L'état plasma froid La fusion froide

 

PHYSIQUE DES ONDES

 

ESSAI D'UNE NOUVELLE PHYSIQUE

 

RUBRIQUE N° 33 L' ETAT PLASMA FROID  LA FUSION FROIDE

 

Par Paul Bouchard Le 26/02/2022

 

1) INTRODUCTION

 

Cette présente rubrique est la suite directe de la rubrique N°32 dont il est indispensable d'avoir pris connaissance avant d'entreprendre cette nouvelle lecture. Sans cette précaution et sans tenir compte des hypothèses de base de la physique des ondes, la manière de traiter les sujets ci-dessous apparaîtrait incohérente.

 

Dans la rubrique N°32, nous avons parlé de l'utilisation des lasers à haute énergie X.FEL comme outil de recherche et d'interaction sur la matière à l'état de plasma. Puis nous avons défini cet état, spécialement à haute température. Nous avons ensuite exposé les connaissances actuelles sur la nucléosynthèse stellaire et le fonctionnement interne du soleil. Nous avons mis en évidence les difficultés d'étude et de réalisation d'une fusion chaude artificielle terrestre. Je désire maintenant poursuivre cette même étude dans le domaine des plasmas et des atomes froids.

 

Dans l'optique de la physique des ondes, c'est-à-dire en adoptant toutes les hypothèses maintes fois exposées dans ce blog, nous allons maintenant aborder les possibilités d'action à froid des lasers X.FEL et des lasers térahertz THz sur la structure nucléaire de la matière. Les propriétés particulières d'un atome refroidi, la supraconduction en particulier, nous ont en effet montré l'avantage que l'on peut retirer de l'activité énergétique intra-atomique aux basses températures (voir nos rubriques N°11 et N°22 ''L'atome froid. La supraconduction'').

 

Le but de cette rubrique, outre un approfondissement des relations ondulatoires structurant les atomes, est d'examiner la possibilité d'une fusion froide des nucléons de deutérium afin d'en retirer l'énergie interne de fusion correspondante, et ceci avec un minimum de dépense d'énergie pour l'ensemble de la chaîne de fonctionnement.

 

A priori on ne voit pas pourquoi des nucléons-boules (physique des particules) en état d'excitation désordonnée à haute température, seraient plus aptes à fusionner que des nucléons-ondes (physique des ondes) au repos fondamental, à condition d'admettre que ces nucléons-ondes puissent être présentés en état d'attraction au lieu de la normale répulsion électrostatique (barrière de Coulomb), et de considérer que cette étude doit être réalisée en résonance ondulatoire et non en mécanique de collision.

 

Dans cette nouvelle rubrique je vous propose, en partant de l'étude du plasma froid, de poursuivre cette possible utopie en négligeant les railleries possibles des scientifiques sceptiques qui se seraient égarés sur notre site. Recherchons tout d'abord quelles sont les caractéristiques d'un état de plasma froid et quel atome de matière permettrait de poursuivre ce rêve. Nous étudierons ensuite un processus et choisirons des instruments adaptés à la réalisation d'une fusion à basse température dont le rendement énergétique devrait être globalement positif, sans toutefois qu'il nous soit possible d'évaluer dans cette rubrique le coût de l'extraction de cette matière et celui d'une mise en œuvre industrielle de cette opération. De toute façon l’intérêt actuel de la réalisation d'une telle fusion serait considérable

 

2) L’ÉTAT DE PLASMA FROID

 

Reprenons très rapidement les points importants du chapitre N°5 de la précédente rubrique N°32 qui traite d'une part du fonctionnement interne des atomes en conformité avec les hypothèses de la physique des ondes et d'autre part de la différence existant entre les notions de chaleur et d'énergie. Nous avons vu que l'ensemble de ce système théorique explique le concept d'ionisation et la différence de structure entre plasma chaud et froid.

 

Suivant nos hypothèses, lorsque un électron intra-atomique monte en énergie et en fréquence, comme suite à l'influence d'un rayonnement extérieur, cela entraîne (rapport gyromagnétique) l'accroissement de la fréquence de son spin. Chaque électron étant en rapport de spin avec le proton auquel il est relié (rapport des ondes de structure), l'augmentation de la fréquence de spin de l'électron entraîne celle de la fréquence (dite de Larmor) de son proton et donc des nucléons de l'atome. Dans le cas d'un atome dont les électrons sont liés, il existe donc un lien intérieur entre son énergie globale (celle de ses électrons) et l'excitation de ses nucléons (la température de son noyau).

 

Lorsque les nucléons sont excités, c'est leur énergie de spin qui augmente et qui est responsable de l'accroissement de température. La fréquence de rotation des ondes de structure des électrons et des nucléons passe alors du minimum fondamental à la fréquence micro-onde, à l’infrarouge et plus. En cas de confinement, cela peut aller jusqu'à obtenir la fusion chaude de la nucléosynthèse stellaire comme nous l'avons vu.

 

Cela explique pourquoi un plasma fortement ionisé (qui comporte beaucoup de nucléons, de débris de noyaux et peu de particules neutres), lorsque ses ions sont excités, est forcément un plasma chaud, alors qu'un plasma chargé en électrons de haute énergie mais contenant très peu d'ions excités, peut être un plasma froid. Nous avons vu que le plasma froid est en principe peu ionisé. Un tel plasma est constitué essentiellement d'électrons libres de haute énergie. Il a donc une ''fréquence plasma électronique'' très élevée. Par contre sa ''fréquence plasma ionique'' peut être faible, soit parce qu’il possède peu d'ions soit parce que ces ions ne sont pas excités.

 

Lorsqu'un plasma est fortement dissocié et qu'il ne possède plus de particules neutres, la haute énergie cinétique (le domaine des hautes fréquences) des électrons libres est indépendante de l'énergie de spin des nucléons qui, elle, est de type magnétique (domaine des micro-ondes). Il apparaît précisément que cette particularité plasmatique pourrait être exploitée lors des recherches en fusion froide. Ce plasma représente donc une des possibilités d'expérimentation.

 

Grâce à la différence de fréquence de ces champs résonnants, il serait ainsi possible d'utiliser un outil laser en haute fréquence pour ''faire le ménage'' du plasma, expulser les électrons des atomes neutres, séparer électrons et nucléons et donc permettre à un outil laser adapté d'accéder au maximum de nucléons plasmiques sans y être empêché par la présence des électrons. Ainsi, cette particularité du plasma, grâce à l'emploi du laser X.FEL, autoriserait l'accès à la structure des nucléons. Ceux-ci pourraient, ensuite, être manipulés par des lasers à infrarouge lointain (laser térahertz THz, laser FIR).

 

Le travail sur les électrons se fait à très haute énergie, celui sur les nucléons peut se réaliser au niveau des radiofréquences, à basse température. Nous avons vu au chapitre N°2 de la précédente rubrique N°32 que, grâce aux onduleurs, le laser X.FEL permet d'agir sur les électrons. Examinons maintenant dans les prochains chapitres quelle serait la matière plasmique ou autre, susceptible d'être utilisée pour cette réalisation de fusion froide et précisons l'action des lasers THz comme outil sur un plasma totalement ionisé ou sur une matière nucléaire appropriée qui serait maintenue à faible température.

  

3) L’HYDROGÈNE :  ÉLÉMENT FONDAMENTAL DE LA MATIÈRE

 

Nous avons vu, au chapitre N°3 de la précédente rubrique N°32, que l'appellation plasma concerne de très nombreuses catégories de matières ayant des caractéristiques physiques et chimiques différentes suivant certains critères (naturels ou artificiels, densité, température, degré d'ionisation, composition chimique et physique, charge énergétique et magnétique...)

Que ce soit pour choisir un plasma ou une matière correspondant le mieux aux critères d'expérimentation d'une éventuelle fusion des nucléons atomiques, et avant de déterminer ces critères à mettre en œuvre dans l'espoir de la réussir, il nous faut établir quel serait l'élément chimique le plus apte à cette réalisation.

 

Il est évident qu'il convient de choisir le plus simple de tous les éléments chimiques :

l'hydrogène H dont le noyau est constitué d'un seul proton relié dans son atome à un seul électron. Cet élément existe sur terre sous diverses formes nommées ''isotopes''. Les isotopes d'un élément chimique possèdent dans leur noyau atomique le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons.

 

L'hydrogène est l'élément chimique le plus élémentaire constituant 75 % en masse et 92 % en nombre d'atomes de toute la matière existant dans l'univers. Sur Terre, la source la plus commune d'hydrogène est l'eau, dont la molécule est constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. L'hydrogène est le principal constituant (en nombre d'atomes) de toute matière vivante, associé au carbone dans tous les composés organiques. Par exemple, l'hydrogène représente 63 % des atomes et 10 % de la masse du corps humain.

 

Wikipédia précise ses diverses formes :

 

<< L'hydrogène est l'élément chimique de numéro atomique 1, de symbole H. L'hydrogène présent sur Terre est presque entièrement constitué de l'isotope 1H (un proton, zéro neutron) ; il comporte environ 0,01 % de 2H (un proton, un neutron). Ces deux isotopes sont stables. Un troisième isotope 3H (un proton, deux neutrons), instable, est produit dans les explosions nucléaires.  Ces   trois   isotopes   sont   respectivement  appelés  « protium »,  « deutérium »  et   « tritium ».>>

 

<< Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène qui existe à l'état gazeux aux conditions normales de température et de pression. Les molécules comportent deux atomes d'hydrogène ; sa formule chimique est H2. Il est également appelé « hydrogène moléculaire » ou, à l'état gazeux, « gaz (d')hydrogène ». Dans le langage courant, lorsqu'il n'y a pas d'ambiguïté avec l'élément chimique du même nom, il est très fréquemment désigné simplement par « hydrogène », et l'on parle parfois simplement de « molécule d'hydrogène » pour la molécule de dihydrogène. >>

 

31) L'atome d'hydrogène à la base de la physique quantique et de la physique atomique

 

L'étude de l'atome d'hydrogène a été fondamentale puisqu'elle a contribué en physique quantique à expliquer les orbitales atomiques et l'ensemble du comportement quantique des électrons dans l'atome. Cette étude a également participé aux grands progrès obtenus en chimie quantique, corrélativement à la connaissance des différentes liaisons chimiques, ceci grâce à la théorie des orbitales moléculaires. Cette théorie est une fonction mathématique décrivant le comportement ondulatoire d'un électron dans une molécule. D'autre part, l'étude des raies spectrales de l'hydrogène a permis d'expliquer la structure des niveaux d'énergie des atomes et de déterminer les spectres atomiques de l'ensemble des éléments chimiques.

 

<< La compréhension des interactions au sein de cet atome au moyen de la théorie quantique fut une étape importante qui a notamment servi le développement de la théorie des atomes à N électrons. C'est pour comprendre la nature de son spectre d'émission discret, alors que la théorie classique prévoyait un spectre continu, que Niels Bohr a introduit en 1913 un premier modèle quantique de l'atome (cf. atome de Bohr).... Ce modèle empirique a permis de rendre compte de la stabilité de l'atome d'hydrogène et de l'existence des raies de son spectre. L'approfondissement de son étude a validé les théories de la physique quantique au fur et à mesure des progrès accomplis.>>

 

L'atome d'hydrogène est aujourd'hui celui pour lequel la théorie quantique arrive à décrire le spectre avec la plus grande précision, en plein accord avec l’expérience. Son étude est indispensable pour aborder la théorie des atomes à plusieurs électrons ainsi que celles des molécules, en permettant d'introduire de nombreux concepts fondamentaux en physique atomique et en chimie.

Un rapide regard historique s'impose.

