science en rapport avec ce phénomène est la thermoélectricité. Les particules chargées sont appelées « thermions ». >>

N.B. : Thermion = particule ou ion chargé électriquement qui est émis par un matériau conducteur lorsqu'il est chauffé par un courant électrique. Cette particule virtuelle résoud peut-être la difficulté d'explication des phénomènes, ce que ne peut pas faire l'énergie thermique, car la chaleur reste un effet et ne peut être considérée comme une cause. On ne peut expliquer un effet par un autre effet.

Aux plus hautes énergies et lorsque les électrons sont libérés de leurs atomes, la physique standard invoque ''l'effet de champ'' comme autre explication des phénomènes. Nous avons déjà exposé toute l’ambiguïté de cette notion de ''champ électrique'' utilisée par la physique des particules.

* << En physique, le champ électrique est le champ vectoriel créé par des particules électriquement chargées. Plus précisément, en présence d'une particule chargée les propriétés locales de l'espace sont modifiées, ce que traduit justement la notion de champ. Si une autre charge se trouve dans ce champ, elle subira l'action de la force électrique exercée à distance par la particule. Le champ électrique est en quelque sorte le médiateur de cette action à distance. >>

* << L'émission par effet de champ est l'émission d'électrons induits par des champs électromagnétiques externes. Elle peut avoir lieu à partir d'une surface solide ou liquide, ou bien directement au niveau d'un atome en milieu gazeux. >>

* << L'effet Schottky ou « amplification par effet de champ de l'émission thermoionique » est une amplification de l'émission thermoionique (effet Edison) dans des dispositifs émetteurs d'électrons (canon à électrons par exemple). Cette émission d'électron provoque une différence de potentiel locale négative sur la zone d'émission, créant un champ électrique qui va abaisser la barrière de potentiel à l'émission d'électrons. >>

7) LA PRODUCTION D'ÉLECTRONS LIBRES

Ce sont les mêmes difficiles explications que la physique standard des particules emploie pour interpréter la production d'électrons libres dans les tubes cathodiques et les canons à électrons. Nous allons étudier cette production et préparer notre prochaine rubrique en suivant les concepts que nous avons attribués à la physique des ondes et que nous venons de ré-exposer.

Les électrons libres d'un matériau conducteur (métal, semi-conducteur, électrolytique ou masse d'air chaud et humide) sont ceux qui ont réussi, dans leur atome, à passer de la couche orbitale de valence à la couche de conduction. Sur celle-ci les électrons sont ''à disposition'' pour se marier par mise en résonance avec un autre atome (chimie) ou pour s'introduire dans le circuit d'un conducteur qui les ''aspire'' en direction d'un potentiel électrique plus faible.

Cela ne signifie pas que l'électron soit réellement libre puisqu'il retrouve la couche de valence d'un autre atome ou bien prend place dans une file d'électrons interne à un conducteur sous tension. La vitesse de cette file, si elle existe, est faible car les électrons ne circulent que très peu dans le conducteur, ils transmettent leur énergie par mise en résonance d'un électron à l'autre. Par contre, le champ magnétique ainsi créé (l'onde de structure des électrons) dont l'effet se manifeste dans et autour du conducteur, se propage (avec l'énergie) à une vitesse relativiste proche de celle de la lumière, l'énergie véhiculée étant proportionnelle au carré de la vitesse, (à son accélération).

Pour obtenir un faisceau d'électrons réellement libres, il faut les ''arracher'' à leurs atomes. Nous avons vu précédemment, pour la production de rayons X, l'utilisation d'un tube de Coolidge, tube à vide dans lequel les électrons sont projetés hors de la cathode par effet thermoïonique et arrêtés par l'anode en émettant des rayons X.

71) Les canons à électrons des tubes thermoélectriques

Les tubes cathodiques (ou écrans CRT pour Cathode Ray Tube) des anciennes télévisions fonctionnent sur le même principe avec un dispositif particulier décrit succinctement ci dessous selon plusieurs extraits copiés sur Wikipédia. https://fr.wikipedia.org/wiki/Tube_cathodique et

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89cran_%C3%A0_cristaux_liquides

<< Le ''canon à électrons'' est composé :

* d'une cathode à chauffage indirect constituée d'un filament chauffé à une tension de 6,3 V dans un tube entouré d'une grille (Wehnelt) qui régule le flux et empêche le retour d'ions positifs.

* d'une série d'électrodes ( anodes à potentiel élevé, environ 600 V, chargées de l'accélération et de la focalisation du faisceau d'électrons). Elles jouent le rôle de lentilles électrostatiques.

Des matériaux tels que le tungstène et l'hexaborure de lanthane (LaB6) sont utilisés en raison de leur faible travail de sortie, c’est-à-dire de la faible énergie nécessaire pour extraire un électron de la cathode. En pratique, cette énergie est apportée sous forme d'énergie thermique en chauffant la cathode à une température suffisamment élevée pour qu'une certaine quantité d'électrons acquière l'énergie suffisante pour franchir la barrière de potentiel qui les maintient dans le solide. Les électrons qui ont franchi cette barrière se retrouvent dans le vide où ils sont ensuite accélérés par un champ électrique.

Le faisceau d'électrons qui sort du canon est soumis à un mécanisme de déflexion magnétique ou électrostatique qui réalise un balayage horizontal et vertical (lignes et trames). Il arrive ensuite sur l'écran du téléviseur qui est recouvert d'une matière phosphorescente à base de terres rares. Un point concentré appelé « spot » illumine l'écran au rythme du balayage conduit par la déflexion. Les électrons ayant frappé l'écran perdent leur énergie et vont se recombiner dans une anode.

