• Microscopes utilisant les ondes de structure

    PHYSIQUE DES ONDES

    ESSAI D'UNE NOUVELLE PHYSIQUE 

    RUBRIQUE N°2 Microscopes utilisant les ondes de structure  

    Par Paul Bouchard Le 23/01/2015

    1) INTRODUCTION

    Dans notre précédente rubrique N°1 intitulée '' LES ONDES DE STRUCTURE DE LA MATIÈRE'', nous avons exposé brièvement différents principes et techniques d’expérimentation les plus récents concernant l'étude de la matière au niveau du nanomètre (milliardième de mètre), c'est à dire presque la taille de l'atome dont la dimension moyenne est celle de l'angström ( 0,1 nanomètre). Nous avons décrit plusieurs procédés utilisé dans différents appareillages, en rapport avec les résultats recherchés, et correspondant à la dimension des structures étudiées (corps, molécules, atomes, noyaux, électrons).

    Toutes ces techniques ont une base commune, l'utilisation des ondes, pour émettre et réceptionner l'énergie, pour accorder par résonance, pour ébranler ou stabiliser les structures, pour réaliser les mesures et leur suivi, pour la commande des procédures. C'est pourquoi notre hypothèse exposée dans le blog ''eklablog paulpb'' qui concerne précisément la ''physique des ondes'', pourrait apporter des idées nouvelles, et peut-être, simplifier la compréhension de certains phénomènes qui restent encore inexpliqués.

    La prise en compte de cette hypothèse implique d'accepter les idées principales exposées tout au long de ce blog. Il est indispensable d'en reprendre ici l'essentiel pour une bonne compréhension du suivi. La thèse exposée donne à l'électron la place de particule élémentaire de toute matière. Cet électron est une ''onde'' tournante (en mouvement c'est un vortex) qui possède à la fois l'énergie de son ''onde lumière'' longitudinale et les propriétés électromagnétiques de son onde transversale magnétique qui lui donne une ''structure'' matérielle et la polarise suivant le sens de sa rotation. La ''substance de l'espace'' ( notion due à J.J. Micalef), est indispensable pour conduire les ondes dans le ''soi-disant'' vide de l'espace. Toutes ces ondes sont faite DE substance de l'espace et se propagent DANS cette substance (J.J. Micalef). Les ondes de type lumière ( de radio VLF très basse fréquence, aux rayons UV), ne sont ni électriques ni magnétiques, ce sont des ondes périodiques longitudinales. Les électrons, les rayons X et les gamma (''rayonnements dits ionisants'') sont seuls des ondes électromagnétiques (des particules de matière).

    Voici dans cette rubrique N°2 de nouvelles précisions sur les principaux procédés et appareillages qui sont utilisés dans les études de la matière, au niveau atomique, par le moyen des ondes. Nous ferons auparavant un bref résumé historique des découvertes, des thèses et expérimentations successives, des applications et des résultats obtenus. Puis nous exposeront plus en détail les principes des appareillages dont nous avons évoqués l'usage dans la rubrique N°1 précédente.

     

    2) HISTORIQUE DE L'ETUDE DE LA MATIÈRE SUB-ATOMIQUE

    C'est entre 1820 et 1860 et grâce aux travaux de Young, Arago et Fresnel, que la théorie ondulatoire de la lumière révolutionna la physique ancienne. Ils purent expliquer pourquoi la lumière (visible), par réfraction sur un prisme, étalait un ''spectre'' de différentes couleurs allant de l'infrarouge à l’ultraviolet. Ils ont montré que cette ''analyse'' spectrale correspondait aux différentes ''fréquences'' des ondes qui constituent la lumière, dite ''blanche'', du soleil.