 

32) Historique. La formule de Rydberg, l'atome de Bohr

 

Pour comprendre la physique atomique moderne, son lien avec la physique quantique et l'apport de la physique des ondes avec ses hypothèses sur la nature de l'électron, il est essentiel de repartir à la fin du 19ème siècle, à la base des études qui concernent précisément l'atome d'hydrogène et ses raies spectrales. Nous avons déjà abordé cette étude dans la rubrique N°10 ''L'énergie et la chaleur dans l'atome''. L'historique ci-dessous, compilation de textes de Wikipédia, est axé sur les travaux de Rydberg qui ont clairement constitué la clef d'entrée de cette physique atomique moderne.

 

<< En 1885, un mathématicien suisse, Johann Jakob Balmer, a publié une formule mathématique permettant de relier les longueurs d'onde des raies de l'Hydrogène dans le spectre visible.

Le suédois Johannes Robert Rydberg (1854-1919), professeur de physique, inspiré par la formule de Balmer a remarqué que les poids atomiques des éléments dans le tableau de Mendeleïev croissent de façon apparemment irrégulière. Il se mit à rechercher une loi qui gouvernerait leur répartition. Il proposa alors une formule et une constante permettant de calculer les longueurs d'onde des raies spectrales, non seulement de l'hydrogène, mais aussi celles d'autres éléments comme les métaux alcalins. >>

 

<< En physique atomique, cette formule établie empiriquement par Rydberg à partir des données expérimentales du spectre visible de l'hydrogène, mais sans qu'il en connaisse la réelle signification physique, a permis de calculer les longueurs d'onde des raies spectrales de beaucoup d'éléments chimiques. Sous sa forme la plus simple, elle est une généralisation de la formule de Balmer pour toutes les transitions de l'hydrogène. >>

 

Présentée en 1888, la formule de Johannes Rydberg propose une modélisation mathématique des longueurs d’onde des raies d’émission de l’atome d’hydrogène, elle s'écrit : 

1 / λ = RH. [ 1 / (n1)² – 1 / (n2)² ] 

λ désigne la longueur d’onde de la raie d’émission de l’atome d’hydrogène,

1 / λ est le nombre d'ondes (la fréquence) de cette raie,

RH est la constante de Rydberg pour l'hydrogène,

(n1) et (n2) sont deux nombres entiers naturels correspondant aux niveaux d'énergie de départ et

d'arrivée de la transition (nombres quantiques principaux)

(n2) > (n1) absorption. (n2) < (n1) émission .

 

<< Chaque élément chimique a sa propre constante de Rydberg mais la constante RH pour l'hydrogène a été définie à partir des résultats expérimentaux d'Ångström et de Balmer.

Sa mesure précise est un avantage indéniable en métrologie car c'est une des constantes physiques la mieux déterminée, parce qu'obtenue à partir de la spectroscopie de raies extrêmement fines. >> 

Elle vaut : RH = 10 973 731,6 m-1 (mètre à la puissance moins un)

 

<< La découverte de nouvelles séries spectrales de l'hydrogène par Theodor Lyman en 1906 et par Friedrich Paschen en 1908, séries qui satisfaisaient la formule de Rydberg, convainquit les autorités suédoises et la communauté scientifique de considérer le professeur Rydberg comme un physicien de plein droit dans cette confrérie. >>

 

<< C'est Niels Bohr qui justifia théoriquement en 1913 la formule de Rydberg en élaborant son modèle de l'atome d'hydrogène (voir *). Établi sur le modèle planétaire de Rutherford, ce nouveau modèle d'atome rencontra un succès immédiat car il permettait d’expliquer de manière simple les raies spectrales obtenues par excitation de l’atome d’hydrogène et d'autres atomes hydrogénoïdes, c’est-à-dire des atomes (ions) ne possédant qu’un seul électron (He+, Li2+, Be3+, etc.). >>

(*) https://fr.khanacademy.org/science/physics/quantum-physics/atoms-and-electrons/a/bohrs-model-of-hydrogen

 

Niels Bohr a déterminé la relation suivante, où chaque niveau d’énergie (n) de l’atome d’hydrogène a pour énergie :    E n = E1/n² 

E1 désigne l’énergie du niveau fondamental de l’atome d’hydrogène : E 1 = −13,60 eV

Le niveau 2 d'énergie de l'atome d'hydrogène est : E2 = −3,4 eV, c'est le seuil des raies d'absorption de la série de Balmer qui correspond au domaine de la lumière visible. Les longueurs d'ondes de cette série sont : 656,2 nm, 486,1 nm, 434,0 nm, 410,2 nm, 397,0 nm, 388,9 nm, 383,5 nm.

 

<< Niels Bohr a également effectué un rapprochement entre les premiers modèles de l'atome et la théorie des quanta. Ce modèle sera généralisé au cas des électrons relativistes par A.Sommerfeld afin d'écrire de façon quantitative la structure fine des lignes spectrales de l'hydrogène. >>

 

33) Lien avec les constantes fondamentales de la Physique

 

Du fait de la précision de mesure de la constante (RH) de Rydberg pour l'hydrogène et de la relation de cette constante avec l'électron, particule élémentaire (masse, charge), avec la lumière (vitesse) et avec la constante de Planck (quantum d'énergie), la constante de Rydberg sert de lien pour l'évaluation des cinq constantes fondamentales suivantes : 

Vitesse de la lumière : (c) = 2,998 × 10 p.8 m/s

Constante de Planck : (h) = 6,626 × 10p.−34 J·s

la charge élémentaire: (e)

la masse inerte de l'électron (me)

la permittivité du vide (ε0) (réponse du vide en présence d'un champ électrique).

 

Aux cinq constantes précédentes, il faut ajouter le lien de la constante de Rydberg avec la constante de structure fine alpha. Celle-ci peut être vue comme le carré du rapport entre la charge élémentaire et la charge de Planck :

 

Cette dernière constante, quoique fondamentale, reste mystérieuse pour la physique standard qui la considère comme étant en rapport avec ''le moment magnétique de l'électron''. Pour la physique des ondes, cette constante correspond au ''facteur de Landé'' qui caractérise l'onde de structure de l'électron et la réalité de son spin.

 

En physique atomique, on utilise souvent la constante « infinie » de Rydberg qui correspond à l'énergie d'ionisation d'un système hydrogénoïde dans lequel la masse du noyau est considérée comme infinie (par rapport à la masse de l'électron). La constante notée « infinie » apparaît dans la formule qui donne la constante de Rydberg pour un certain atome, de numéro atomique Z, avec un électron de masse inerte (me) et dont la masse du noyau est M.

 

La constante « infinie » de Rydberg est (d'après les résultats de 2014 de CODATA)

 

Nous avons vu que la formule de Rydberg, qui donne les niveaux d'énergie des électrons intra-atomiques, fonctionne parfaitement pour l'atome d'hydrogène et pour les hydrogénoïdes qui ne possèdent qu’un seul électron. Nous avons montré au chapitre N°23 de la rubrique N°10 ''L'énergie et la chaleur dans l'atome'' que le calcul des niveaux d'énergie et les règles quantiques ainsi initiées restent valables pour les 3 premières orbites (près du noyau) des premiers éléments chimiques. Dans la suite des éléments, à partir de l'argon (18 électrons), la règle principale commence à être perturbée et, en théorie quantique, on a dû faire intervenir de nouveaux ''nombres'', sous-orbites, et autres complexités magnétiques au fur et à mesure que la structure électronique se complique.

 

Toute la physique quantique s'est construite au début du 19ème siècle, autour des bases établies par les remarquables physiciens de cette époque, grâce aux données expérimentales en provenance de l'étude de l'atome d'hydrogène, grâce à la subtile idée de Rydberg, à celles de Rutherford et de Bohr, concepteurs de génie de l'atome. Mais il est très regrettable que Louis de Broglie n'ait pas réussi à imposer également ses idées et que sa ''fonction d'onde'' associée aux particules élémentaires soit restée une théorie et ne soit pas considérée comme une réalité.

 

Malgré cela, l'unicité des lois de la physique, à toutes les échelles, à tous les niveaux d'énergie et dans tous les domaines d'études, donne aux physiciens la possibilité de traiter les phénomènes physiques sous plusieurs aspects et en choisissant la configuration de lois la mieux adaptée. C'est pourquoi l’interprétation de Copenhague ''onde et particule'', qui s'est imposée entre 1925 et 1930, a permis à la science d'avancer sans poser de problèmes insurmontables. Mais, plus l'échelle des expérimentations est petite, plus les difficultés d'interprétation sont difficiles. C'est bien ce qui s'est passé à l'échelle quantique et surtout au niveau des relations entre particules intra-atomiques.

 

Entre 1930 et la construction de la bombe atomique, la physique quantique, ses nombreux ''effets'', la structure interne de l'atome, l'interaction des rayonnements et des champs magnétiques avec la matière, ont fait l'objet de considérables discussions entre physiciens. Les solutions se sont cristallisées autour de Niels Bohr qui est le fondateur de l’Institut de Physique Théorique de Copenhague. Il a formé une pléiade de jeunes scientifiques comme Heisenberg, Pauli, Dirac, Fermi, Oppenheimer, Gamow, Landau et a participé à la création du Conseil Européen de Recherche Nucléaire (CERN)

  

Je vous recommande de lire le remarquable article suivant qui est à la fois un historique des travaux de Niels Bohr et un exposé détaillé de l'ensemble des problèmes posés à cette époque.

Ilarion Pavel, « Niels Bohr, le père de l’atome », Bibnum [Online], Physique. :

https://journals.openedition.org/bibnum/823?lang=en

 

34) L'atome dit ''de Rydberg''

 

Niels Bohr avait noté que le fait que l'atome d'hydrogène ne possède qu'un seul électron lui donne un intérêt particulier dans l'étude de son interférence avec un rayonnement ou un champ magnétique (effet Stark et effet Zeeman). Cet intérêt s'est révélé effectivement très important par la suite après l'invention des lasers (voir plus loin).

 

Ci-dessous, plusieurs extraits de Wikipédia décrivent les propriétés d'un atome d'hydrogène en état de grande excitation. Pour les raisons que nous indiquerons, c'est un sujet très actuel d'étude. Elles se font sous la dénomination d'atome ''circulaire'' de Rydberg pour signifier qu'on se place dans l'ancien cadre de l'atome ''planétaire'' de Bohr.

 

Dans ce même cadre, la récente étude des hydrogénoïdes pourrait amener à modifier la conception de l'atome sur laquelle est construite l'actuelle physique standard des particules.

