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Aimant au néodyme et verre de spin

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Domaines micrométriques et aimantation
Dans un morceau de fer, il existe des milliards de très petites régions micrométriques appelées « domaines magnétiques » composés de milliards d’atomes de fer pointant leur spin parallèlement, dans le même sens. Chacun de ces domaines est ainsi ...

Vers de nouvelles technologies de chargeurs

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Des composants indispensables

De nombreux appareils électriques fonctionnant sur piles ont besoin d’être chargés régulièrement. On emploie donc des accumulateurs électrochimiques. Ces derniers sont rechargeables un très grand nombre de fois, contrairement aux piles. Téléphones ...

Un micro-accélérateur de particules

Vue du tunnel du LHC - Auteur : Maximilien Brice, CERN

Des ondes électromagnétiques pour accélérer les particules

Les physiciens de l’infiniment petit emploient des accélérateurs pour communiquer aux particules de très grandes vitesses afin de produire des collisions énergétiques. Au CERN par exemple, ...

Tromper une caméra thermique

Caméras thermiques : « filmer la température »

Tout corps, en raison de sa température, émet par sa surface un rayonnement dont le spectre (fréquence ou longueur d’onde en abscisse, intensité en ordonnée) couvre théoriquement toute la gamme des ondes électromagnétiques, l’intensité de l’émission variant ...

Piles bêtavoltaïques au carbone 14 recyclé

Des piles « bêtavoltaïques »

Certains noyaux radioactifs, généralement ceux possédant trop de neutrons par rapport à leurs protons, transmutent un neutron en proton, électron et antineutrino. Cette réaction s’appelle la radioactivité bêta moins et s’écrit n -> p + e- + v. L’électron ...

Une forêt tropicale en Antarctique

Vue d'artiste de cette forêt (C) Alfred-Wegener-Institut, James McKay, Creative Commons licence C-BY 4.0
Un sol bien conservé

Des chercheurs de l'Institut Alfred-Wegener ont découvert un sol forestier du Crétacé très bien préservé dans les fonds marins proches du continent Antarctique. ...

COVID-19 : pistes thérapeutiques

© CDC/Dr. Fred Murphy/Sylvia Whitfield

La crise sanitaire qui touche actuellement le monde entier, avec l'épidémie de COVID-19 a déjà causé des dizaines de milliers de morts dans le monde. Les scientifiques se mobilisent pour contrer le plus rapidement possible le virus dévastateur. Traitements, vaccins, ...

La chimie ultrafroide

Les réactions chimiques, une histoire d’électrons

Lors d’une réaction chimique, des molécules appelées réactifs se rencontrent et forment des produits. Par exemple, lors d’une réaction bimoléculaire, deux réactifs A et B - atomes ou molécules - interagissent pour donner un produit C (ou plusieurs produits). Beaucoup moins fréquentes, il existe aussi des réactions monomoléculaires dans lesquelles une molécule M initiale se scinde en deux, ou bien ses atomes se redistribuent pour donner autre chose que M.

Une réaction chimique met toujours en jeu des électrons. Par exemple, dans une réaction bimoléculaire, A peut arracher un électron à B, ou les molécules peuvent mettre en commun un électron, le partager. De cette manière l’électron n’appartient ni à l’un, ni à l’autre mais aux deux. Cela crée une liaison entre A et B qui les rend « inséparables ». La liaison est alors dite « covalente ».

Souvent, un atome au sein d’une molécule va s’en séparer en défaisant une liaison covalente tout en engageant une nouvelle plus favorable, plus forte avec une autre molécule. Pour illustrer cela, prenons la réaction du dichlore Cl2 avec le dihydrogène H2 qui donne du HCl. L’atome chlore préfère engager une liaison avec un atome d’hydrogène qu’avec un atome de chlore. Il en de même pour l’hydrogène dont la molécule se défait pour se lier au chlore. La chimie est ainsi essentiellement une affaire de liaisons covalentes.

Refroidir pour mieux comprendre

Ces réactions sont partout présentes, de la respiration à la cuisine et à la photosynthèse en passant par toutes les industries chimiques… Comment au juste les liaisons covalentes se font-elles et se défont-elles ? En passant par quelles étapes, via quelles séquences ? Il s’agit là de questions dont les réponses sont mal connues. En effet, les chimistes connaissent bien le début et la fin de l’histoire, mais ce qui se passe entre est loin d’être maîtrisé, car cela ne dure que de l’ordre d’un millionième de milliardième de seconde ou femtoseconde (10-15s).

Pour y voir plus clair, il faut observer une réaction chimique au ralenti, c’est à dire à très basse température puisque la température est le reflet de la vitesse d’agitation atomique ou moléculaire. Cette étape vient d’être franchie par une équipe de l’université de Harvard aux USA et du laboratoire Aimé Cotton de l’université de Paris-sud.

