Reflets de la Physique n°55 oct/nov/déc 2017
Reflets de la Physique n°55 oct/nov/déc 2017
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°55 de oct/nov/déc 2017

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 4,8 Mo

  • Dans ce numéro : une brève histoire du climat de la Terre.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Brèves 1L. Pitre et al., Metrologia 54 (2017) 856. 2 M. Thomas et al., Metrologia 54 (2017) 468. LNE. 24 Reflets de la Physique n°55 Le LNE obtient des résultats remarquables à la veille de la redéfinition du kelvin et du kilogramme EXTRAIT DU Communiqué de presse du LNE du 17 juillet 2017 En novembre 2018, à l’occasion de la 26 e Conférence générale des poids et mesures, quatre unités du système international (le kilogramme, l’ampère, le kelvin et la mole) devraient être redéfinies, pour être établies sur la base de constantes fondamentales de la physique. Ceci nécessite d’affiner au mieux les valeurs de ces constantes. Les chercheurs du LNE (Laboratoire national de métrologie et d’essais) viennent de déterminer avec une très grande précision les valeurs de la constante de Boltzmannpour la redéfinition du kelvin, et de la constante de Planck pour la redéfinition du kilogramme. Le nouveau kelvin défini par la constante de Boltzmann, déterminée par un thermomètre acoustique Depuis 1968 le système international d’unités définit le kelvin comme la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l’eau, qui correspond à 0,01°C soit 273,16 K. Mais ce point triple dépend de la composition isotopique de l’eau, des impuretés, etc. Le kelvin devrait donc bientôt être défini à partir d’une constante fondamentale  : la constante de Boltzmann(k), dont la valeur numérique sera figée, comme cela a été fait pour la vitesse de la lumière en 1983 pour la définition du mètre. Aujourd’hui la constante k est estimée à environ 1,380 648 52 × 10 -23 joule par kelvin, avec une incertitude relative de 0,57 × 10 -6, définie par le Comité de données pour la science et la technologie (CODATA). Mais il reste à affiner sa valeur. Le kilogramme défini par la constante de Planck, déterminée à partir d’une balance de Kibble 1. La balance de Kibble du LNE. L’étalon de l’unité de masse est un cylindre de platine iridié conservé depuis 1889 au Bureau international des poids et mesures (BIPM), à Sèvres. Le « grand K », comme il est surnommé, est gardé en sécurité dans un caveau, sous trois cloches de verre  : sa masse est, par définition, égale à 1 kg. Mais cet artéfact matériel n’est disponible que dans un seul lieu et surtout n’est pas stable dans le temps. En effet, on a noté des incohérences entre la masse du « grand K » et celles de ses copies. Pour s’affranchir de ces limites, le kilogramme sera bientôt défini à partir de la constante de Planck (h). Reste à déterminer avec la meilleure exactitude possible la valeur de cette constante universelle. L’équipe LNE-Cnam/LCM a mis au point une méthode originale permettant de déduire la valeur de k, grâce à la mesure de la vitesse du son dans un gaz rare en cavité fermée. Les chercheurs ont ainsi placé de l’hélium-4 dans un résonateur quasi sphérique de trois litres. Ce thermomètre acoustique est fondé sur la détermination précise des résonances acoustiques et micro-ondes pour mesurer la vitesse du son à différentes pressions. Tous les paramètres de l’expérience (pureté du gaz, mesure des signaux acoustiques) doivent être maitrisés avec une grande exactitude. L’équipe est ainsi parvenue à déterminer la constante de Boltzmannavec une incertitude de 0,60 × 10 -6, ce qui est à ce jour le meilleur niveau mondial ! [1]. La méthode utilisée par les équipes du LNE pour déterminer la constante de Planck est celle de la balance de Kibble. Cette expérience consiste à comparer une puissance mécanique à une puissance électrique virtuelle, déterminée en se référant à l’effet Josephson et à l’effet Hall quantique. Elle permet, de ce fait, de raccorder l’unité de masse à la constante de Planck. Cette expérience électromécanique aux réglages délicats suppose, par ailleurs, de maîtriser simultanément les grandeurs masse, accélération de la pesanteur, temps, longueur, tension et résistance à des incertitudes proches de celles de l’état de l’art. La balance de Kibble du LNE (fig. 1), développée depuis 2002, a fourni récemment une valeur de la constante de Planck  : h = 6,626 070 41 × 10 -34 J.s, avec une incertitude relative de 5,7 × 10 -8 [2]. Après cette redéfinition, la balance de Kibble du LNE permettra la réalisation de l’unité de masse, et ceci sans référence au « grand K »  : le kilogramme sera dématérialisé, sa valeur ne reposant que sur des valeurs de constantes physiques fondamentales. ❚