<< Un atome hydrogénoïde est un atome qui a perdu tous ses électrons sauf un, c'est un ion monoatomique, un cation ne possédant qu'un seul électron. Il a alors une structure semblable à celle de l'atome d'hydrogène, hormis la charge de son noyau Ze,  où Z est le numéro atomique de l'élément chimique, et (e) la charge élémentaire. La caractéristique essentielle de ces ions est d'avoir un spectre électromagnétique semblable à celui de l'hydrogène et interprétable dans le cadre du modèle de Bohr. >>

 

<< En physique atomique, on a appelé ''atome de Rydberg'' l'état excité d'un atome possédant un ou plusieurs électrons dont le nombre quantique principal (n) (numéro de la couche) est très élevé. La particularité de cet atome est sa grande taille, proportionnelle à (n)², ce qui implique la possibilité d'avoir des grands moments dipolaires et donc des interactions interatomiques très fortes. >>

 

<< Les atomes de Rydberg ont une taille très supérieure à celle des atomes à l'état fondamental. L'état d'excitation, jusqu'à la couche (n = 137), d'un atome d'hydrogène correspond à un rayon atomique d'environ 1 μm, soit cinq ordres de grandeur au-dessus du rayon d'un atome d'hydrogène à l'état fondamental (n = 1). Normalement ils n'existent pas dans le milieu naturel terrestre dans lequel l'énergie d'ionisation (*) est bien inférieure. Mais ils représentent une partie importante de la matière du milieu interstellaire (**) dans lequel ils peuvent persister longtemps, car dans ce milieu il n'existe pas d'interaction entre atomes ni de champ électrique ou magnétique susceptibles de provoquer leur retour à l'état fondamental. La raie spectrale à 2,4 GHz, révélatrice de la transition de nombre quantique principal entre (n = 109) et (n = 108) de l'atome d'hydrogène, est ainsi très fréquemment observée par les astronomes. >> 

(*) << Le potentiel d'ionisation (énergie d'ionisation d'un atome ou d'une molécule) est l'énergie qu'il faut fournir à un atome neutre pour arracher un électron (le moins lié) à l'état gazeux et former un ion positif. >>

(**) << Les atomes de Rydberg créés en laboratoire ont des nombres quantiques principaux qui vont de 30 à 150. La nature va plus loin : les astrophysiciens ont observé des émissions radio- électriques impliquant des atomes de Rydberg dont les nombres quantiques dépassent 300. >>

  

<< L'existence de tels atomes peut sembler étonnante car l'électron placé sur un niveau de nombre quantique élevé a tendance à "redescendre" en libérant de l'énergie par une émission radiative, phénomène illustré par les ondes radios qu'observent les astrophysiciens. Mais il se trouve que, lorsque le nombre quantique est très grand, cette "descente " se fait surtout au cours de chocs entre les atomes. La probabilité qu'elle se produise est très faible pour un atome isolé. C'est pourquoi il existe des atomes de Rydberg dans le milieu interstellaire, où la densité de matière est infime et les collisions rares. En laboratoire, leur création tient au progrès des techniques du vide, et surtout au développement des lasers. >>

https://www.lemonde.fr/archives/article/1983/02/09/les-atomes-de-rydberg-monstres-de-l-infiniment-petit_2843410_1819218.html

 

<< Compte tenu des susceptibilités électriques et magnétiques très élevées de ce type d'atome, les milieux qui en contiennent possèdent des propriétés électriques et magnétiques sensiblement déréglées par leur présence. >>

Ces propriétés particulières ont vivement intéressé les physiciens dès la découverte de ces atomes singuliers mais ce sont les possibilités nouvelles de recherche fondamentale offertes par les lasers qui ont amené les chercheurs à s'intéresser à ces états atomiques géants. En effet, leur étude se trouve en parfaite correspondance avec celle de l’interaction matière-rayonnement qui est au cœur de l'énergie existante dans l'atome.

 

Ce domaine de recherche, élargi grâce à la considérable progression de la performance des lasers depuis le début des années 2000, marque la base d'une nouvelle physique de l'atome et il se trouve que les physiciens français ont apporté à ces recherches une essentielle contribution. Le suivi historique des thèses et des sites qui se trouvent donc en français sur internet, m'a fourni un début de connaissance du rôle, des particularités et des caractéristiques des atomes de Rydberg. Le choix des moyens utilisés par ces physiciens expérimentateurs pour les manipuler est également un indicateur important pour aborder le problème actuellement posé dans cette rubrique.

 

4) L’AVÈNEMENT DU MASER, DU LASER ET DE LA DOUBLE RÉSONANCE

 

L'explication du fonctionnement des lasers par émission stimulée des photons d'Einstein et par transfert de population d'atomes par le pompage optique de Kastler peut être comprise de cette manière, si l'on demeure à l'échelle des atomes excités. Le fonctionnement des lasers peut alors s'interpréter sous cette forme en utilisant les concepts de la ''mécanique-mathématique''. Mais si l'on expérimente à l'échelle intra-atomique, en manipulant les électrons et les nucléons, on doit tenir compte des effets réellement ''quantiques'' qui se manifestent et dans lesquels interviennent les interactions ''électromagnétiques'' entre lumière et matière. Or, ces effets sont d'origine ondulatoire et font intervenir les mises en résonance, les longueurs d'ondes, les fréquences et tous les phénomènes relatifs aux ondes (dispersions ,interférences, polarisations, etc...).

 

Voici, avec l'aide de Wikipédia et d'autres sites indiqués, un rapide listing des différentes étapes qui conduisent à une interprétation inéluctablement ondulatoire de la physique du laser, c'est en réalité une ''physique des ondes'', dans laquelle nos hypothèses de base s’insèrent parfaitement.

 

<< Dans les années 1950, en exploitant ses connaissances et en suivant un processus d'émission stimulée imaginé par Einstein dès 1917, Charles H. Townes (1915-2015) imagine créer un flux de photons tous identiques, obtenus par amplification d’une onde électromagnétique. En quelque sorte, une photocopieuse à photons. Il fabrique alors un appareil dit ''d’amplification de micro-ondes par émission stimulée de radiation'', ou maser. C’est la première fois qu’on amplifie à l’identique un rayonnement électromagnétique. >>

  

<< Jean Brossel (1918-2003) est un physicien français qui a étudié à l'École Normale Supérieure sous la direction d'Alfred Kastler (1902-1984). Après la guerre, orienté par ce dernier, J. Brossel poursuit une formation plus expérimentale à Manchester, puis au Massachusetts Institute of Technology. Il revient en France et, en 1951, il soutient une thèse utilisant la méthode de double résonance, optique et hertzienne, dans les états excités du mercure. >>

 

Avec Townes, Gordon et Zeiger mettent au point en 1954 à l'université Columbia de New York un maser à ammoniac qui émet un rayonnement amplifié dans le domaine radio-hyperfréquence, celui des faisceaux hertziens et des micro-ondes (24 GHz pour le maser à ammoniac).

Rappelons que les longueurs d'ondes correspondantes, qui vont du mètre au millimètre, sont dites ''hertziennes'' et sont très supérieures à celles des lasers qui fonctionnent en optique dans l'infra-rouge (λ ≈ 1-10 μm) ou dans le domaine visible (λ ≈ 400-700 nm).

 

<< Charles Townes avait bénéficié, en 1955, d'une année sabbatique au cours de laquelle il avait passé plusieurs mois au laboratoire de l'ENS de la rue d’Ulm à Paris avec Albert Kastler. Dans ce laboratoire, Albert Kastler utilisait le dit ''pompage optique'' pour orienter le moment magnétique d'atomes avec de la lumière polarisée. Les électrons d'un atome possèdent deux états quantiques, un spin up et un spin down. On décrit ainsi deux niveaux d'énergie magnétique. À l'aide de la lumière polarisée Albert Kastler arrivait à transmettre de la rotation aux atomes. Il était ainsi capable de faire passer les atomes d'un niveau d'énergie à un autre en utilisant son ''pompage optique''. >>

http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/histoire-laser-Cagnac.xml

 

<< Avec Kastler, Brossel dirige alors les tentatives expérimentales de mise en pratique du pompage optique au sein du ''Laboratoire de spectroscopie hertzienne de l'École Normale Supérieure''. Cette équipe obtient de nombreux résultats dans le domaine de l'étude des structures fines et des transitions atomiques, ce qui vaut à A.Kastler d'être couronné en 1966 par le prix Nobel pour « la découverte et le développement de méthodes optiques servant à étudier la résonance hertzienne dans les atomes ». >>

 

<< Les méthodes introduites par Alfred Kastler et Jean Brossel permettent tout d'abord d'orienter les moments magnétiques atomiques en excitant les atomes avec une lumière résonnante polarisée. Si, en plus, les atomes sont soumis à une onde hertzienne qui induit la résonance magnétique, cette résonance est détectée par une modification de la lumière émise ou absorbée par les atomes. Cette méthode de double résonance combine la précision des mesures de fréquence des ondes hertziennes avec la sensibilité bien supérieure de la détection en optique. >>

 

<< Charles Townes n'aura de cesse de poursuivre des recherches pour obtenir le même effet d'amplification des ondes dans le domaine optique. C'est en 1960 qu'un premier laser à rubis émettant une lumière cohérente rouge à la longueur d'onde 694,3 nm fut réalisé par Théodore Maiman dans un laboratoire industriel de Californie, le « Hughes Research Laboratories ».

Ali Javan met au point un laser au gaz (hélium et néon) et, en 1966, Peter Sorokin construit le premier laser à liquide. C'est au phénomène d'absorption et de réémission de lumière jaune par les atomes de sodium que l'on a donné le nom de " résonance optique ". >>

 

<< L’invention des lasers va rapidement montrer son intérêt en physique avec l’apparition, en 1966, des lasers à colorants (baptisés ainsi car le milieu amplificateur est constitué de colorants chimiques en solution). L’immense avantage de ces lasers est, qu'en variant les concentrations des colorants, on peut ajuster la longueur d’onde de la lumière émise par le laser. « Les lasers à colorants ont été une révolution pour la spectroscopie qui permet d’étudier les propriétés d’atomes ou de molécules ayant la capacité d'absorber les ondes électromagnétiques », explique Lucile Julien du Laboratoire Kastler-Brossel (LKB). Pour la première fois, on a pu balayer les raies atomiques, c'est-à-dire cibler les unes après les autres les différentes longueurs d’ondes absorbées par les atomes observés, et faire de la spectroscopie haute résolution. >>

https://lejournal.cnrs.fr/articles/le-laser-histoire-dune-decouverte-lumineuse

 

Le rapide historique précédent montre que le fonctionnement des lasers est régi par l'interférence de la matière au niveau intra-atomique avec les ondes de type lumière (hertziennes, micro-ondes et lumières). Les phénomènes sont d'ordre ondulatoire et les effets sont quantiques.

 

<< Si l'on soumet un gaz à un rayonnement électromagnétique monochromatique de fréquence variable, on observe une forte absorption chaque fois que la fréquence du rayonnement incident est égale à la différence entre deux des niveaux caractéristiques de l'atome.

Le champ électromagnétique et l'atome se comportent alors comme deux systèmes couplés. L'échange d'énergie est maximal lorsque leurs ''fréquences'' propres sont ajustées, d'où le nom de ''résonance atomique'' donné au phénomène...Suivant le domaine du spectre électromagnétique dans lequel se situe la fréquence absorbée (ou émise), on distingue la résonance optique (à la base du fonctionnement du laser) et la résonance hertzienne utilisée dans les masers et les horloges atomiques. >> https://www.larousse.fr/encyclopedie/divers/r%C3%A9sonance/187322

 

5) REFROIDISSEMENT DES ATOMES

 

51) Une nouvelle physique atomique

 

Après la guerre qui a démontré la réalité, et l'usage possible, de l'énergie contenue dans le noyau des atomes par fission des nucléons a des fins militaires et civils, l'arrivée inopinée des lasers a bousculé ce domaine scientifique. Grâce aux liens qui ont existé entre Jean Brossel et Alfred Kastler au sein du ''Laboratoire de spectroscopie hertzienne de l'École Normale Supérieure'' et aux travaux dont nous avons parlé précédemment, la France n'est pas absente d'un nouveau domaine d'étude et d'utilisation qui concerne le fonctionnement interne des atomes et les interactions entre les radiations, les champs et les particules intra-atomiques. Ces études et les travaux expérimentaux entrepris ont ouverts de nouveaux domaines de la physique, parmi eux celui des atomes froids.

 

Les textes ci-dessous proviennent de Wikipédia, du site de (LKB) et du site remarquable du Collège de France :

https://www.college-de-france.fr/site/serge-haroche/course-2015-03-31-09h30.htm

Ce site publie quinze années (2001-2015) de cours de Serge Haroche à la chaire de physique quantique du Collège de France. Ce physicien a donné de 6 à 10 cours chacune de ces années, ce qui est une source de connaissance considérable dans l'ensemble de ce nouveau domaine.

Je citerai les adresses d'autres thèses plus ciblées qui décrivent en français les expérimentations et les résultats obtenus. Ces thèses ont toutes été rédigées sous la direction de l'un des grands spécialistes français que sont Claude Cohen-Tannoudji, Serge Haroche et Jean Dalibard et ceux-ci ont tous collaboré aux travaux du Laboratoire (LKB) dont nous allons parler.

