(Q-8) Le tunnel quantiqueLa différence entre la "nouvelle" et l' "ancienne" mécanique peut être mise en évidence par un exemple : l'explication de la radioactivité alpha en 1928 par George Gamow. Comme il est décrit dans section #S-7 de "Stargazers" et avec plus détail dans section #S-8 le noyau atomique est soumis à différentes forces : la force nucléaire forte maintient rassemblées les particules et doit surmonter la répulsion électrique que subissent les protons positifs du noyau, et qui tend à le faire éclater . La force nucléaire gagne sur les courtes distances, voilà pourquoi il y a des noyaux, mais devient rapidement inefficace plus à distance. Au loin la répulsion électrique domine.
Considérons un proton à l'intérieur d'un noyau. S'il s'éloigne un peu pour une raison quelconque, la force nucléaire le rappelle, mais s'il est suffisamment distant, la répulsion électrique l'éloigne, sans retour. Par exemple la fission nucléaire, , est possible pour les noyaux lourds du plutonium ou de l'uranium-235. Leurs noyaux contiennent des protons si nombreux ne demandant qu'à se repousser (répulsion électrique), qu'il suffit d'ajouter juste un peu d'énergie -- celle que libère un neutron supplémentaire tiré dans le noyau - pour scinder le noyau entier en deux gros morceaux positivement chargés qui s s'éloigneront suffisamment pour ne plus jamais revenir-au contraire, la répulsion électrique les éloigne de plus en plus et libère une grande quantité d'énergie.
Ces noyaux, et les noyaux lourds voisins dans la masse, sont tous au point d'instabilité, et même sans apport d'énergie extérieure, ils trouvent le moyen de se débarasser d'une partie de leur menaçante charge positive . Les forces s'exerçant sur les protons dans les noyaux ressemblent à celles qui pourrait s'exercer sur un groupe de billes à l'intérieur du "cratère" d'une surface en forme de volcan.-avec des côtés bien en pente, mais un cratère peu profond (dessin). Le profil de la "montagne" peut être considéré comme la représentation de l' ensemble de la force s'exerçant sur les protons d'un noyau. À l'intérieur du cratère l'attraction prédomine, retenant ensemble les protons, mais en dehors la répulsion prédomine, les éloignant. Dans cette comparaison avec des billes dans un cratère, si l'une d'elles pouvait d'une façon ou une autre migrer à l'extérieur -- disons en creusant un tunnel dans la paroi du cratère -- la répulsion lui permettrait de rouler et elle libérerait l'énergie. La mécanique Newtonienne ne fournit pas ce tunnel : le proton est emprisonné à jamais dans le cratère. Mais avec la mécanique quantique, la position du proton est déterminée par les les variations dans le fonctionnement de l'onde. Cette onde est la plus forte à l'intérieur du "cratère" du noyau, et si le proton est matérialisé à ce point, il reste emprisonné ("si" veut ici juste aider à imaginer le processus ; en physique quantique, quand un processus -- comme cette matérialisation -- est inobservable, cela revient à dire qu'il n'existe pas). Les limites de l'onde, cependant, s'étendent au loin, et il y a toujours (cependant) une minuscule force au-delà du cratère, donnant une chance infime pour que le proton se matérialise à l'extérieur et s'échappe. C'est comme si les lois quantiques lui avaient donné une chance dérisoire "de percer un tunnel" dans l'épaisseur du cratère. Gamov (et aussi Ronald W. Gurney, à peu près en même temps) a suggéré que ce "quantum creusant un tunnel" existe réellement, et soit la principale cause de la radioactivité des éléments lourds. Il apportait une modification: la transition la plus efficace, car exigeant la moindre énergie, n'était pas l'évasion d'un simple proton, mais d' un noyau d'hélium--deux protons et deux neutrons liés ensemble par la force nucléaire, un lien très solide. Ces noyaux énergétiques sont les "particules alpha" (particules α), une appellation datant des premiers jours de la recherche sur la radioactivité, lorsque les physiciens ont constaté que certaines particules positivement chargées étaient émises, mais ne pouvaient pas encore indiquer leurs structures. Cela peut prendre des millions et même des milliards d'années avant qu'une particule α ne parvienne "à percer le tunnel" de sa sortie. Ce type de radioactivité est la source d'une grande partie du chauffage interne de la terre (le potassium radioactif y contribue également). D'autres types de radioactivité dans les éléments lourds représentent souvent le rajustement des noyaux laissés instables par les émissions de particules α-, menant parfois à l'émission de particules αsupplémentaires. Tôt ou tard, la particule α capture deux électrons dans son environnement et devient un atome ordinaire d'hélium et en attendant le noyau, après l'émission α-a réduit sa charge positive et doit donc renoncer à deux électrons, pour préserver la neutralité électrique de l'ensemble du matériel). Presque tout l'hélium emprisonné dans les roches ou extrait à partir de gaz naturel a en fait été formé par ce processus (On le sait parce qu'il existe une autre forme plus légère d'hélium, observée sur le soleil et ailleurs). Ainsi le gaz utilisé pour les dirigeables et les ballons provient-elle presque entièrement de la radioactivité ! ConclusionL'étude des rayons gamma issus des noyaux radioactifs montre que les noyaux ont, eux-aussi, des niveaux d'énergie. Mais l'application de la mécanique quantique est ici beaucoup plus difficile, parce que les particules nucléaires sont beaucoup plus étroitement liées, et que les forces nucléaires sont plus compliquées. La théorie du quantum peut quand même être appliquée à beaucoup de processus nucléaires avec au moins une certaine approximation, (comme avec la radioactivitéα-, ci-dessus), et aussi à l'étude des collisions rapides des particules et la fission nucléaire. La physique de l'espace traite d'objets très importants -- étoiles, plasmas, planètes etc. -bien loin de l'échelle sous-microscopique de la plupart des processus quantiques. Mais la mécanique quantique y est nécessaire pour expliquer les processus atomiques impliqués dans le comportement de ces grands objets. L' énergie des étoiles comme le soleil trouve la plupart du temps son origine dans les réactions entre noyaux atomiques, et la plupart des éléments que nous connaissons (sauf seulement les plus légers) se sont apparemment " rapidement fait cuire" dans l'effondrement catastrophique des grosses étoiles provoquant ce qui est connu sous le nom de supernova En fait la matière du "Big Bang" original semble avoir manqué de tous les éléments familiers au delà du carbone et pourtant la vie (entre autres) en dépend. D'autres processus quantiques déterminent
et beaucoup d'autres phénomènes. L'univers ne peut pas être compris sans la théorie quantique. Presque tout ce qui précéde se réfere aux travaux effectués entre 1900 et 1960. Depuis beaucoup de nouvelles connaissances se sont ajoutées en particulier sur les interactions des particules élémentaires au cours des collisions à grande énergie (avec application à l'univers primitif, après le Big-Bang ). Le terme " particules élémentaires" se réfère ici aux protons, neutrons et électrons, aussi bien qu'aux produits instables des collisions nucléaires énergétiques. Mais on s'éloigne du niveau de cette vue d'ensemble, et même de la propre expérience de l'auteur, deux bonnes raisons de s'arrêter maintenant.
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