    Autour de 1850 une nouvelle théorie fut tirée des expériences menées notamment par Foucault, Angström et Kelvin. Les études qu'ils ont conduites chacun de leur coté ont permis de montrer le lien existant entre la lumière et la matière. La structure et les propriétés des différents éléments chimiques (à l'état gazeux, dilué ou en suspension) sont révélés par l'analyse spectrale de la lumière qui les traverse. En effet ils ont constaté que chaque élément chimique ''absorbe'' certaines ondes de lumière bien définies, de sorte que le spectre de la lumière blanche qui le traverse présente des raies noires correspondant à des fréquences bien précises et caractéristiques de cet élément chimique. Inversement, lorsqu'ils sont portés à incandescence ces mêmes éléments chimiques ''émettent'' un spectre lumineux constitué des mêmes raies, qui, cette fois, sont lumineuses, de la couleur spectrale correspondante.

    Appliquant cette découverte à leurs travaux en chimie, dans les années 1860, Bunsen et Kirchoff établirent les bases de l'analyse spectrale et de la connaissance des éléments chimiques, préparant ainsi la constitution du fameux tableau périodique des éléments de Mendeleïev. Les progrès en chimie furent alors spectaculaires. Mais la physique pris le pas sur la chimie après la découverte de l'électron ( par Thomson en 1897). Le rôle de l'électron devint essentiel pour expliquer les propriétés physiques, chimiques et électromagnétiques de la matière. En 1905, Einstein découvrit l'effet photoélectrique et, en 1912, Bohr expliqua l'existence des raies spectrales des éléments par la quantification de l'orbite des électrons dans l'atome. C'est donc là l'origine d'une nouvelle physique sub-atomique la physique que l'on a appelé ''quantique.'' 

    La suite de l'histoire de base de la physique-chimie classique peut se résumer ainsi :

    « En 1914, les expériences d'Ernest Rutherford et d'autres ont solidement établi la structure de l'atome comme un noyau positivement chargé entouré d'électrons de masse plus faible. En 1923, les résultats expérimentaux d'Arthur Compton convainquent une majorité de physiciens de la validité de la théorie des quanta. » (Wikipédia).

    Après, on passe à une physique plus éclatée dans des domaines plus ''pointus''. La chimie et la physique des matériaux sont restées expérimentales, et même devenues industrielles, (on pourrait aussi dire atomique ou spatiales), ce qui a produit des changements considérables dans le mode de vie des hommes. Et c'est loin d'être fini, car la physique du nanomètre va entraîner une nouvelle révolution dans la manière de vivre des sociétés dites ''avancées'', donc un décalage encore plus grand avec celles dites ''sous développées''. Par contre la physique théorique sub-atomique dite ''quantique'' ( qui est généralement considérée comme indiscutable et (car) incompréhensible), se complaît dans la mathématique ( on pourrait même dire dans le virtuel et l'utopie).

     

    3) LES INSTRUMENTS DE RECHERCHE NANOMÉTRIQUE

    31) LES MICROSCOPES ELECTRONIQUES

    La première loupe découverte remonte à 3000 ans. Le premier microscope date de la fin du 17ème siècle. Malgré tous les progrès réalisés, le microscope optique ne pourra jamais distinguer des objets plus petits que la moitié d'une longueur d'onde de lumière. Si l'on regarde deux lignes qui sont plus proches que 0,275 micromètres avec le microscope optique le plus perfectionné, on en voit qu'une seule.

    La seule solution pour augmenter la résolution de cet instrument est d'utiliser une source ''d'illumination'' ayant une longueur d'onde plus courte. Tous les lecteurs de mon blog savent que l'électron, particule élémentaire de matière, est en réalité une onde électromagnétique. Plus l'électron est excité, plus sa fréquence augmente (plus sa longueur d'onde diminue), plus il est accéléré plus son éventuel impact devient puissant et sa force de pénétration augmente. Mais par contre son agressivité devient telle que les échantillons de corps, tissus ou matériau que l'on veut étudier sont détruits ou endommagés, ce qui n'est pas le but recherché. Le microscope électronique, utilise l'électron comme ''onde-outil''. La longueur d'onde utilisée est celle des rayons X durs (10 à 100 picomètres), cela permet précisément de trouver, dans chaque cas étudié, la solution donnant la meilleure résolution, sans abîmer l'objet étudié (grâce à des astuces), ainsi que des réglages multiples et adaptés à l'échantillon. Ceci peut se réaliser grâce, justement, aux deux systèmes d'ondes qui constituent l'électron. C'est dans l'utilisation de cet instrument que les hypothèses qui sont à la base de mon blog, et que j'ai rappelé dans l'introduction, révèlent leur adaptation à la réalité.