 

<< Un laboratoire a été fondé en 1951 par Alfred Kastler (médaille d’or du CNRS en 1964, prix Nobel de physique en 1966) associé à Jean Brossel (médaille d’or du CNRS en 1984) sur le thème de l’interaction entre la lumière et la matière. Il porte alors le nom de « Laboratoire de spectroscopie hertzienne de l'École Normale Supérieure ». Il est localisé au Département de physique de l’ENS.

Il devient laboratoire associé au CNRS le 1er janvier 1966, avec la soixantaine de laboratoires à bénéficier les premiers d'un nouveau statut. En 1967, un second site ouvre sur le campus de Jussieu.

En 1994, le laboratoire change de nom pour devenir « Laboratoire Kastler-Brossel » (LKB), en hommage à ses deux fondateurs dont les travaux sur le pompage optique font partie de la culture du laboratoire et qui sont à l'origine, sous une forme ou une autre, d'une grande partie des recherches menées aujourd'hui au LKB. Le laboratoire Kastler-Brossel est devenu un des acteurs majeurs de la physique fondamentale des systèmes quantiques dans le monde. C'est aujourd'hui une unité mixte de recherche dont les tutelles sont le CNRS, l’École Normale Supérieure, Sorbonne Université et le Collège de France. >>

 

Pour comprendre l'évolution de cette nouvelle physique atomique, dont le marqueur initial a été la spectroscopie et la contribution du laser à l'étude fondamentale de l'interaction lumière-matière, il est utile de suivre les travaux engagés par le laboratoire LKB dans les domaines concernés par cette interaction. Il se trouve que ces domaines sont précisément au cœur de la ''physique des ondes''. Celle-ci, à condition d'admettre les hypothèses exposées dans ce blog ''essai d'une nouvelle physique'', fournit une approche nouvelle de l'atome basée sur les propriétés des ondes.

 

Il faut en effet reconnaître que, si les études à base de mécanique et de cinétique sont encore bien adaptées à l'échelle nanométrique des corps et des molécules, au niveau interne de l'atome l'énergie et les relations entre les particules sont réellement mesurées et déterminées par des fréquences, des longueurs d'ondes, des rapports, des effets ''quantiques'' qui ne sont en fait que des relations d'ondes, des mises en résonance d'harmoniques.

 

Le Laboratoire LKB, dont les membres fondateurs ont participé dès le départ à la nouvelle orientation de la physique atomique, s'est trouvé bien placé pour contribuer à l'étude fondamentale et prospective de l'interaction lumière-matière permise par les lasers. Il semble cependant que les crédits de recherche français ont été gérés par l'Europe qui capte les investissements à destination d'installations géantes, fonctionnant à grands frais et à très haute énergie (voir les rubriques N° 32 et 33). Ces équipements répondent aux besoins d'une grande part des recherches actuelles en physique mais en les orientant sur les hautes fréquences plutôt que sur l'étude des résonances nucléaires internes à l'atome à destination de cette nouvelle physique atomique.

 

Je n'ai pris connaissance de l'ensemble des travaux et études du LKB que depuis un an, grâce au site du Collège de France que j'ai indiqué plus haut. Je constate que la notion de double résonance, qui est une des notion à la base de ces études, conforte les hypothèses de notre physique des ondes exposées sur notre blog il y a 10 ans maintenant. Cette double résonance traduit bien la réalité de notre électron, onde double d'énergie et de structure. En effet : 

* La notion de double résonance exprime la relation intime de l'électron entre son onde énergétique (de type lumière) et son ''onde de structure'' magnétique transversale et rotationnelle. Au repos (au niveau fondamental) l'électron est un disque, en mouvement c'est un vortex. Cette relation est mise en formule dans le rapport gyromagnétique qui est environ de 2 pour l'électron.

* Cette même double résonance s'exprime également dans la relation entre le champ magnétique radiofréquence de l'électron (onde de structure) et celui des nucléons par l'intermédiaire du proton. Cette relation est le facteur de Landé dont la valeur dépend des masses en jeu.

* Lorsqu'un atome est placé sous l'influence d'un champ électromagnétique extérieur, la double nature de ses électrons se révèle à la fois dans l’effet magnétique Zeeman et dans l'effet énergétique Stark. Ainsi, l'électron relie ces deux effets par deux actions possibles de mise en résonance.

 

52) Refroidissement des atomes par effet Zeeman

 

En 1896, le physicien néerlandais Pieter Zeeman observe l'effet spectroscopique suivant :

Lorsqu'une source de lumière est plongée dans un champ magnétique statique, ses raies spectrales se séparent en plusieurs composantes. Cet effet désigne la séparation d'un niveau atomique d'énergie définie d'un atome ou d'une molécule en plusieurs sous-niveaux d'énergie distincte, sous l'effet d'un champ magnétique externe. Pour la physique des ondes, cet effet met donc en évidence l'influence de champs magnétiques extérieurs sur les ondes de structure des particules internes aux atomes, électrons-positrons et noyaux. Les électrons-positrons de même niveau énergétique se décalent en fréquence et se polarisent différemment.

 

<< Le clivage des niveaux d'énergie atomique ou moléculaire s'accompagne d'une polarisation de la lumière émise (ou absorbée) lors des transitions entre niveaux divers. La nature et l'intensité de cette polarisation dépend de l'orientation du champ magnétique extérieur comparé à l'observateur. Dans le cas d'un champ magnétique perpendiculaire à la ligne de visée, l'ensemble des composantes est polarisé linéairement, alors que pour un champ magnétique orienté parallèlement à la ligne de visée, la polarisation observée est circulaire. Tandis que la mesure de l'élargissement des raies spectrales renseigne sur l'intensité du champ magnétique, l'analyse de la polarisation apporte, par conséquent, des informations sur l'orientation du vecteur champ magnétique. >> Wikipédia

 

<< L'effet Zeeman est à la base des spectroscopies de résonance magnétique (nucléaire et électronique) qui permettent de détecter et caractériser les molécules dont les niveaux d'énergie sont affectés par les champs magnétiques, ce qui est souvent le cas dans les molécules organiques par exemple. Cet effet Zeeman est également utilisé dans le refroidissement des atomes dans un instrument appelé ''refroidisseur Zeeman'' (ou ralentisseur). >>

La théorie est exposée dans l'article suivant : ''Le refroidissement des atomes par laser'' par Alain Aspect et Jean Dalibard. http://www.phys.ens.fr/~dalibard/publi2/larecherche_94.pdf

 

Notre rubrique N°11 est intitulée ''Le laser atomique L'atome froid''. Sa lecture est indispensable pour comprendre le point de vue de la physique des ondes concernant l'action des champs magnétiques sur la structure interne des atomes (structure électronique et nucléaire). Les chapitre N°4 et 5 sont consacrés à l'exposé du principe et du dispositif de refroidissement des atomes par refroidisseur Zeeman. Dans cette rubrique, nous avons très largement utilisé la thèse que Yannick Bidel a soutenu en 2002 à l’Université de Nice Sophia Antipolis dont le titre est : ''Piégeage et refroidissement laser du strontium. Étude de l’effet des interférences en diffusion multiple''.

http://www.kaiserlux.eu/coldatoms/Theses/bidel.pdf

 

Dans sa première partie, Yannick Bidel décrit le refroidissement par effet Zeeman d'un jet d'atomes constitutif d'une vapeur de strontium, atomes mis en résonance avec un laser bleu obtenu par doublage d'un laser infrarouge. Yannick Bidel expose dans cette thèse l'ensemble des instruments qu'il a réuni et les expériences réalisées, pour lesquelles il donne de nombreuses précisions chiffrées expérimentalement. En utilisant cette thèse, notre rubrique N°11 tente d'exposer la méthode d'obtention d'un condensat d'atomes froids et d'en montrer toute la difficulté de réalisation.

 

Sorti d'un four à (500°), un jet effusif d'atomes de strontium est pris en résonance par un faisceau laser contre-propageant qui commence son refroidissement grâce à l'effet Dopler et aux forces de pression de radiation du laser contre propageant avec lequel il est en résonance. << Le faisceau laser ralentisseur doit être polarisé circulairement afin que la fréquence de résonance des atomes soit sensible au champ magnétique parallèle au faisceau. >>

 

Le jet d'atomes et le faisceau laser, après avoir été collimatés, sont introduits dans un ralentisseur Zeeman. Celui-ci réalise l'essentiel du refroidissement des atomes grâce à l'action d'un champ magnétique extérieur gradué qui met en pratique l'effet Zeeman. Yannick Bidel détermine expérimentalement le gradient du champ magnétique et le profil du champ magnétique dans le Zeeman. Celui-ci peut être réglé en modifiant l'intensité électrique dans les dix bobines qui entourent le tube en acier inoxydable dans lequel passe le jet atomique.

 

Nous pensons que l'essentiel du ''refroidissement'' ne peut être attribué à un ''ralentissement'' par la pression de radiation du laser contre propageant. C'est l'action externe du champ magnétique gradué produit par les 10 bobines qui agit sur les ondes de structure des électrons-positrons des atomes du jet de strontium. Par une mise en résonance successive, les ondes de structure électroniques voient leur fréquence hertzienne se réduire et, corrélativement (rapport gyromagnétique), les fréquences optiques des électrons-positrons sont abaissées, ce qui peut entraîner ceux-ci jusqu'au niveau énergétique fondamental. C'est pour nous la stricte application de la double résonance qui est bien une réalité puisque, pour la physique des ondes, la particule ''électron'' est une onde double (onde de type lumière matérialisée par une onde de structure).

 

Le but recherché par Yannick Bidel est l'obtention d'un maximum d'atomes froids de strontium pour former un condensat dit de ''Bose-Einstein'', maintenu un maximum de temps dans un piège magnéto-optique. Ce nuage d'atomes froids est contenu sous vide à l’intérieur d'une cellule piège par 6 faisceaux lasers et par un champ magnétique variable.

 

53) Traitement du condensat par évaporation

 

Cela se fait à partir d'un flux d'atomes déjà refroidis au niveau du millikelvin par un piège magnéto-optique, comme nous venons de le voir. Ce flux d'atomes froids est conduit dans des tubes allongés (4 à 5 mètres) soumis à des champs magnétiques gradués. << Les atomes qui ont ''résisté'' au refroidissement ''s'évaporent'' d'eux-mêmes, mais beaucoup d'atomes sont sacrifiés....On part avec environ un milliard d’atomes dans le piège magnétique, pour finir avec un million seulement. >>

 

Lors de la rédaction de notre rubrique N°11 qui traite du refroidissement des atomes, nous avons également étudié la thèse de Gael Reinaudi qui date de Juillet 2008 et qui est intitulée :

<< Manipulation et refroidissement par évaporation forcée d'ensembles atomiques ultra-froids pour la production d'un jet intense dans le régime de dégénérescence quantique : vers l'obtention d'un "laser à atomes continu". >> https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00310387/document

 

Cette thèse décrit plusieurs sortes de manipulations permettant de transporter des atomes refroidis entre des pièges magnéto-optiques et d'effectuer diverses filtrations ou travaux sur ces atomes. Tous les appareillages exposés dans cette thèse nécessitent des installations très complexes paraissant relativement peu performantes à cette époque (2008). Je n'ai pas accès aux dispositifs et aux expérimentations actuellement menées dans les laboratoires mais je pense que la possibilité de travailler en continu sur un jet d'atomes ultra-froids est à la base d'une prochaine (ou actuelle) révolution de la physique atomique.