European XFEL/Rey Hori Laser optique En savoir plus Sur XFEL et son consortium  : www.xfel.eu/ Sur le montage des coupleurs de puissance  : http://irfu.cea.fr/Phocea/Video/index.php ? id=296 Référence 1 É. Collet et al., Reflets de la physique 44-45 (2015) 44-49. a 4 Depuis les années 1970, le développement des accélérateurs de particules a permis, grâce au rayonnement synchrotron, la production de rayons X utilisés pour l’analyse structurelle des matériaux. Les lasers à électrons libres (a) [1] permettent maintenant de s’intéresser à de nouveaux phénomènes en produisant une lumière quasiment 100% cohérente (b), faite d’impulsions ultra-lumineuses (10 12 photons par impulsion) et ultracourtes (de l’ordre de 10 -15 seconde). Pour la production de rayonsX, European XFEL utilise un accélérateur supraconducteur à électrons permettant d’obtenir 27 000 impulsions par seconde. Avec sa longueur de 3,4 km, il est le plus grand du monde dans sa catégorie. L’accélérateur d’électrons de European XFEL est unique dans le paysage des sources de lumière  : il est le seul à utiliser la supraconductivité. Sa construction a été prise en charge par un consortium d’instituts Avancées de la recherche European XFEL  : un laser à électrons libres de nouvelle génération pour l’Europe Extrait du communiqué de presse CNRS-CEA du 1er septembre 2017 0 Le laser à électrons libres European XFEL a été inauguré le 1er septembre 2017, près de Hambourg en Allemagne. En produisant des impulsions de rayons X ultra-lumineuses, deux-cents fois plus nombreuses par seconde que celles des meilleurs lasers à électrons libres existants, ce laser européen de nouvelle génération permettra aux scientifiques de cartographier les détails atomiques des virus, de réaliser des images tridimensionnelles du nanomonde, ou encore de filmer des réactions chimiques. Onze pays ont participé à sa construction, pour un budget total de 1,2 milliard d’euros. En France, le CEA et le CNRS ont joué un rôle de premier plan dans la conception et la construction de l’accélérateur supraconducteur à électrons, au cœur de cette nouvelle infrastructure de recherche internationale. XFEL Expérience de femtochimie. Les impulsions d’un laser optique (ici en rouge) initient une réaction chimique dans un échantillon dissous dans un jet liquide. Les impulsions laser X ultracourtes et ultra-lumineuses d’European XFEL (en bleu) suivent immédiatement celles du laser optique, et le rayonnement X diffusé est recueilli par un détecteur (à droite). La succession d’impulsions permet d’imager les différentes étapes de la réaction chimique et d’obtenir un « film moléculaire » de la réaction. européens. En France, le Laboratoire de l’accélérateur linéaire (CNRS/Université Paris-Sud) a plus particulièrement été chargé du suivi de la production et du conditionnement des coupleurs de puissance, composants essentiels des accélérateurs linéaires de particules. Une infrastructure adaptée à la production de masse des coupleurs, unique au monde, a été installée au laboratoire. Les coupleurs conditionnés ont été ensuite envoyés à l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers du CEA-Saclay, pour être assemblés dans des cryomodules. Pour ce travail d’intégration, le CEA a accompli un transfert industriel de son savoir-faire vers la société Alsyom, et s’est doté d’une infrastructure dédiée à Saclay. Après huit ans d’efforts, l’analyse des performances des coupleurs et cryomodules, réalisée par le laboratoire pilote basé en Allemagne (le DESY), confirme un savoir-faire unique au monde des scientifiques français. European XFEL, dont la première lumière laser a été émise en mai 2017, est aujourd’hui capable de produire une lumière avec une intensité suffisante pour caractériser, avec une seule impulsion, des structures à l’échelle nanométrique, voire atomique. La durée de ces impulsions et la cohérence de la lumière produite permettront de suivre en temps réel des processus fondamentaux comme la dynamique des structures biologiques, le fonctionnement de nano-objets et de nombreuses réactions chimiques (fig. 1). Sa brillance (c) exceptionnelle permettra par ailleurs d’étudier des états de la matière comme on les trouve, par exemple, à l’intérieur des planètes. ❚ (a) Un laser à électrons libres (en anglais  : Free Electron Laser ou FEL) utilise des électrons qui ne sont pas liés à un atome pour créer des photons. La lumière produite est à la fois cohérente, intense et peut avoir une longueur d’onde située dans une large gamme. (b) Plus une lumière est cohérente, mieux elle nous informe sur l’organisation de la matière, d’où l’importance d’avoir une lumière la plus cohérente possible. (c) Nombre de photons émis par unités de temps, de bande passante, de taille et de divergence. Reflets de la Physique n°55 25



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