Pour un tube couleur, on utilise trois canons à électrons (un par couleur primaire) et un masque derrière l'écran. Les CRT, tubes cathodiques furent utilisés pendant plusieurs dizaines d'années pour les postes de télévisions, les écrans d'ordinateurs, les oscilloscopes, les radars et instruments de navigation, jusqu'à l'avènement des écrans à cristaux liquides (LCD). Ces derniers fonctionnent avec de la lumière polarisée par des filtres et utilisent la propriété qu'ont certains cristaux liquides à orienter leurs molécules suivant la direction du champ électrique auquel ils sont soumis. Du point de vue optique, l’écran à cristaux liquides est un dispositif passif : il n’émet pas de lumière, seule sa transparence varie, et il doit donc disposer d'un éclairage. >> Wikipédia

72) Les canons émetteurs d'électrons par effet de champ

<< Le principe d'un canon à émission de champ est d'utiliser une cathode métallique en forme de pointe très fine et d'appliquer une tension de l'ordre de 2 000 à 7 000 volts entre la pointe et l'anode. On produit ainsi, par "effet de pointe", un champ électrique très intense, de l'ordre de 107 V.cm-1, à l'extrémité de la cathode. Les électrons sont alors extraits de la pointe par effet tunnel. Il existe deux types de canons à émission de champ (FEG) (Field Emission Gun):

L'émission de champ à froid (CFE). La pointe reste à température ambiante.

L'émission de champ assistée thermiquement (TFE). La pointe est alors portée à une température typique de 1800 K. >> Wikipédia

Le gros avantage des canons à émission de champ sur les canons thermoïoniques est la brillance de la source qui peut être 100 fois plus élevée que celle des cathodes LaB6 et permet ainsi une meilleure résolution des microscopes électroniques. Voir à ce sujet et à celui de l'effet tunnel, notre Rubrique N°2 chapitre N°3 ''Microscopes utilisant les ondes de structure''. Cette brillance est due, d'une part à la plus haute énergie des électrons entraînant un rayonnement X de plus grande fréquence, et d'autre part au très petit diamètre de la source (sphère d'environ 1 µm).

Les canons à électron par effet de champs sont les pièces maîtresses des microscopes électroniques qui ont pris une grande importance dans les recherches tant en nanophysique qu'en biologie. Il est possible d'adapter leur puissance, leur mode de fonctionnement (sous vide ou air) (à balayage, en transmission ou par réflexion) en fonction de la structure du matériau à étudier et en fonction du type d'image que l'on veut obtenir. Un logiciel de correction de l'aberration sphérique adapté à certains microscopes électroniques en transmission (MET) leur donne un pouvoir de haute résolution (HRTEM). On obtient ainsi une production d'images montrant des atomes de carbone dans des diamants séparés par seulement 0,89 ångström, ce qui correspond à la dimension d'un atome.

73) La production d'électrons-positrons et de protons par effet électrostatique

Une autre méthode d'arrachage des particules hors de leurs atomes a été mise au point par un physicien américain Robert Jemison Van de Graaff dès 1930, afin d'alimenter les accélérateurs de particules utilisés à cette époque. Les recherches menées sur la structure de la matière nécessitaient en effet l'obtention de faisceaux de particules de plus en plus énergétiques et faciles à contrôler. Les machines électrostatiques, par frottement mécanique, génèrent en continu des particules hautement chargées, ce qui permettait de les accumuler, d'alimenter les accélérateurs et d'atteindre ainsi des tensions continues très élevées, mais avec des courants de faible intensité.

Je recommande à mes lecteurs d'approfondir le domaine de l'électrostatique (triboélectricité) qui a été trop longtemps négligé par la physique standard. Les techniciens ont pris conscience de son potentiel d'avenir dans de nombreux domaines. Un aperçu sur le site suivant :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_%C3%A9lectrostatique

Je signale également que, dans notre rubrique N°25 ''La grande unification des forces fondamentales'' chapitre N°4, nous avons étudié les diverses interactions entre particules chargées, en repos et en mouvement.

8) CONCLUSION PROVISOIRE

Dans cette 30ème rubrique nous avons voulu replacer l'électron dans l'atome, en tant que particule chargée, en relation d'intermédiaire entre les rayonnements de type lumière et la structure du noyau atomique. Nous avons remonté l'échelle des énergies jusqu'à celle des électrons libres qui alimentent les accélérateurs de particules et jusqu'aux rayonnements gamma de désintégration atomique.

Nous pouvons maintenant, dans une 31ème rubrique qui reste à rédiger, poursuivre l’ascension énergétique des particules chargées. Je prévois, après un rapide historique des accélérateurs de particules, d'étudier le développement actuel des lasers à électron libre et des lasers à proton. Je voudrait approfondir mes quelques connaissances sur l'état plasma et ce qu'on appelle les ondes de plasma. Enfin il me faudra étudier la bonne adéquation de ces nouveaux éléments avec les hypothèses de bases de la physique des ondes. J'espère pouvoir réaliser ce travail d'étude maintenant que la canicule et le COVID 19 semblent avoir desserré leur étreinte sur les personnes âgées dont je suis contraint de partager quelques fragilités structurelles.