  

6) PRODUCTION DES PLASMAS NON THERMIQUES

 

Dans la présente rubrique, nous recherchons la possibilité de piéger des atomes froids d'hydrogène afin d'en fusionner les nucléons. Nous avons vu précédemment que, s’il est possible de manipuler ainsi ce genre de particules, cela pourrait se réaliser à partir de plasma ou en se servant d'atomes de Rydberg. Une telle révolution des techniques devrait dans l'avenir mener les scientifiques à pouvoir travailler à froid les structures électroniques et nucléaires, c'est-à-dire qu'ils deviendraient capables de reconstituer les éléments chimiques tels qu'ils se créent à chaud dans les étoiles.

 

Cela ne me semble pas utopique mais seulement plus lointain que la réalisation de la fusion froide. En effet, si l'on prend en compte les éléments théoriques et expérimentaux réunis dans cette rubrique et si l'on traite le problème en adoptant les hypothèses et les concepts de la physique des ondes, les scientifiques actuels ne devraient pas être loin d'une possible réalisation de cette fusion.

 

En effet, le développement actuel des plasmas non thermiques dans des domaines industriels et médicaux très variés est considérable. Des réacteurs produisant ces plasmas froids à pression atmosphérique sont actuellement construits de différentes tailles et puissances, pour répondre à des besoins très divers et pour correspondre aux caractéristiques particulières des plasmas demandés.

 

61) Actualité des réacteurs à plasma non thermique.

 

Nous avons étudié au chapitre N°2 précédent les caractéristiques principales des plasma froids. Celles qui conviendraient au but que nous recherchons se rapprochent des particularités des plasmas utilisés en microélectronique dans la gravure des matériaux. La thèse de Jérôme Dubois qui date de 2017 peut nous fournir des indications sur le mode de mise en œuvre de ce type de plasma pour le contrôle de gravure sur des matériaux semi-conducteur. Son titre est :

<< Nouvelle technologie utilisant les plasmas H2 et He pour contrôler la gravure de couches ultra-minces à l’échelle nanométrique. >> Voici son adresse : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01508548/document

 

Une autre application très actuelle des plasmas ''non thermiques'' générés à pression atmosphérique et à température ambiante concerne de nouvelles technologies médicales utilisées pour la décontamination et pour des activités thérapeutiques permettant une meilleure cicatrisation des tissus. << Ainsi, le développement des plasmas froids a conduit à l’émergence d’un nouveau champ d’application, appelé ''plasma médecine''. >>

https://www.medecinesciences.org/en/articles/medsci/full_html/2012/02/medsci2012282p154/medsci2012282p154.html

 

<< Pour obtenir des plasmas froids, on utilise un courant électrique produit par un générateur haute tension ; celui-ci excite le gaz sélectionné et le fait passer de l’état gazeux à l’état de plasma. Cet état excité du gaz disparaît dès l’arrêt de l’apport de courant. Différentes sources peuvent être utilisées pour générer un plasma froid (à pression) atmosphérique et permettre une application in- situ. La plus courante est la décharge à barrière diélectrique (DBD) qui permet d’exciter le gaz se situant entre le tissu à traiter et la sonde d’application. >>

 

Il existe un troisième domaine d'utilisation des plasma froids dont les techniciens pourraient s'inspirer pour la conception de l'appareillage nécessaire à la réalisation de la fusion froide de l'hydrogène. Ce domaine est celui du traitement des surfaces qui prend une très grande importance dans des domaines extrêmement diversifiés : adhésion de film plastique, isolation acoustique et électrique, lubrification de mécanismes, collage, peinture, métallisation, résistance à l'usure et à la corrosion.

 

Les allemands semblent à la pointe des systèmes de production industrielle de plasma répondant à ces divers besoins. Le site de la société Diener Electronic, Plasma - Surface - Technologie  Nagolder Straße 61 D-72224 Ebhausen/Germany est le suivant :

https://www.plasma.com/fr/plasmaapressionatmospherique/

 

Diener Electronic développe pour chacun de ses clients (ISM) (Industriels, Scientifiques et Médicaux) des systèmes de production et d'exploitation de plasma répondant à l'usage précis qu'ils recherchent. << Le plasma à pression atmosphérique marque une nette différence avec le plasma basse et haute pression car aucune enceinte de traitement n'est nécessaire. Ce type de plasma peut donc être utilisé directement sur les lignes de production, évitant ainsi l'utilisation de vide ce qui est extrêmement onéreux. L'excitation se fait en courant continu mais plus couramment en courant alternatif. Les fréquences utilisées sont celles des ondes radio et celles des micro-ondes ( les hautes fréquences (ISM) autorisées sont : 40 kHz, 13,56 MHz, 27,12 MHz ou 2,45 GHz). >>

  

62) Sources d'ions à résonance cyclotronique électronique (ECR)

 

Il semble difficile, à partir des différents systèmes de production industrielle de plasmas proposés sur internet, de choisir le dispositif approprié à notre problème de fusion froide. D'autre part, les thèses récentes trouvées sur le net qui traitent de production de plasmas non thermiques sont aussi orientées sur des applications particulières de ces plasmas à usage industriel ou médical. Elles portent généralement sur des améliorations ou des détails de procédés d'ionisation permettant d'obtenir en sortie des ions parfaitement adaptés à chaque usage. Le plasma produit est en effet destiné à être utilisé sous la forme d'ions plus ou moins multi-chargés, dont la masse, l'énergie et la température peuvent être réglées, dont le flux sortant est aussi réglable en pression, densité, vitesse, en débit pulsé ou continu. L'usage de ces ions est donc axé sur la dynamique des particules et non sur des relations d'ondes et sur l'étude des structures internes.

 

Pour l'étude de notre problème de fusion froide, il nous faut remonter aux années 1930 et aux études physico-chimiques de la structure des éléments faites en utilisant les spectromètres de masse. En effet, le principe de production d'ions est très ancien et les premières sources d'ions ont été conçues pour répondre aux besoins de la spectrométrie.

La spectrométrie de masse est une technique d'analyse des molécules permettant de les identifier par mesure de leur masse et ainsi de caractériser leur structure chimique. Son principe réside dans la séparation en phase gazeuse de leurs particules (ionisation) en fonction du rapport de leur masse et de leur charge (m/z).

 

Parmi les nombreux types de sources d’ions développés depuis les années 1930 jusqu’à ce jour, la source d’ions à résonance cyclotronique électronique (ECR) a été créée et développée par l’équipe de R. Geller au centre CEA de Grenoble dans les années 1965.

 

Voici comment la science officielle présente le phénomène (ECR) :

<< La résonance cyclotronique électronique (ECR pour Électron Cyclotron Résonance) est un phénomène observé aussi bien en physique des plasmas qu'en physique de la matière condensée. Un électron dans un champ magnétique statique et uniforme se déplace sur un cercle en raison de la force de Lorentz. Le mouvement circulaire peut être superposé à un mouvement uniforme axial, résultant en une hélice, ou avec un mouvement uniforme perpendiculaire au champ, par exemple, en présence d'un champ électrique ou gravitationnel, résultant en une cycloïde. La pulsation (ω = 2π f ) de ce cyclotron pour un champ magnétique (B) est donnée en unité SI par la formule suivante : 

 

la charge élémentaire (e) = 1,602 × 10-19 coulombs,

la masse de l'électron (m)= 9,109 × 10p-31 kg,

le champ magnétique (B) est mesuré en tesla, et la pulsation (ω) est mesurée en radian /sec. 

Pour un rayonnement micro-onde classique de fréquence 2,45 GHz, la condition de résonance est remplie lorsque (B) = 875 Gauss = 0,0875 Tesla. >>

https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9sonance_cyclotron

 

L'utilisation d'une source d'ions à résonance cyclotron électronique (ECR) paraît tout à fait adaptée au processus d’exécution de la fusion froide que nous cherchons à réaliser. En effet, cette source d'ions utilise précisément le phénomène de double résonance dont nous avons parlé précédemment. Cette mise en œuvre est même, pour la physique des ondes, la preuve de la justesse de ses hypothèses de base. C'est, pour notre électron-positron, la preuve de la conformité de sa conception ondulatoire, de la réalité de son onde de structure et de son spin. Cela explique son interférence avec les champs magnétiques et sa possible mise en résonance directe avec eux.

 

Pour la physique des particules, les électrons sont des ''boules'' de matière conduites par des ondes qui, soumises à un champ magnétique, tournent autour des lignes de force magnétique en même temps qu'elles circulent à grande vitesse dans l'axe de leur champ électrique. Le plasma, avec ses nucléons (ses ions) qui sont beaucoup moins excités, est le siège de très nombreuses collisions. Celles-ci sont d'autant plus fortes que le plasma est soumis à une température élevée, ce qui peut expliquer la fusion des atomes dans les étoiles telle qu'on voudrait la réaliser sur terre dans les tokamaks. Cette physique des particule est en fait une physique des collisions plus qu'une physique des interactions résonnantes.

 

Toute cette ''mécanique'' peut être étudiée en extrapolant les lois et la mathématique que nous savons utiliser à notre échelle macroscopique. Cela peut aussi fonctionner à l'échelle quantique car les lois de la physique ont la propriété générale d'être universelles, même si un marteau-pilon n'est pas le meilleur outil à employer pour écraser une mouche.

 

Il reste que la physique des particules explique avec difficulté les phénomènes d'interaction et de résonance entre les champs magnétiques extérieurs appliqués aux atomes et les particules intra-atomiques. Pour les électrons, ce sont la ''résonance cyclotronique électronique'' (ECR) et la ''résonance paramagnétique électronique'' (RPE) qui semblent l'une et l'autre liées au même concept de spin qui est une réalité et non un artifice virtuel. Mais l'électron tourne sur lui même et non en raison de la force de Lorentz.

 

Ce texte confirme la réalité du spin de l'électron :

https://www.unige.ch/sciences/chifi/sugiharalab/files/4814/6046/2122/chapitre7.pdf

<< La spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE), également appelée spectroscopie de résonance de spin électronique (ESR pour électron spin résonance), est une extension de l'expérience effectuée par Otto Stern et Walther Gerlach en 1922 qui a conduit à la mise en évidence du spin de l'électron. Stern et Gerlach ont fait passer un faisceau d'atomes d'argent dans un champ magnétique inhomogène et ont vu que ce faisceau était dévié dans deux directions. Ces deux directions sont dues aux deux orientations du moment magnétique de spin (ms) par rapport au champ magnétique, autrement dit à la quantification spatiale du spin avec (ms) =1/2 et (ms) = - 1/2. >>

 

Pour les nucléons, le phénomène de mise en résonance existe également sous les noms de ''résonance magnétique nucléaire'' (RMN), utilisé en spectroscopie mais très connu médicalement sous le nom ''d'imagerie par résonance magnétique'' (IRM). Le phénomène de résonance des nucléons existe aussi sous le nom de ''résonance cyclotronique ionique'' (ICR), (voir plus loin). Il est utilisé dans les ''cellules ICR'', appelées aussi '' piège de Penning'', qui confinent les ions sous l’action d’un champ magnétique et d’un champ électrique quadripolaire axial empêchant les ions de s’échapper. Toutes ces mises en résonance sont liées également au phénomène de spin des nucléons.

 

Notre électron-positron a, sur les ''boules'' de la physique des particules, l'avantage de posséder la même nature que ces ondes énergétiques et magnétiques auxquelles on soumet le plasma. Ce sont toutes des ondes ''de et dans'' la substance de l'espace. Les électrons sont des ondes doubles. On peut donc, par mise en résonance magnétique des électrons à des fréquences comprises entre les HF et les MO, augmenter leur pulsation de rotation sur eux-mêmes (leur spin).

 

Corrélativement, en fonction du rapport gyromagnétique, leur énergie augmente aussi par mise en résonance successive, jusqu'à les rendre électrons libres et ainsi ioniser l'atome. Si la puissance du champ magnétique est suffisante, les électrons peuvent même atteindre des niveaux d'énergie (harmoniques) très élevés tout en restant liés, ce qui peut être le cas de l'atome de Rydberg comme nous l'avons vu.

