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1 • Électrons, ions et plasmas
un intense débat sur la nature de ces particules et l’interprétation de leur comportement. En 1891, Stoney introduit le terme électron et progressivement les théories électroniques de Lorentz (1895) et J.J. Thomson (1897) s’imposent comme le
cadre cohérent et opérationnel d’interprétation des propriétés des gaz ionisés dans
les décharges électriques. La structure électronique de l’ensemble des phases de la
matière est ensuite élucidée, d’abord dans le cadre du modèle de Bohr-Sommerfeld,
puis de la mécanique quantique, permettant, à partir de 1927, non seulement l’interprétation des données accumulées à la fin du XIX
e et au début du XX
e siècle, mais
aussi, l’élaboration d’un ensemble de prédictions sur les phases diluées et condensées, qui se verront confirmées durant la deuxième moitié du XX
e siècle.
Mais, il serait faux de croire que la physique des plasmas est issue de la seule tradition expérimentale de physique des décharges électriques dans les gaz. En effet, bien
que Langmuir, dans le cadre d’études de physique des décharges, ait, en 1923, proposé pour la première fois le mot plasma pour désigner l’état ionisé de la matière, le
développement historique de la physique des plasmas doit aussi beaucoup à l’astrophysique et à la physique spatiale ; en particulier, aux travaux de Alfvén au milieu du
XX
e siècle et aux études sur l’environnement terrestre à haute altitude. En 1901, Marconi réussit la première expérience de télécommunication hertzienne transatlantique.
L’interprétation de ce succès stimula les études sur les propriétés de la haute atmosphère, en particulier, sur leur propriété de réflexion des ondes électromagnétiques
basse fréquence. Dès les années vingt, ces études amènent Heaviside et Kennelly à
postuler l’existence d’une couche de gaz ionisé au delà de la stratosphère, puis les
travaux de Appleton et Hartree confirment et précisent l’existence de cette couche :
l’ionosphère. La magnétosphère sera ensuite étudiée à l’aide de satellites à la fin des
années cinquante et la phase plasma est considérée comme le constituant essentiel
de l’univers dès la deuxième moitié du XX
e siècle.
Enfin, l’identification de l’origine thermonucléaire de l’énergie solaire, proposée par
Hootermans et Atkinson, rapidement acceptée grâce aux progrès de la physique
nucléaire, conduisit, dès la fin des années cinquante, à la mise en place de vastes programmes de recherches, nationaux et internationaux, sur la fusion thermonucléaire
contrôlée par confinement magnétique ; les progrès constants des systèmes de chauffage et de confinement thermonucléaires dans les configurations magnétiques de type
tokamak trouvent aujourd’hui leur concrétisation ultime dans le projet de réacteur
expérimental international ITER.
1.1.3 Ordres de grandeur
Suivant en cela les autres branches de la physique, les physiciens des plasmas n’utilisent pas le système international d’unités et ont développé un système d’unités plus
adapté aux ordres de grandeur rencontrés dans les plasmas ; ainsi, l’unité d’énergie n’est pas le joule mais l’électron-volt : 1 eV = 1, 6 × 10
−19 J. Deux constantes
fondamentales s’exprimant partiellement en joules : la constante de Boltzmann k,
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit
1 • Électrons, ions et plasmas
un intense débat sur la nature de ces particules et l’interprétation de leur comportement. En 1891, Stoney introduit le terme électron et progressivement les théories électroniques de Lorentz (1895) et J.J. Thomson (1897) s’imposent comme le
cadre cohérent et opérationnel d’interprétation des propriétés des gaz ionisés dans
les décharges électriques. La structure électronique de l’ensemble des phases de la
matière est ensuite élucidée, d’abord dans le cadre du modèle de Bohr-Sommerfeld,
puis de la mécanique quantique, permettant, à partir de 1927, non seulement l’interprétation des données accumulées à la fin du XIX
e et au début du XX
e siècle, mais
aussi, l’élaboration d’un ensemble de prédictions sur les phases diluées et condensées, qui se verront confirmées durant la deuxième moitié du XX
e siècle.
Mais, il serait faux de croire que la physique des plasmas est issue de la seule tradition expérimentale de physique des décharges électriques dans les gaz. En effet, bien
que Langmuir, dans le cadre d’études de physique des décharges, ait, en 1923, proposé pour la première fois le mot plasma pour désigner l’état ionisé de la matière, le
développement historique de la physique des plasmas doit aussi beaucoup à l’astrophysique et à la physique spatiale ; en particulier, aux travaux de Alfvén au milieu du
XX
e siècle et aux études sur l’environnement terrestre à haute altitude. En 1901, Marconi réussit la première expérience de télécommunication hertzienne transatlantique.
L’interprétation de ce succès stimula les études sur les propriétés de la haute atmosphère, en particulier, sur leur propriété de réflexion des ondes électromagnétiques
basse fréquence. Dès les années vingt, ces études amènent Heaviside et Kennelly à
postuler l’existence d’une couche de gaz ionisé au delà de la stratosphère, puis les
travaux de Appleton et Hartree confirment et précisent l’existence de cette couche :
l’ionosphère. La magnétosphère sera ensuite étudiée à l’aide de satellites à la fin des
années cinquante et la phase plasma est considérée comme le constituant essentiel
de l’univers dès la deuxième moitié du XX
e siècle.
Enfin, l’identification de l’origine thermonucléaire de l’énergie solaire, proposée par
Hootermans et Atkinson, rapidement acceptée grâce aux progrès de la physique
nucléaire, conduisit, dès la fin des années cinquante, à la mise en place de vastes programmes de recherches, nationaux et internationaux, sur la fusion thermonucléaire
contrôlée par confinement magnétique ; les progrès constants des systèmes de chauffage et de confinement thermonucléaires dans les configurations magnétiques de type
tokamak trouvent aujourd’hui leur concrétisation ultime dans le projet de réacteur
expérimental international ITER.
1.1.3 Ordres de grandeur
Suivant en cela les autres branches de la physique, les physiciens des plasmas n’utilisent pas le système international d’unités et ont développé un système d’unités plus
adapté aux ordres de grandeur rencontrés dans les plasmas ; ainsi, l’unité d’énergie n’est pas le joule mais l’électron-volt : 1 eV = 1, 6 × 10
−19 J. Deux constantes
fondamentales s’exprimant partiellement en joules : la constante de Boltzmann k,
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit