Reflets de la Physique n°62 jun à sep 2019
Reflets de la Physique n°62 jun à sep 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°62 de jun à sep 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 60

  • Taille du fichier PDF : 5,2 Mo

  • Dans ce numéro : dossier, le nouveau système international d'unités.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Physikalisch-Technische Bundesanstalt 2. Sphère presque parfaite de silicium et les différentes étapes ayant mené à sa réalisation. cyclotron de deux espèces placées dans le même champ magnétique permet de déterminer leur rapport de masse. Des précisions meilleures que 10 -10 sont atteintes. À partir du recul atomique effectué sur le rubidium ou le césium, il est donc possible de mesurer avec une précision comparable la masse de la plupart des atomes. Enfin, une masse macroscopique peut être reliée à une masse atomique grâce à la méthode dite XRCD (X-Ray Crystal Density method). Cette expérience est conceptuellement très simple  : il s’agit d’élaborer un cristal pur de silicium et d’en compter le nombre d’atomes. Pour cela, une sphère monocristalline quasiment parfaite est réalisée (fig. 2). En mesurant le volume de cette sphère et en le comparant au volume d’une maille du cristal, on déduit le nombre d’atomes et donc la masse de la sphère. En pratique, ce projet est un véritable défi expérimental. Il est réalisé au sein d’une collaboration internationale  : l’International AvogadroCoordination (IAC). Dans l’idéal, il faudrait disposer d’un cristal parfait, c’est-à-dire isotopiquement et chimiquement pur, ainsi que sans défaut cristallin. Il s’agit là de la principale limitation de la précision. Pour réduire l’incertitude liée à la composition isotopique, du silicium enrichi à plus de 99,99% en isotope 28 Si est préparé. Un monocristal de plusieurs kilogrammes est ensuite fabriqué. À partir de ce cristal, deux sphères semblables sont taillées. 24 Reflets de la Physique n°62 D’autres échantillons sont aussi prélevés pour mesurer la concentration isotopique à l’aide d’un spectromètre de masse et pour étudier la structure du cristal. Ce dernier n’étant pas parfaitement homogène, des mesures sur plusieurs échantillons sont nécessaires afin d’interpoler les résultats au niveau de chaque sphère. La structure du cristal est étudiée en combinant un interféromètre à rayons X et un interféromètre optique. Lorsque l’on déplace un élément de l’interféromètre à rayonsX, le signal varie avec une période spatiale correspondant à la taille de la maille cristalline. En mesurant ce déplacement à l’aide d’un interféromètre optique, on est donc capable de déduire la taille de chaque maille. Un autre interféromètre optique est aussi utilisé pour mesurer le diamètre de la sphère et, plus précisément, les corrections qui existent par rapport à la sphère parfaite. En 2017, les chercheurs de la collaboration IAC ont pu mesurer le rapport entre la masse d’une sphère et celle de l’atome de silicium avec une précision de 1,2 × 10 -8. Cette incertitude provient principalement de celle sur la mesure du diamètre de la sphère, ainsi que de la contamination chimique de sa surface. Le recul comme mesure d’une masse Dans le nouveau SI, la balance de Kibble permet la réalisation pratique du kilogramme, grâce à la mesure de masses macroscopiques à partir de leur poids et en passant par des étalons électriques. Le recul atomique, que l’on a présenté dans cet article, donne accès directement à la mesure d’une masse atomique avec une précision meilleure que 10 -9, ce qui dans le nouveau SI en fait la plus précise des mesures de masses. En outre, nous pensons que cette méthode consistant à mesurer la vitesse de recul d’un atome qui absorbe un photon, constitue un moyen relativement simple de comprendre le lien entre la constante de Planck h et les masses dont elle définit l’unité  : fixer la valeur de h à 6,626 070 15 × 10 -34 Js, revient finalement à dire que le kilogramme est 10 25 fois la masse d’un atome initialement au repos, qui, en absorbant un photon de longueur d’onde 1 µm se propageant dans une direction donnée, acquerrait (b) une vitesse de recul de 6,626 070 15 mm/s. (a) Un piège de Penning est un dispositif de symétrie cylindrique permettant de confiner des particules chargées pendant une durée suffisamment longue, en utilisant un champ magnétique statique uniforme appliqué selon l’axe z et un champ électrique quadripolaire qui évite que les particules sortent du piège lorsqu’elles suivent les lignes de champ magnétique. (b) Nous employons le conditionnel, cette définition restant fictive, car un tel atome n’existe pas.