 

Sur internet, un article indique que des scientifiques étudient actuellement la possibilité d'introduire un ou des nucléons à l’intérieur d'un atome de Rydberg, entre son noyau et ses électrons, en profitant de l'éloignement de ceux-ci et de leur durée de désexcitation plus élevée. Cela pourrait être une piste pour une fusion d'atomes d'hydrogène... C'est une des raisons du développement de mon chapitre précédent qui traite de cet atome particulier. Mais je n'ai pas voulu orienter la suite de cette rubrique dans cette voie, faute de documentation.

 

7) PRÉPARATION DE LA FUSION DES ATOMES FROIDS D’HYDROGÈNE

 

71) Les hypothèses de base

 

Nous avons réunis, dans les précédents chapitres de cette rubrique, les éléments permettant d'envisager la réalisation d'une fusion froide d'atomes d'hydrogène. Nous avons étudié d'une manière générale, l'état de plasma froid, l'atome d'hydrogène et ses particularités, l'interaction des lasers et des atomes, le phénomène de double résonance, les possibilités de refroidissement des atomes, la production de plasma non thermique, l'état actuel de ce type de réacteurs à plasma et son utilisation industrielle, la création d'un flux d'ions par (ECR).

 

Nous arrivons maintenant au terme de cette rubrique et il nous reste à imaginer, avec ces éléments, comment pourrait se réaliser, en partant d'un plasma non thermique de gaz de deutérium généré à pression atmosphérique, la manipulation, le piégeage, le refroidissement, la présentation de ses nucléons permettant leur fusion à froid, puis la réintégration des électrons afin d'obtenir des atomes d'hélium 4 et le dégagement, sous forme de chaleur, de l'énergie engendrée par la fusion.

 

La lecture de ce qui va suivre nécessite l'acceptation formelle de l'(ECR) mais de plus, elle implique la connaissance sinon l'agrément de l'ensemble des hypothèses de base de la physique des ondes. Les plus évidentes concernent les électrons-positrons ondes doubles (énergie et structure) qui sont au repos des disques et en mouvement des vortex ''de et dans'' la substance de l'espace. Toutes ces hypothèses ont été maintes fois exposées tout au long de ce blog. Nous venons d'en montrer à nouveau la simple et claire réalité.

 

Nos hypothèses les plus osées sont celles relatives aux nucléons qui les décrivent constitués chacun d'une brochette de positrons (918) et d'une brochette d'électrons (918 pour les neutrons), (917+1 électron externe pour les protons), brochettes reliées entre elles et avec les autres nucléons par la ''force forte'' d'attraction de leurs ondes de structure. Ces hypothèses ont été plusieurs fois exposées et traitées en détail au chapitre N°4 de la Thèse initiale et au chapitre N°9 de la Rubrique N°1.

De plus, pour comprendre et admettre les concepts relatifs à la fusion des atomes qui sont en correspondance avec les hypothèses de base de la physique des ondes, il vous est nécessaire de relire la rubrique N°13 intitulée ''L'énergie de liaison du noyau atomique''. Les notions de masse et d'énergie de masse des éléments y sont à nouveau mises en relief, de même que la fusion des atomes légers et la fission des atomes lourds sont expliquées en accord avec nos hypothèses.

 

72) Critères de réalisation de la fusion

 

Tous les projets de fusion de l'hydrogène se réfèrent au processus initial de fusion nucléaire à l’œuvre de manière naturelle dans le Soleil et la plupart des étoiles de l'Univers. Il s'agit d'un ensemble de réactions possibles à partir duquel se crée, au sein des étoiles, l'hélium puis tous les éléments chimiques dont les noyaux sont de plus en plus lourds. Toutes ces réactions de fusion, au fur et à mesure de leur exécution, dégagent d'énormes quantités d'énergie pendant toute la durée de vie (du rayonnement) de l'étoile. Ce sont ces réactions de fusion de l'hydrogène à haute température que les scientifiques envisagent de réaliser sur terre dans les tokamaks et dans ITER.

 

Mais leur choix du combustible et des réactions à utiliser est difficile car il est multiple et il dépend d'une série de facteurs principaux que l'on peut énumérer comme suit :

* Disponibilité et coût de production des éléments gazeux de base (combustibles).

* Conditions de démarrage, température et maîtrise de la réaction choisie.

* Choix du meilleur bilan énergétique. Outre l'énergie produite et l'énergie perdue, intervient l'énergie de mise en œuvre. Le ''critère de Lawson'' se base sur une estimation de ces quantités en fonction du processus considéré.

* Puissance par unité de volume générée par la réaction.

* Production de déchets et pertes d'énergie par neutrons. << La ''neutronicité'' de la réaction, est définie comme la fraction de l’énergie de fusion libérée sous forme de neutrons. C’est un indicateur important de l’ampleur des problèmes associés aux neutrons, tels que les dommages provoqués par les radiations, la protection biologique, la télémanipulation et la sécurité. >> Wikipedia

 

73) Choix du combustible

 

Nous venons de parler des critères qui déterminent le choix des opérations dans le cas de la fusion terrestre à haute température. Ces critères restent les mêmes dans notre conception de la fusion froide, mais leur choix et leur application sont différents, car le milieu dans lequel nous envisageons de fonctionner n'est pas chaud et excité. Les interactions ne sont pas celles de collisions mais au contraire le fait d'accord en résonance, en état de semi-léthargie.

 

Ce ne sont plus seulement les lois de la chimie, de la mécanique et de la thermodynamique qu'il convient de prendre en compte pour réaliser cette fusion, mais essentiellement celles des ondes électromagnétiques (énergétiques et magnétiques). D'autre part, il faut envisager que l'utilisation de cette technique puisse se faire dans le domaine commun, à une échelle de production moyenne et même petite. Pour cela, il faut éviter absolument le dégagement de rayonnements ionisants ainsi que celui de neutrons et autres déchet radioactif. 

https://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_aneutronique

 

<< La réaction la plus couramment envisagée ''deutérium + tritium'' se traduit par une émission de neutrons rapides. Ces neutrons sont impossibles à confiner électromagnétiquement, car ils ont une charge électrique nulle. Ils sont donc susceptibles d’être capturés par les noyaux des atomes de la paroi de l’enceinte qu’ils transmutent parfois en isotopes radioactifs (phénomène d’activation). >>

 

Ce n'est pas le cas d'une fusion de deux atomes de deutérium de formule (²H ou D) qui fournirait un atome d'Hélium (He4). Nous avons vu précédemment que le noyau de l'atome de deutérium (D) comporte 2 nucléons (un proton et un neutron liés). La molécule de deutérium gaz que l'on veut transformer en plasma est le di-deutérium de formule (²H2 ou D2) qui comporte deux atomes de deutérium soit 2 noyaux de 2 nucléons ou 2 fois ''un proton et un neutron liés''. Il faudrait pouvoir fusionner ces 2 noyaux pour obtenir un seul noyau d'hélium (He4) sans déchet radioactif.

 

Pour fusionner les noyaux de deutérium, c'est la force de structure nucléaire (force nucléaire forte) qu'il convient de réduire par le froid après s'être débarrassé provisoirement de l'électron interne à l'atome auquel le proton est lié. La réalisation du plasma froid de deutérium devrait se faire de façon lente et continue de manière à ne pas briser les brochettes d'électrons et de positrons, et donc de conserver l'intégralité de chaque nucléon (2 brochettes par nucléon), ce qui représente pour chaque noyau de deutérium un ensemble de quatre brochettes liées. La fusion de deux noyaux de deutérium pour faire un noyau d'hélium consiste à marier deux ensembles de quatre brochettes.

 

On doit cependant noter que, partir du deutérium gaz, est un handicap en coût de production car il s'obtient par distillation de l'eau lourde qu'il faut au préalable produire, ce qui est coûteux en énergie électrique et en eau. Indiquons également qu'il s'agit d'un gaz très inflammable.

  

74) Choix du type de réacteur

 

Nous avons vu précédemment que les installations et les appareils qui semblent adaptés à la réalisation et à la manipulation de plasma non thermique correspondent à ceux des spectromètres de masse qui utilisent des sources d'ions à (ECR). On peut lire à ce sujet le site de techno-sciences :

https://www.techno-science.net/definition/6673.html

''Spectrométrie de masse - Définition et Explications''

 

Voici quelques adresses internet de sites et de thèses qui décrivent ce type d'appareillage et leur utilisation dans des études traitant de procédés d'ionisation, du piégeage d'électrons et de manipulation des ions : 

 

https://www.e-periodica.ch/cntmng?pid=hpa-001:1949:22::679

Article de R.Keller du Laboratoire de Recherches sur la Physique des Plasmas de Lausanne, daté de 1948 et publié dans Helvética Physica Acta, intitulé :

''Étude d'une source d'ions du type Penning''

La source d'ions élaborée par F. M. Penning (*) et J. H. A. Moubis en 1937 et améliorée par P. Lorrain en 1947 a été exécutée sous une forme facilement démontable, de façon à pouvoir faire varier sans peine la géométrie des électrodes. Elle s'applique à des gaz d'hydrogène et de deutérium

<< Frans Michel Penning (1894 -1953) est un physicien néerlandais. Il a donné son nom à un piège à ions (Cellules (ICR), à un procédé d'ionisation et à un mélange de gaz. Il est également l'inventeur de la jauge de Penning, un manomètre à ionisation. >> (Wikipédia)

 

https://patents.google.com/patent/EP0252845A1/fr

Publication en 1988 par l'Office Européen des Brevets du N° EP0252845A1 intitulé :

''Source d’ions à résonance cyclotronique électronique''

Inventeur : Bernard Jacquot du Commissariat a l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives

<< La présente invention a pour objet une source d'ions à résonance cyclotronique électronique permettant notamment la production d'ions lourds positifs multichargés.

La source d'ions selon l'invention est relativement compacte. Elle permet d'obtenir des faisceaux d'ions de forte densité ou intensité. >>

 

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00826838/document

Université Paris Sud CEA - Saclay

Thèse de Physique présentée le 21 décembre 2012 par Sébastien Nyckees

'' Étude et développement d'une nouvelle source (ECR) produisant un faisceau intense d'ions légers''

Cette thèse entre dans le cadre de l’étude et de la conception d’une nouvelle source ECR d’ions légers au sein du LEDA (Laboratoire d’Etudes et de Développement des Accélérateurs CEA- Saclay), nommée ALISES (Advanced Light Ions Source Extraction System).