    Plutôt qu'un exposé technique, je vais utiliser une comparaison plus visuelle qui fait comprendre (par analogie) la différence entre les microscopes optique et électronique, ou plus exactement, entre l'utilisation de ''l'onde lumière'' et celles de l'électron. Cette différence est celle qu'il y a entre un marteau piqueur et une perceuse à percussion. Il s'agit du ''spin réel'', (de la rotation) de l'électron qui, lorsque celui -ci est en mouvement, crée un champ magnétique pénétrant l'objet étudié, sans le détruire. En plus, ce champ magnétique est réglable, de même que la fréquence et la vitesse de l'électron.

    Ce réglage est fait, en énergie (fréquence), à la source des électrons (canon à électron), par la différence de tension entre la cathode (pointe métallique sous vide d'où s'échappent les électrons) et l'anode qui, en plus, est chargée de focaliser le faisceau, comme le ferait une lentille de verre dans un microscope optique. Le réglage en vitesse, et corrélativement en pénétration de l'onde magnétique de l'électron, est fait par le passage du faisceau d'ondes dans le ''corps'' du microscope. Il y a là une série de condenseurs, ''lentilles magnétiques'' (électroaimants), objectifs, bobines de balayage, qui ont la propriété de ''resserrer'' et focaliser les électrons, et de les diriger sur la partie de l'échantillon à étudier. On peut aussi comparer l'onde électromagnétique de l'électron (un vortex + ou – pointu) à la mèche de la perceuse dont il est possible de changer le diamètre. Notons que tout l'ensemble du dispositif interne au microscope est placé dans un vide poussé et qu'il doit être isolé des vibrations et ondes extérieures.

    Ces échantillons peuvent se présenter pour leur étude de deux façons, soit sous la forme de ''coupes'', en lames super-minces, qui sont alors traversés par les électrons, soit en entier, il faut alors les étudier en relief. On utilise donc deux sortes de microscope qui ont des dispositions internes et des propriétés adaptées. Dans le premier cas c'est le microscope électronique en transmission TEM qui est utilisé, il fournit la meilleure résolution possible, qui n'est limitée que par le danger de destruction de l'échantillon. Dans le deuxième cas, on utilise le microscope électronique à balayage MEB. Je cite un excellent dossier, fait par Irène Revenko, ''L'histoire des microscopes'' dans podcastscience.fm :

    « Lorsque les électrons arrivent sur la surface des échantillons, ils peuvent aussi, au moment où ils frappent la surface provoquer l’émission de nouveaux électrons, selon un angle de réflexion, et ce sont ces nouveaux électrons qui sont recueillis et utilisés pour former une image sur le détecteur. Il s’agit du microscope à balayage. Le faisceau d’électrons est balayé à la surface de l’échantillon dans un mouvement de balayage, en zig-zag donc. La résolution du MEB est environ dix fois moindre que celle du TEM, mais permet d’obtenir une profondeur de champ d’observation qui n’existe pas avec le TEM, une sorte d’image en 3D. »

    La commande de l'ensemble des réglages, le rassemblement de toutes les données de ces réglages ainsi que la détection des images et signaux obtenus est fait en permanence par un ordinateur couplé avec le microscope. En effet le travail avec les électrons-ondes est très complexe car ils interfèrent avec les électrons-particules des atomes de l'échantillon, qu'ils mettent ou non en résonance. Ils ''diffusent'' diversement à l’intérieur de ce dernier. Si leur fréquence est plus faible (plus grande longueur d'onde), ils sont réfléchis à l’extérieur de l'échantillon, ce qui permet d'obtenir le relief du microscope à balayage. D'autre part, pour obtenir une belle résolution de l'image et une bonne sensibilité de détection, il faut corriger les éventuelles aberrations et choisir le meilleur contraste (grâce à des lentilles auxiliaires et des diaphragmes de contraste).