Les étalons électriques quantiques Sophie Djordjevic (sophie.djordjevic@lne.fr), Wilfrid Poirier, Félicien Schopfer et Olivier Thévenot Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), 29 avenue Hennequin, 78197 Trappes Cedex L’ancienne définition de l’ampère et la hiérarchie des unités électriques De 1948 au 20 mai 2019, la définition de l’unité d’intensité du courant électrique (voir l’article deL. Julien, p.12) s’appuyait sur la théorie de Maxwell et sur une expérience de pensée mettant en jeu deux fils, infiniment longs et infiniment fins, parcourus par un courant électrique. Ces fils subissent alors la force de Laplace sous l’effet du champ magnétique qu’ils créent autour d’eux (fig. 1). En imposant, dans la définition, la distance entre les fils et la valeur de la force exercée par unité de longueur, la perméabilité du vide µ 0 a été fixée implicitement à 4π 10 -7 N A -2 exactement. Cette définition, la première à reposer sur une constante de la physique, fut une avancée importante dans l’uniformisation des unités électriques. Cependant, sa mise en œuvre expérimentale restait difficile. Jusque dans les années 1960, elle reposait sur différentes versions de la balance de l’ampère, où la force électromagnétique qui s’exerce entre deux bobines parcourues par un courant est comparée à la force gravitationnelle d’une masse connue. Les incertitudes de ces réalisations, liées en grande partie à la géométrie des bobines, sont restées limitées à quelques 10 -6. De manière à réduire cette incertitude, il a fallu emprunter une autre voie, qui s’appuie sur la réalisation du farad à partir du mètre. A. Thompson et D. Lampard [1] ont en effet démontré que la valeur des capacités croisées par unité de longueur dans un système de quatre électrodes cylindriques, chacune de longueur infinie, n’était reliée qu’à la permittivité du vide ε 0, cette dernière étant exacte depuis que la vitesse de la lumière c a été fixée en 1983  : µ 0 ε 0 c 2 = 1. Grâce au condensateur calculable de Thompson-Lampard, réaliser le farad revient donc à mesurer une longueur de manière précise, permettant d’atteindre une incertitude de quelques 10 -8. À partir du farad et de la seconde, il est possible de réaliser l’ohm en comparant une résistance à l’impédance de la capacité calculable. Le volt, lui, peut être déterminé à partir de la balance du volt, dans laquelle le poids d’une masse contrebalance la force électrostatique s’exerçant sur l’électrode mobile d’un condensateur soumis à une tension. De cette manière, des incertitudes de l’ordre de quelques 10 -7 ont été atteintes. La réalisation de l’unité de base, l’ampère, est finalement obtenue de Le nouveau Système international d’unités Les découvertes successives de l’effet Josephson et de l’effet Hall quantique ont permis de réaliser des étalons de tension et de résistance électrique incomparablement plus stables que les étalons matériels classiques. I 1 = 1 A r = 1 m F μ 0 I 1 I 2 = L 2π r I 2 = 1 A 1. Illustration de l’ancienne définition de l’ampère. Le fil conducteur parcouru par le courant I 1 dans le champ magnétique B 2 créé par le courant I 2, subit une force de Laplace perpendiculaire à I 1 et B 2, et réciproquement  : les deux fils s’attirent par la force F. L’ancienne définition fixait la force à 2 × 10 -7 N m -1 pour des fils de longueur infinie, de section circulaire négligeable, distants de 1 m dans le vide et parcourus par un courant de 1 ampère. La nouvelle définition de l’ampère est reliée à la charge élémentaire,e, fixée à 1,602176634 × 10 -19 As. manière indirecte avec une incertitude de quelques 10 -7, à partir de la combinaison de différentes réalisations des unités dérivées, parmi lesquelles l’ohm, le volt et le watt déterminé par la balance de Kibble (voir l’article de M. Thomas, p.18). De manière générale, les incertitudes des réalisations des unités électriques étaient limitées par le lien entre l’ampère et les unités mécaniques, via la définition de 1948. Pour aller au-delà, le changement de définition voté le 16 novembre 2018, qui permet de relier l’ampère au flux de charges élémentaires par unité de temps, était indispensable. Mais il n’a pu être envisagé qu’en se basant sur une représentation micro scopique du transport électronique et grâce aux phénomènes quantiques utilisés en métrologie électrique. Reflets de la Physique n°62 25



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