 

https://irfu.cea.fr/dacm/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=4099

Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l'Univers

Développement des sources ECR: Le concept ALISES

<<  Caractéristiques et performances des sources ECR actuelles :

Les sources ECR d'ions multi-chargés sont des dispositifs de technologie simple, d'un coût relativement modeste, faciles à manipuler, à réparer et à faire fonctionner, d'une bonne fiabilité, presque sans maintenance (ni cathode ni filament). La structure magnétique peut être intégralement réalisée en aimants permanents, limitant encore le nombre de paramètres à régler (au prix cependant d'une baisse de performance). Elles fonctionnent en continu comme en pulsé avec une bonne stabilité, pour une gamme large d'espèces ioniques aussi bien gazeuses que métalliques (grâce à des micro-fours de vaporisation), avec une consommation faible de matière par rapport aux courants délivrés, à cause de leur bonne efficacité d'ionisation liée à la densité électronique relativement élevée que donne le confinement magnétique. >>

 

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00936865/document

Contribution au développement des sources d’ions de type Résonance Cyclotronique Electronique. Thèse de L. Maunoury Université de Caen 2014

 

https://books.google.fr/books?id=LnFREKvVysMC&pg=PA15&lpg=PA15&dq=d%C3%A9charges+Penning&source=bl&ots=dwgvZs5gts&sig=ACfU3U29jFJGi1FJdNQcdreBz-BbS1Jekg&hl=fr&sa=X&ved=2ahUKEwjnopr47rP1AhWF7eAKHW_jDEYQ6AF6BAglEAM#v=onepage&q=d%C3%A9charges%20Penning&f=false

''Plasmas froids de décharge'' A-M. Pointu (Université Paris XI), J. Perrin et J. Jolly du CNRS

 

https://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=3714

2016 Innovation dans le domaine des sources ECR d'ions légers haute intensité :

La source ALISES II 

<< Le principe de toutes ces sources est basé sur l’excitation d’électrons par résonance cyclotronique électronique (ECR) en présence d’une onde électromagnétique haute fréquence et d’un champ magnétique. Elles fonctionnent avec un générateur radiofréquence (RF) à 2.45 GHz et un champ magnétique de 87.5 mT produit par un système de bobines ou d’aimants permanents. La résonance se produit à l’intérieur d’une chambre d’ionisation (chambre plasma) dans laquelle un gaz hydrogène ou deutérium est injecté et subit une ionisation due à l’excitation des électrons. L’ensemble étant porté à haute tension, un orifice de quelques millimètres permet de produire un faisceau d’ions au moyen d’un système d’extraction multi électrodes qui assure à la fois la mise en forme et l’accélération du faisceau. >>

 

75) Le processus envisagé pour réaliser l'ionisation du deutérium

 

Avant de décrire l'ensemble du processus que nous proposons dans le but de cette réalisation, il faut à nouveau indiquer que ceci ne peut être compris, sinon accepté, que si l'on prend connaissance des hypothèses de base de la physique des ondes en ce qui concerne la structure du noyau atomique. Autant la véracité de la double nature d'onde de l'électron se trouve étayée par la théorie ondulatoire de L.de Broglie et par celle de la double résonance, autant nos hypothèses concernant les ''brochettes'' d'électrons et de positrons constituant des nucléons restent des conjectures qui n'ont jamais été vérifiées. Tout repose aussi sur les hypothèses précédentes, sur la notion d'électron-positron, particule élémentaire constituant toute matière, sur la notion d'onde de structure et sur l'idée de l'anti-matière liée à la matière dans le noyau atomique.

 

Parmi les études et les thèses dont nous venons de parler et qui se rapprochent le plus du sujet que nous voulons traiter, j'ai choisi celle de Sébastien Nyckees qui, dans sa thèse :

'' Étude et développement d'une nouvelle source (ECR) produisant un faisceau intense d'ions légers'', présente et discute dans le détail et avec d’excellents schémas les améliorations techniques apportées à la source (ECR) SILHI.

Cette nouvelle source ALISES (Advanced Light Ions Source Extraction System) est décrite dans la thèse en production d'ions de gaz de deutérium, ce qui est précisément la configuration qui nous intéresse, et en plus les données et résultats sont chiffrés.

  

La lecture de cette thèse sur le site : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00826838/document

vous montrera comment, à partir de gaz de deutérium à température et pression atmosphérique normale, obtenir le faisceau d'ions non thermiques dont nous avons besoin. Les principaux éléments de l'appareillage et des processus décrits dans cette thèse sont les suivants : 

* La ligne de basse énergie (LBE) est l'axe de l'ensemble qui conduit sous vide l'onde électrique radiofréquence émise par un magnétron et qui analyse et transporte les ions. Le raccourcissement de cette (LBD) pour une réduction de l'émittance est une des améliorations recherchée dans la thèse. Pour connaître les problèmes d'émittance et de charge d'espace liés au transport d'un faisceau d'ions, se reporter au site :   ''Transport de particules dans une ligne à basse énergie''   https://irfu.cea.fr/dap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=514

 * Le centre de la chambre cylindrique d'ionisation dans laquelle on introduit le gaz deutérium à ioniser est situé sur l'axe de cette ligne de basse énergie (LBD). La diminution des dimensions de cette chambre fait partie des améliorations de la source ALISES proposées par la thèse.

* Cette chambre est sous l'influence d'un solénoïde fournissant le champ magnétique qui, superposé à l'onde énergétique radiofréquence de la ligne (LBD), participe au phénomène de Résonance Cyclotronique Électronique (ECR) que nous avons étudié. La thèse de Sébastien Nyckees montre aussi que la valeur de l'émittance dépend aussi de la distance focale, de l'emplacement et de la longueur du solénoïde. 

* Grâce à l'établissement de l'ECR dans la chambre d'ionisation, les électrons du gaz acquièrent une énergie leur permettant de sortir de leur atome et devenir électrons libres. Ainsi se forme, dans la chambre autour de la ligne (LBD), un plasma de deutérium composé de noyaux atomiques entiers de deutérium, d'électrons libres, d'atomes neutres non ionisés, mais aussi de protons et neutrons d'hydrogène liés ou non liés. 

* L’extraction du faisceau d'ions de la chambre d'ionisation se fait sur la ligne (LBD) par un diaphragme grâce à l'action attractive d'une série d'électrodes chargées à différents potentiels. Leur forme et leur position ont été également améliorées sur ALISES grâce au déplacement et à la modification du solénoïde. Une des électrodes est chargée de repousser les électrons. Le faisceau est focalisé sur l'axe (LBD) de ce qui est appelé le ''tube accélérateur''.

 

En effet, le faisceau d'ions est, dans cette thèse, destiné à alimenter un accélérateur de particules, ce qui n'est pas notre but puisque nous cherchons au contraire à ralentir (à refroidir) les nucléons de deutérium et à les marier dans cet état. Mais auparavant, il nous faut éliminer les éléments neutres ainsi que les ions hydrogènes inutiles et provisoirement écarter les électrons restants. C'est le rôle d'un analyseur-trieur dont la conception est analogue à celle de l'analyseur d'un spectromètre de masse. Étudions un appareil susceptible de participer à la solution de notre problème.

 

76) Analyseur de masse quadripolaire

 

Nous avons vu que la spectrographie de masse servait à l'origine à l'analyse des molécules et en particulier à détecter et séparer les différents isotopes d'un élément en fonction du rapport de leur masse et de leur charge (m/z). Son usage actuel s'est considérablement diversifié et miniaturisé jusqu'à devenir un ''outil'' à usage biologique, alimentaire et même militaire lorsqu'il faut analyser sur le terrain des explosifs ou des gaz. Ces derniers sont introduits directement dans un appareil (CPG-SM) qui couple la chromatographie en phase gazeuse à la spectrométrie de masse.

 

Nous avons choisi, dans les chapitres précédents, un type de réacteur et un mode de fonctionnement sous vide, à température normale, permettant une ionisation ''douce'' du gaz deutérium, sans fragmentation par collision des nucléons. Les ions ont ainsi une relative stabilité et une durée de vie suffisante pour traverser l'analyseur, le refroidisseur, le positionneur, jusqu'à la cellule de fusion. Il faut en effet poursuivre notre processus en triant les ions produits et en les refroidissant à une température choisie. Il faudra ensuite les disposer convenablement grâce à des champs électrostatiques et magnétiques de façon à pouvoir les conduire en position adéquate dans une cellule de fusion.

 

Parmi plusieurs types d'analyseurs correspondant aux usages des différents spectromètres de masse, nous choisissons, pour trier les ions, d'utiliser un analyseur de déflexion par un champ quadripolaire. Wikipédia nous aide à décrire ce matériel et son principe de fonctionnement :

<< Un quadripôle est constitué de quatre électrodes (2 couples) parallèles de section cylindrique (fig.1) ou hyperbolique (coupe figure 2).

Les électrodes opposées distantes de (r°) sont reliées entre elles et sont connectées électriquement à une source de tension équilibrée ayant une composante radiofréquence superposée à un potentiel constant.

Les électrodes adjacentes sont portées à des potentiels de même valeur mais opposée de sorte que l'écart de potentiel soit égal à (Φ). Ce potentiel (Φ) résulte de la combinaison de tensions, l'une continue (U), l'autre alternative (V) de haute fréquence (f). >> 

 Figure 1

Fichier:Analyseur-quadripolaire-MS.png Wikipédia

En rouge ions en résonance. En bleu ions en non résonance

 

Figure 2

coupe d'un quadripôle

https://fr.wikipedia.org/wiki/Spectrom%C3%A9trie_de_masse

 

En appliquant cette différence de potentiel entre chaque paire d'électrodes, il se crée un champ électrique quadripolaire. La trajectoire d'un ion pénétrant dans le quadripôle aura un mouvement uniforme selon l'axe z, mais le champ oscillant entraînera les ions dans une trajectoire complexe de spirales selon les deux axes x et y.

 

La solution de ce problème complexe peut être déterminée par application des équations dites de Mathieu. En fonction, d'une part de la combinaison de valeurs d'amplitude et de fréquence des tensions U et V indiquées précédemment, d'autre part du rapport m/z, dans lequel (m) est la masse de l'ion et (z) sa charge, ces équations permettent de déterminer si les oscillations de l'ion resteront ou non dans le cercle (r°) intérieur entre électrodes.

 

Il existe donc des combinaisons de valeurs d'amplitude et de fréquence qui permettent aux ions d'une masse donnée constante de conserver une trajectoire stable tout au long de l'analyseur. Leur faisceau se trouve même focalisé. Ces ions, en résonance avec le champ (en rouge sur la figure 1), sont conduits jusqu'au bout de l'analyseur sans être déviés, contrairement à tous les ions de masse différente (en bleu sur la figure 1). C'est ainsi que nous pouvons sélectionner et conduire les noyaux de deutérium entiers hors de l'analyseur dans le ralentisseur Zeeman pour les refroidir.

 

77) Le refroidisseur Zeeman

 

Pour que ces noyaux de deutérium arrivent dans le positionneur en condition de pouvoir fusionner, il convient de les désexciter, de ralentir à la fois leur énergie cinétique et leur spin, c'est-à-dire de les refroidir.

Le chapitre N°5 précédent a été consacré au problème du refroidissement des atomes, mais c'est surtout la rubrique N°11 ''Le laser atomique. L'atome froid'' qui traite de ce sujet.

 

Pour explorer ce sujet dans cette rubrique N°11, nous avons eu recours à la thèse de Yannick Bridel qui décrit avec précision l'appareillage et l'utilisation d'un refroidisseur Zeeman sur des atomes de l'isotope 88 du strontium. C'est ce même type d'appareil qu'il conviendrait d'employer pour refroidir les noyaux entiers de deutérium sortant de l'analyseur à destination de la cellule de fusion. La température minimale à générer pour réaliser leur fusion reste à déterminer. Elle doit permettre aux noyaux de conserver leur magnétisme.

 

78) Le positionneur

 

A partir de la sortie des noyaux froids de deutérium du Zeeman, nous pénétrons dans un domaine imaginaire qui est uniquement basé sur les hypothèses de la physique des ondes concernant la constitution des noyaux atomiques. Nous répétons à nouveau que ces hypothèses ne sont pas scientifiquement prouvées bien qu'elles me paraissent tout à fait raisonnables et en accord avec les faits expérimentaux. En plus, elles fournissent des interprétations réalistes à nombre de phénomènes dits ''quantiques'' que la physique des particules explique avec difficulté et elles permettent aussi d'aborder sans complexe le ''non linéaire'' qui est compliqué à mettre en équation.

 

Enfin, bien que ces hypothèses s'écartent complètement de certains présumés acquis comme le big-bang, elles intègrent facilement les principes sur lesquels reposent toute la physique ainsi que les très nombreux ''effets'' découverts par les scientifiques au fur et à mesure de leurs recherches.