     

    32) LES MICROSCOPES A CHAMP PROCHE. L'EFFET TUNNEL

    Les microscopes précédents ne peuvent pas être employés dans le cas de tissus vivants car ils les détruisent. Nous avons vu, en effet, qu'ils utilisent des électrons ayant une ''fonction d'onde'' dure, de fréquence élevée. Ces électrons sont considérés (par la science officielle) comme des ''particules'' qui ''bombardent'' leur objectif. La lecture de notre blog nous a montré que l'électron n'était pas un ''boulet de canon'', mais bien une onde à part entière. La preuve en est apportée par ''l’effet tunnel'' qui a été mis en évidence vers 1980. Cet effet que nous expliquons ci-dessous est utilisé dans un des microscopes ''à champ proche'' dont la conception ressemble au microscope à balayage, dont nous avons parlé ci-dessus, mais qui emploie un électron-onde sans agressivité (qui a perdu son énergie).

    Les appareils ''à champ proche'' ou, autrement dit ''à sonde locale'', sont caractérisés par une pointe ultra fine qui est au ''presque-contact'' de l'échantillon à étudier. La pointe est métallique ou non (en or ou en fibre de verre par exemple), son extrémité mesure 1 ou 2 angströms, c'est donc la dimension d'un ou deux atomes. Cette pointe est ''manœuvrée'' (asservie) par 3 dispositifs en céramique (quartz piézoélectriques) qui permettent des micro déplacements dans les 3 directions. Ainsi, il est possible de régler la distance de la pointe à l'échantillon, d'effectuer un balayage (''palpation'') de la surface de celui-ci, ou d'autres études à la demande. En même temps que le réglage s'effectue la prise des données, suivant ce qui est recherché et suivant le type d'ondes utilisé dans l'instrument. Un ordinateur règle les opérations en permanence et traite les résultats. Les ondes émises par la pointe sont de type lumière ou des électrons, la tension du courant et la fréquence des ondes sont adaptées à la fragilité de l'objet étudié ainsi qu'à la distance pointe-échantillon. Ce ''fossé'' à franchir par les ondes peut être déterminé comme fixe ou variable. Voici un schéma explicatif extrait de Wikipédia :

    Il s'agit d'un article qui présente le microscope à effet tunnel qui est l'appareil à champ proche le plus important. Il utilise cette propriété curieuse de l'électron ''particule quantique'' qui lui permet de franchir des barrières même sans en avoir la force. Pour la science officielle, l'explication est laborieuse, il est question ''d'ondes de probabilité de présence'' de phonons de magnons etc. Je préfère citer Wikipédia qui présente avec astuce la thèse officielle :

    « L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel même si son énergie est inférieure à l'énergie minimale requise pour franchir cette barrière. C'est un effet purement quantique, qui ne peut pas s'expliquer par la mécanique classique. Pour une telle particule, la fonction d'onde, dont le carré du module représente la densité de probabilité de présence, ne s'annule pas au niveau de la barrière, mais s'atténue à l'intérieur de la barrière, pratiquement exponentiellement pour une barrière assez large. Si, à la sortie de la barrière de potentiel, la particule possède une probabilité de présence non nulle, elle peut traverser cette barrière. Cette probabilité dépend des états accessibles de part et d'autre de la barrière ainsi que de l'extension spatiale de la barrière. » 

    « Au niveau théorique le comportement tunnel n'est pas fondamentalement différent du comportement classique de la particule quantique face à la barrière de potentiel ; elle satisfait à l'équation de Schrödinger, équation différentielle impliquant la continuité de la fonction d'onde et de sa dérivée première dans tout l'espace. De même que l'équation des ondes électromagnétiques mène au phénomène des ondes évanescentes, de même la fonction d'onde rencontre des cas où l'amplitude de probabilité de présence est non nulle dans des endroits où l'énergie potentielle est supérieure à l'énergie totale. »