La réaction mettait en jeu deux molécules de potassium rubidium, \( KRb \). La réaction s’écrit : \( 2 KRb \to  K_2 + Rb_2 \). Réalisée à 0,5 microkelvin, soit à peine au-dessus du zéro absolu (- 273,15°C), la durée de la réaction n’est plus la femtoseconde, mais de l’ordre de la microseconde soit un milliard de fois plus longtemps, une durée suffisamment longue qui a permis aux chercheurs d’observer l’état intermédiaire \( K_2Rb_2 \).

La chimie ultrafroide va permettre de mieux comprendre et mieux maîtriser les réactions et provoquer des réactions impossibles à température ambiante.

Publié le 09/04/2020

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Une nouvelle définition du kilogramme
Entrée en vigueur de nouvelles définitions de certaines unités.

© Wiki Commons 

 

La 26éme conférence générale des poids et mesures a conduit à redéfinir certaines unités. Depuis 1899, l’étalon du kilogramme, baptisé le « grand K », était conservé au Bureau international des poids et mesures, à Sèvres. » Au fil du temps, la masse de ce cylindre composé d’iridium et de platine et placé sous trois cloches à vide,  a varié, entraînant des écarts allant jusqu’à 35μg entre les copies officielles servant de témoins. Pour Djamel Ziane, chercheur au Laboratoire National de Métrologie et d’Essais, « les écarts entre le Grand K et les étalons sont liés à des dérives naturelles dues aux manipulations, aux nettoyages. C’est un artefact physique, les dérives sont obligatoires. La nouvelle définition permet de s’affranchir de cette contrainte ».

Le kilogramme, basé sur la constante de Planck

La nouvelle définition repose sur la constante de Planck, issue de la physique quantique. La constante de Planck est utilisée pour décrire la quantité minimale d’énergie que l’on peut échanger à une fréquence donnée.  Or, énergie et masse sont reliées par l'équation d'Einstein E=mc². Mais encore faut-il  être capable de mesurer avec suffisamment de précision la constante de Planck. C'est chose faite avec la balance de Kibble, qui permet de comparer une puissance mécanique liée faisant intervenir le poids de l'étalon à une puissance électrique, que l’on peut relier à la constante de Planck (h). « Une bobine plongée dans un champ magnétique et parcourue par un courant crée une force verticale à même de compenser le poids de la masse étalon. En pratique, la balance alterne entre deux phases : une phase statique, correspondant à une pesée, et une phase dynamique, où cette fois-ci on déplace verticalement la bobine, faisant apparaître à ses bornes une tension induite. Pour chaque phase est déterminé avec précision le produit (B.l) de deux grandeurs : le champ magnétique (B) et la longueur de la bobine (l). C’est en écrivant l’égalité entre les deux valeurs obtenues que l’on peut extraire une valeur de h. Les deux phases ainsi alternées permettent également de faire disparaître les dérives » explique Djamel Ziane. Résultat : une précision de 1,2 .10-8.

La modification d’autres unités

D’autres unités ont été redéfinies lors de cette conférence : la mole, le kelvin et l’ampère afin de les indexer sur une constante.

La définition de la mole repose sur la définition du kilogramme. En effet, la mole exprime la quantité de matière contenue dans 0,012 kg de carbone 12. Sa valeur sera reliée à la quantité de matière grâce à la constante d’Avogadro, NA. Pour la constante d'Avogadro, la mesure a été réalisée en comptant le nombre d'atomes dans une sphère de silicium 28 et en se référant à la masse molaire du silicium, précisément comparée à celle du carbone 12.

Le kelvin était défini depuis 1954 comme la température du point triple de l’eau à 273,16 K, soit 0,01°C. Fixer le kelvin permettra d’éviter des imprécisions dues aux thermomètres. Il sera redéfini par rapport à la constante de Boltzmann qui est liée à la mesure d’agitation thermique des constituants fondamentaux d’un corps.

La définition de l'ampère reposait  sur un étalon de tension et un étalon de résistance, correspondant respectivement à l’effet quantique dans un semi-conducteur et à un effet qui apparaît à basse température dans un supraconducteur. L’ampère correspond à une charge par unité de temps et sera donc relié à la charge élémentaire.

Des unités plus précises

Les anciens étalons étaient instables et variables dans le temps ce qui entraîne des erreurs de calculs. Aujourd’hui, il devient de plus en plus nécessaire de pouvoir faire des mesures extrêmement précises face à la miniaturisation des technologies comme les nanomatériaux par exemple. Ce système d’unité sera plus stable et plus universel car fondé sur des invariants de la nature. Elles seront mises en vigueur le 20 mai 2019, journée mondiale de la métrologie.

En savoir plus : 

 

Camille Paschal 

Camille Paschal
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