 

Les noyaux de deutérium, que l'on espère sortir entiers de l'analyseur, contiennent chacun 2 nucléons (un proton et un neutron liés). Chacun de ces nucléons est constitué de 2 brochettes qui sont liées (une de 917 électrons et une de 918 positrons). Chaque noyau est donc constitué de 4 brochettes liées qu'il convient de réunir avec un autre noyau de 4 brochettes pour obtenir un noyau d'hélium.

 

Rappelons que les dites brochettes sont des piles d'électrons et de positrons qui, au repos, ont le minimum d'énergie cinétique mais qui tournent (spinent) au ralenti en sens contraire l'une de l'autre. De ce fait, elles restent liées magnétiquement. C'est pourquoi on peut espérer, à froid (au minimum d'énergie cinétique), pouvoir relier ces brochettes par un simple contact (attraction magnétique dite force forte), à condition de les positionner correctement. Il convient donc, d'une part que toutes les brochettes soient dressées parallèlement, d'autre part que les 2 carrés de 4 brochettes (les 2 noyaux de deutérium) soient mis en contact par les angles. Le contact attractif des deux carrés se ferait entre une brochette d'électrons et une de positrons.

 

Dans un appareil à concevoir, destiné à positionner les noyaux à fusionner, je propose de faire se projeter le flux de noyaux sortant du Zeeman sur deux parois latérales qui se font face et qui sont parcourues dans leur longueur par deux champs magnétiques verticaux. Une des parois est chargée positivement et attire les brochettes d'électrons des noyaux, l'autre face chargée négativement attire les brochettes de positrons des noyaux. Les noyaux de deutérium ainsi collés aux deux parois par leurs brochettes respectives se répartissent sur ces deux parois verticales qui se font face. Celles-ci sont progressivement réduites en hauteur et se rapprochent pour former deux étroits couloirs parallèles dans lesquelles les noyaux vont circuler car ils sont entraînés par les champs magnétiques en mouvement autour des parois auxquelles ils sont accrochés dans la position indiquée. Les noyaux sont empêchés de se réunir entre les deux couloirs par une paroi centrale cloisonnant les champs magnétiques qui est interrompue en sifflet à l'arrivée dans la cellule de fusion.

 

Dès la disparition de la paroi centrale, les brochettes des deux noyaux se retrouvent électrons face aux positrons. Les deux ensembles de 4 brochettes se replient alors immédiatement l'un sur l'autre comme le feraient deux aimants rapprochés par un angle pour former un ensemble stable de 8 brochettes (un noyau d'hélium). Celui-ci peut alors récupérer ses 2 électrons périphériques pour former un atome complet d'hélium en dégageant comme il est prévu une énergie thermique dite ''défaut de masse'' qui est en réalité due à un gain de stabilité (voir rubrique N°13).

 

8) LES RÉACTIONS NUCLÉAIRES

 

Pour la physique standard des particules, le terme ''fusion froide'' est un ''gros mot'' sinon une impossibilité. D'ailleurs ce terme controversé n'est plus employé officiellement, on parle éventuellement de LENR pour « réactions nucléaires à basse énergie ». Aucune publication ou conférence sérieuse ne s'aventure à traiter de ce sujet. Essayons de comprendre pourquoi. Examinons la réalité cachée des notions de ''défaut de masse'' et de ''gain de stabilité'' qui sont données comme explication de l'énergie dégagée. Enfin, est-il seulement envisageable de produire de l'énergie en fusionnant des noyaux de la manière indiquée ?

 

J'ai déjà étudié ces questions début 2016 lors de la rédaction de la rubrique N°13 ''L'énergie de liaison du noyau atomique'' qui présente la vision que la physique des ondes porte sur ce sujet. Je viens de reprendre à nouveau cette étude pour terminer cette 33ème rubrique après avoir à nouveau approfondi la totalité du dossier qui est celui des ''réactions nucléaires''.

 

Voici les sites qui m'ont permis de travailler et qui ont très largement inspiré la rédaction de ce qui suit, au point que ma présentation, bien qu'orientée, est souvent une compilation de ces textes.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire

https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9action_nucl%C3%A9aire

https://fr.wikipedia.org/wiki/Formule_de_Weizs%C3%A4cker

https://fr.wikipedia.org/wiki/E%3Dmc2

https://en-m-wikipedia-org.translate.goog/wiki/Fusion_power?_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=fr&_x_tr_hl=fr&_x_tr_pto=sc

 

<< Une réaction nucléaire est le processus au cours duquel un ou plusieurs noyaux atomiques sont transformés pour donner des noyaux de masse et/ou de charge différentes....la réaction nucléaire transforme un nucléide en un autre. Le terme « réaction nucléaire » peut donc désigner, soit une modification d'un nucléide induite par collision avec une autre particule, soit une modification spontanée d'un noyau isolé sans collision comme lors de la fission spontanée des noyaux lourds ou comme dans les processus de radioactivité. >>

 

<< Il existe une très grande variété de réactions nucléaires qui sont, soit des processus naturels spontanés comme la désintégration radioactive du radium observée par Marie Curie ou la fusion nucléaire à l’œuvre dans la nucléosynthèse stellaire, soit des processus provoqués tels que la fission de l’uranium dans les centrales électriques ou les collisions de noyaux dans les accélérateurs de particules. >>

N.B. La physique standard n'envisage pas le rapprochement sans collision de nos nucléons-ondes.

 

<< La réaction nucléaire de fission est le phénomène par lequel un noyau atomique lourd, comme celui de l'uranium ou du plutonium, est scindé en deux ou en quelques nucléides plus légers. Cette réaction nucléaire s'accompagne de l'émission de neutrons et d'un dégagement d'énergie très important. L'émission de neutrons peut entraîner une réaction en chaîne, phénomène mis en œuvre dans les centrales nucléaires pour la production d'électricité et dans les bombes atomiques. >>

 

<< L'origine de cette énergie trouve son explication dans le bilan des énergies entre le noyau initial et les noyaux produits : les protons d'un même noyau se repoussent vigoureusement par leur charge électrostatique, et ceci d'autant plus que leur nombre est élevé (énergie coulombienne). L'énergie correspondante croit plus vite que proportionnellement au nombre de protons. La fission se traduit donc par un dégagement d'énergie qui est principalement transmise dans les produits de fission et dans les neutrons, sous forme d'énergie cinétique.Celle-ci se transforme rapidement en énergie thermique par l'effet des collisions et des interactions avec les atomes de la matière traversée. >>

 

<< L'énergie libérée dans une réaction nucléaire de fission peut apparaître de trois manières différentes :

* Énergie cinétique de l'ensemble des particules produites, énergie proportionnelle à leur masse et au carré de leur vitesse acquise (à leur accélération). Comme il s'agit de l'énorme facteur (c²), carré de la vitesse de la lumière, une masse même petite peut dégager une quantité d'énergie considérable.

* Émission directe d'un rayonnement de très grande énergie, les rayons gamma.

* Excitation des noyaux produits hors de leur état fondamental. >>

 

La réaction nucléaire de fusion est un phénomène universel à l’œuvre dans la nucléosynthèse stellaire. Ce dernier terme, utilisé en astrophysique, désigne l'ensemble des réactions nucléaires qui se produit à l'intérieur des étoiles. Ces réactions de fusion nucléaire, et leur processus plausible, permettent de concevoir la synthèse de la plupart des noyaux atomiques et donc la création successive de tous les éléments chimiques dans les étoiles.

 

Établie au fur et à mesure des découvertes scientifiques en astrophysique, la connaissance théorique actuelle des réactions de fusion n'explique pas l'existence primordiale du deutérium du lithium, du béryllium du bore et surtout l'abondance primitive de l'hélium. C'est pourquoi, en lien avec l'idée de création divine du monde, la physique standard explique l'origine de ces éléments par un événement dit ''nucléosynthèse primordiale'' << (BBN, pour l'anglais Big Bang nucleosynthesis) qui, selon la théorie du Big Bang, s'est déroulé dans tout l'Univers pendant les premières dizaines de minutes de son histoire (dans un intervalle de temps compris entre 10 s et 20 min). >>

N.B. Pour la physique des ondes l'univers est infini et éternel !

 

La nécessité de concevoir un big-bang n'est pas la seule problématique à laquelle est confrontée l'astrophysique actuelle. En effet, la simple compréhension du processus stellaire de dégagement d'énergie en provenance de la fusion des noyaux atomiques est loin d'être évidente. D'autre part, ce processus, qui est à l'origine de la création successive des éléments chimiques, ne fonctionne que pour les éléments de masse inférieure au fer qui est l'élément le plus stable du tableau de Mendeleïev. En effet, la fusion du fer (de même que sa fission) est endothermique, elle absorbe de l'énergie du milieu au lieu d'en émettre. Ce n'est que dans des étoiles plus massives ou lors de l'explosion terminale des étoiles que les éléments plus lourds que le fer pourraient être synthétisés.

 

<< Une réaction de fusion nucléaire nécessite que deux noyaux atomiques s’interpénètrent. Il faut pour cela que les noyaux surmontent l'intense répulsion due à leur charge électrique, toutes deux positives (phénomène dit de « barrière coulombienne »). En appliquant uniquement les lois de la mécanique classique, la probabilité d’obtenir la fusion des noyaux serait très faible, en raison de l’énergie cinétique (correspondant à l’agitation thermique) extrêmement élevée nécessaire au franchissement de la barrière. Cependant, la mécanique quantique prévoit, ce qui se vérifie en pratique, que la barrière coulombienne peut également être franchie par effet tunnel, à des énergies plus faibles. >>

 

En fait, la physique standard explique avec difficulté l'important dégagement d'énergie provenant d'une fusion des nucléons. L'explication généralement fournie se réfère à la célèbre formule d'Einstein E = mc² qui concerne l'énergie cinétique dégagée, mais celle-ci l'est en fait par la fission et non lors de la fusion. C'est pourquoi, il a été imaginé une énergie dite ''de masse'' et on explique que : << La masse du ou des produits d'une réaction de fusion étant inférieure à la somme des masses des noyaux fusionnés, la différence est transformée en énergie cinétique (puis en chaleur) selon la formule d'Einstein E = mc². >>

 

On met ainsi en avant une énergie dite ''de masse'' dont le ''défaut'', c'est-à-dire une perte de masse, justifierait une énorme production d'énergie au sein des étoiles correspondant à des températures de plusieurs dizaines ou même centaines de millions de degrés Celsius. C'est faire jouer à la masse un rôle qu'elle n'a pas dans la fusion.

 

9) CONCLUSION

 

Pour la physique des ondes, la masse élémentaire est (m), celle d'un électron-positron. La masse d'un noyau atomique correspond à la somme du nombre des (m) de tous ses nucléons, puisqu'ils sont constitués de brochettes d'électrons et de positrons. La fusion des noyaux ne change rien à la masse. Ce qui est modifié par leur fusion, c'est la meilleure stabilité de l'atome obtenu. Celle-ci permet une réduction de l'énergie de liaison des nucléons entre eux et donc la libération de cette énergie potentielle de liaison des brochettes d'électrons et de positrons internes aux nucléons.

 

La véritable explication de l'énergie dégagée par la fusion des noyaux atomiques est donc que cette fusion libère une partie importante de l'énergie potentielle interne au noyau atomique (la force forte). Cette énergie libérée est précisément une partie de l'énergie des ondes de structure des électrons-positrons, de l'énergie de leur spin, de l'énergie qui les lie. La notion de masse n'est pas en rapport direct avec le processus de fusion. L'énergie dégagée par la fusion des divers éléments est même inversement proportionnelle à leur masse puisque c'est la fusion des atomes légers qui fournit le plus d'énergie.

 

Rien ne semble justifier la condamnation préconçue que la science actuelle réserve à la ''réaction de fusion nucléaire à basse énergie''. C'est ainsi que nous concluons cette dernière rubrique.