    « Si, au niveau mathématique l'évaluation de l'effet tunnel peut parfois être simple, l'interprétation que l'on cherche à donner aux solutions révèle le fossé qui sépare la mécanique classique, domaine du point matériel suivant une trajectoire définie dans l'espace-temps, de la mécanique quantique où la notion de trajectoire simple disparaît au profit de tout un ensemble de trajectoires possibles. »

    « La durée de traversée tunnel d'une particule à travers une barrière quantique a été, et est encore, le sujet d'âpres discussions. Des études assez nombreuses dans le domaine électromagnétique ou photonique ont révélé l'apparition de ce que l'on peut interpréter comme des vitesses supraluminiques,, respectant toutefois la relativité restreinte: il s'agit du phénomène connu sous le nom d'effet Hartman. »

     

    Du moment que c'est ''quantique'', que l'équation implique ''la continuité de la fonction d'onde'', que ''la probabilité de présence'' est non nulle, que ''l'ensemble des trajectoires est possible'', on ne comprend pas pourquoi il y a encore ''d’âpres discussions''.

    L'électron étant, selon nous, réellement une onde électromagnétique, l'explication de l’effet tunnel devient plus simple. Il ne s'agit plus d'un problème de quantité d'énergie nécessaire pour traverser une ''barrière de potentiel'' (pour percer un tunnel), ce n'est plus un problème de vitesse (tension) et d'énergie (fréquence) de l'onde lumière de l'électron. Il faut s’intéresser alors à la composante transversale magnétique, ''onde de structure'' de l'électron. Nous avons vu (rubrique N°1, chapitre 92) que la fréquence de son mouvement de rotation est du même ordre que celle des ondes radio. Cette onde de structure a donc les mêmes règles de propagation que les ondes radio. Elle entraîne l'électron dans un franchissement d'obstacles alors que son énergie ( fréquence de son onde lumière) ne lui permettrait pas car il serait réfléchi ou absorbé. Il ne peut plus pénétrer l'échantillon qui est ainsi protégé. L'électron passe par dessus l'obstacle du fossé et vient ''lécher'' l'échantillon. Après capture, l'onde est analysée et fournit les renseignements recherchés sur la surface de l'objet étudié.

     

     33)  AUTRES INSTRUMENTS UTILISANT LES ONDES DE STRUCTURE

    Parmi les divers appareils, (microscopes, spectroscopes et autres diffractomètres) d'un usage courant dans tous les laboratoires qui étudient la physique et la chimique de la matière, l'astrophysique, la biologie, etc, nous choisissons de parler des microscopes à force atomique et à force magnétique. En effet, ces appareils n'utilisent plus les électrons comme ''projectiles'', ils travaillent sur les contacts magnétiques entre atomes, d’où l'importance et l’efficacité que prennent les ''ondes de structure'' (la masse des nucléons) par rapport à celles de l'énergie (de type lumière) de l'électron.

     

    331) MICROSCOPE A FORCE ATOMIQUE

    C'est un appareil à sonde locale et à balayage de surface (en contact ou non) analogue à celui décrit précédemment. Il analyse donc également les reliefs des surfaces à l'échelle atomique, mais il peut le faire pour des échantillons non conducteurs ou même des surfaces molles, et il fonctionne dans l'air. L'explication de ce curieux fonctionnement par la physique officielle est qu'il est ''quantique''.... Il aurait lieu grâce à l'interaction des forces de type ''Van Der Waals''. Ces forces en jeu seraient d'attraction et de répulsion entre les atomes de l'échantillon et ceux de la pointe de la sonde. L'explication de leur existence fait partie du domaine des ''atomes crochus'' et de ''l'échange des particules virtuelles'' entre les atomes..!!! Si vous avez accepté de prendre en compte les hypothèses de notre blog, vous savez que ces forces sont, en fait, d'origine magnéto-gravitationnelles, entre particules, atomes, molécules, etc., que leur origine est l'onde transversale de l'électron qui structure celui-ci, que ces forces sont considérables à très courte portée (force dite forte au sein des nucléons), mais faible à distance car inversement proportionnelles au carré de la distance. Nous avons appelé ''ondes de structure'' celles qui propagent ces forces. Nous pensons donc que ces forces sont bien celles qui agissent entre l'échantillon étudié et la pointe de la sonde du microscope à force atomique. Ces forces sont détectées, régulées et analysées par un dispositif de levier ultra sensible, couplé à la pointe de la sonde et à un miroir. Un rayon laser dirigé sur le miroir permet de recueillir les résultats.

