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Roger BALIAN
pas sur ces réactions, impossibles à réaliser, même en laboratoire, mais sur la fusion
du deutérium
2 H et du tritium
3 H ; le premier peut être extrait de l’eau de mer, le
second doit être produit par fission du lithium.
INTERACTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE
L’interaction coulombienne est à la base de très nombreux phénomènes énergétiques. En raison de son comportement en 1/r, elle se manifeste avec deux intensités différentes.
A l’intérieur des noyaux, où les distances entre nucléons sont de l’ordre du femtomètre, l’interaction coulombienne e
2 / 4π ε ï r entre deux protons, répulsive, est de
l’ordre du mégaélectronvolt. Elle est donc significative devant l’interaction forte.
Elle est responsable, lorsque les noyaux deviennent de plus en plus lourds, de la
décroissance de leur énergie de liaison puis de leur instabilité. Elle constitue le principal obstacle à la réalisation de la fusion contrôlée, car elle s’oppose au rapprochement des noyaux chargés jusqu’à une distance égale à la portée de l’interaction
forte susceptible de les lier. Afin de la surmonter, il faut communiquer aux noyaux
une énergie cinétique relative importante, grâce à une élévation considérable de la
température (10
7 K dans le cœur du Soleil) et de la densité. Enfin, elle intervient
dans la radioactivité α.
Cependant, pour toutes les autres applications à l’énergétique, les distances entre
particules chargées, noyaux ou électrons sont de l’ordre de l’angström (10
–10 m =
0,1 nm), et leurs énergies coulombiennes caractéristiques sont donc de l’ordre de
l’électronvolt. En effet, les phénomènes à l’échelle atomique sont gouvernés par
l’interaction coulombienne et par la physique quantique qui régissent la dynamique
des électrons (ainsi que celle des noyaux, mais ceux-ci, beaucoup plus lents, contribuent beaucoup moins à l’énergie). Les seules constantes fondamentales et données physiques qui apparaissent dans ce problème sont e, ε 0 , h et la masse m de
l’électron (la constante c, par exemple, ne peut intervenir car les vitesses en jeu ne
sont pas relativistes). La seule grandeur ayant une dimension de longueur que l’on
puisse construire avec ces constantes est, à une constante numérique près,
4
0 53
2
0
2
π ε
h
me
= ,
Å
le rayon de BOHR de l’atome d’hydrogène. De même, la seule énergie est :
me
4
2 2 2
32
13 6
π ε 0 h
= , eV
l’énergie de liaison de l’atome d’hydrogène. Ces chiffres apparaissent comme une
conséquence de la compétition entre attraction coulombienne et tendance à l’étalement imposée par la physique quantique. Dans les molécules et les solides, dont
les propriétés sont aussi gouvernées principalement par les électrons, les ordres
de grandeur sont les mêmes : les distances entre noyaux sont encore de quelques
Roger BALIAN
pas sur ces réactions, impossibles à réaliser, même en laboratoire, mais sur la fusion
du deutérium
2 H et du tritium
3 H ; le premier peut être extrait de l’eau de mer, le
second doit être produit par fission du lithium.
INTERACTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE
L’interaction coulombienne est à la base de très nombreux phénomènes énergétiques. En raison de son comportement en 1/r, elle se manifeste avec deux intensités différentes.
A l’intérieur des noyaux, où les distances entre nucléons sont de l’ordre du femtomètre, l’interaction coulombienne e
2 / 4π ε ï r entre deux protons, répulsive, est de
l’ordre du mégaélectronvolt. Elle est donc significative devant l’interaction forte.
Elle est responsable, lorsque les noyaux deviennent de plus en plus lourds, de la
décroissance de leur énergie de liaison puis de leur instabilité. Elle constitue le principal obstacle à la réalisation de la fusion contrôlée, car elle s’oppose au rapprochement des noyaux chargés jusqu’à une distance égale à la portée de l’interaction
forte susceptible de les lier. Afin de la surmonter, il faut communiquer aux noyaux
une énergie cinétique relative importante, grâce à une élévation considérable de la
température (10
7 K dans le cœur du Soleil) et de la densité. Enfin, elle intervient
dans la radioactivité α.
Cependant, pour toutes les autres applications à l’énergétique, les distances entre
particules chargées, noyaux ou électrons sont de l’ordre de l’angström (10
–10 m =
0,1 nm), et leurs énergies coulombiennes caractéristiques sont donc de l’ordre de
l’électronvolt. En effet, les phénomènes à l’échelle atomique sont gouvernés par
l’interaction coulombienne et par la physique quantique qui régissent la dynamique
des électrons (ainsi que celle des noyaux, mais ceux-ci, beaucoup plus lents, contribuent beaucoup moins à l’énergie). Les seules constantes fondamentales et données physiques qui apparaissent dans ce problème sont e, ε 0 , h et la masse m de
l’électron (la constante c, par exemple, ne peut intervenir car les vitesses en jeu ne
sont pas relativistes). La seule grandeur ayant une dimension de longueur que l’on
puisse construire avec ces constantes est, à une constante numérique près,
4
0 53
2
0
2
π ε
h
me
= ,
Å
le rayon de BOHR de l’atome d’hydrogène. De même, la seule énergie est :
me
4
2 2 2
32
13 6
π ε 0 h
= , eV
l’énergie de liaison de l’atome d’hydrogène. Ces chiffres apparaissent comme une
conséquence de la compétition entre attraction coulombienne et tendance à l’étalement imposée par la physique quantique. Dans les molécules et les solides, dont
les propriétés sont aussi gouvernées principalement par les électrons, les ordres
de grandeur sont les mêmes : les distances entre noyaux sont encore de quelques