    On retrouve d'ailleurs ces forces dites de Van Der Waals dans de nombreux phénomènes (de contacts et de surface) comme les suivants : tension superficielle, ascension capillaire, phénomènes de mouillage, pattes du gecko, collage de plaques, lubrification, etc. Les explications sont généralement attribuée (faute de mieux) par la physique officielle, à l'électron et à sa force électromagnétique, à l'électrostatique, ou à d'hypothétiques mouvements ondulatoires entre atomes ou entre molécules. Dans tous ces domaines, nous pensons que les forces propagées par les ondes de structures sont celles qui expliquent le mieux les phénomènes observés.

     

    332) MICROSCOPE A FORCE DE RESONANCE MAGNETIQUE

    L'appareillage de ce type de microscope réunit le procédé du microscope à force atomique que nous venons de décrire, avec le principe de résonance magnétique dont nous avons largement parlé au chapitre N°92 de la précédente rubrique N°1 (ou du P.S. N°4) de notre blog ''eklablog paulpb''. Rappelons brièvement ce dont il s'agit. L'objet à étudier est placé à l'intérieur d'un champ magnétique puissant qui ''ébranle'' les noyaux de ses atomes, comme des toupies heurtées. Les nucléons entrent alors dans un mouvement dit de ''précession''. Celui -ci est entretenu et amplifié par des ondes dont la fréquence (radio) entre en résonance avec celle de rotation des nucléons. Tout se passe dans le micro-levier de la sonde dont nous avons parlé dans les deux paragraphes précédents. En effet, ce levier est sensible aux forces de Van Der Waals, corrélativement, il renseigne sur la structure des noyaux des atomes, grâce à la mise en résonance des radio-ondes (voir le N°92) et aux réactions d'induction magnétiques des nucléons de l'échantillon. Ces dernières informations sont captées par les mouvements du levier par le moyen d'une minuscule ''pastille'' magnétique. Les recherches sont permanentes pour améliorer cette pièce centrale qui est constitué par la sonde avec ses éléments, levier, pointe, capteur d'ondes magnétiques, transmetteur mécanique et électrique.

    Ce microscope est maintenant très utilisé en biologie, car il permet d'obtenir des ''cartes'' de virus et de protéines dans les trois dimensions, sans les détruire, et avec une excellente résolution. Il est possible alors, grâce à des algorithmes, de reconstruire des images en 3D de ces assemblages moléculaires. Un autre usage en plein développement est celui de la détection d'anomalies de couches ferromagnétiques en électronique.

     

     4)  EN GUISE DE CONCLUSION

    Dans le même esprit de recherche des phénomènes physiques pouvant être expliqué de façon simple par le rôle de l'onde de structure de l'électron, j'aurais voulu, dans cette rubrique, parler de la supraconductivité et des comportements magnétiques de la matière à basse température qui lui sont liés. Je me suis trouvé face à plusieurs phénomènes qui se trouvent au cœur de notre thèse puisqu’ils concernent précisément l'organisation de l'atome et la nature de l'électron, onde électromagnétique. Pour se faire, et suivant ma méthode, j'étudie tous les sites, thèses et publications disponibles sur internet, pour en tirer les points qui me semblent importants pour un essai de solution en accord avec la thèse de notre blog. C'est un travail long et compliqué par le fait que le sujet est complètement d'actualité et que les scientifiques sont encore loin de s'accorder sur son explication et de fixer une thèse officielle. L'exposé du résultat de mon étude fera donc l'objet d'une prochaine rubrique à paraître, je pense, fin Mars 2015.