SCIENCES.ENERGIES.ENVIRONNEMENT/LE MONDE SELO? LA PHYSIQUR/2019 WEEK 40 part 5

 Voici le 3 ème article de la semaine sur les électrons

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OCTOBER 1, 2019

Beyond Einstein: Physicists solve mystery surrounding photon momentum

by Goethe University Frankfurt am Main

Au-delà d'Einstein: les physiciens résolvent le mystère entourant la dynamique des photons

Université Goethe de Francfort-sur-le-Main

Photo du microscope à réaction COLTRIMS construit par Alexander Hartung dans le cadre de ses recherches doctorales dans le hall d'expérimentation de la Faculté de physique. Crédit: Alexander Hartung

Albert Einstein a reçu le prix Nobel pour avoir expliqué l'effet photoélectrique: sous sa forme la plus intuitive, soit un seul atome   irradié de lumière. Selon Einstein, la lumière est constituée de particules (photons) qui ne transfèrent que  de l'énergie quantifiée à l'électron de l'atome. Si l'énergie du photon est suffisante,  elle  peut élimine les électrons de l'atome. Mais qu'advient-il de la dynamique du photon dans ce processus? Les physiciens de l'Université Goethe sont maintenant en mesure de répondre à cette question. Pour ce faire, ils ont développé et construit un nouveau spectromètre avec une résolution jamais atteinte auparavant.

Le doctorant Alexander Hartung est devenu père à deux reprises lors de la construction de l'appareil. L'appareil, qui mesure trois mètres de long et 2,5 mètres de haut, contient environ autant de pièces qu'une automobile. Il se trouve dans la salle d'expérimentation du bâtiment Physics du campus de Riedberg, entouré d'une tente noire et opaque à l'intérieur de laquelle se trouve un laser extrêmement performant. Ses photons entrent en collision avec des atomes d'argon individuels dans l'appareil et éliminent ainsi un électron pour  chacun des atomes. La quantité de mouvement de ces électrons au moment de leur apparition est mesurée avec une précision extrême dans un long tube de l'appareil.

L’appareil est un développement ultérieur du principe COLTRIMS (système de réaction instantanée à réaction laser test de collision optique) inventé à Francfort et s’étant répandu dans le monde entier: il consiste à ioniser des atomes individuels ou à briser des molécules, puis à déterminer le contenu des particules. Cependant, le transfert de la quantité de mouvement des photons aux électrons prédit par les calculs théoriques est si minime qu'il était auparavant impossible de le mesurer. Et c’est pourquoi Hartung a construit le «super COLTRIMS».

Lorsque de nombreux photons d'une impulsion laser bombardent un atome d'argon, ils l'ionisent. Briser l’atome consomme en partie l’énergie …L'énergie restante est transférée à l'électron libéré. La question de savoir quel partenaire de réaction (noyau de l’électron ou de l’atome) conserve l’élan du photon préoccupe les physiciens depuis plus de 30 ans. "L'idée la plus simple est la suivante: tant que l'électron est attaché au noyau, l'impulsion est transférée à la particule la plus lourde, le noyau de l'atome. Dè QU IL se libère, l'impulsion des photons est transférée à l'électron", explique le superviseur de Hartung, le professeur Reinhard Dörner de l'Institut de physique nucléaire. Ce serait comme si le vent transférait son élan à la voile d'un bateau. Tant que la voile est fermement fixée, la force du vent fait avancer le bateau. Cependant, à l'instant où les cordes se  rompent, la vitesse du vent est transférée à la voile seule.

Cependant, la réponse découverte par Hartung au cours de son expérience est plus surprenante encore ce qui est typique de la mécanique quantique. L'électron reçoit non seulement l'impulsion attendue, mais en plus un tiers de l'impulsion photonique qui aurait dû aller au noyau de l'atome. La voile du bateau "est donc au courant" de l'accident imminent avant que les cordes ne se déchirent et chipent  un peu de l'élan du bateau. Pour expliquer le résultat plus précisément, Hartung utilise le concept de lumière comme une onde électromagnétique: «Nous savons que les électrons traversent une petite barrière d’énergie. Ils sont ainsi éloignés du noyau par le puissant champ électrique de  laser, tandis que le champ magnétique transfère cet élan supplémentaire aux électrons. "

Hartung a utilisé une configuration de mesure intelligente pour l'expérience. Pour s'assurer que le petit élan supplémentaire de l'électron ne soit pas causé accidentellement par une asymétrie dans l'appareil, il a fait en sorte que l'impulsion laser frappe le gaz de deux côtés: soit de droite ou de gauche, puis des deux côtés simultanément, ce qui le plus grand défi pour la technique de mesure. Cette nouvelle méthode de mesure de précision promet de mieux comprendre le rôle jusqu'ici inexploré des composants magnétiques de la lumière laser en physique atomique

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. More information: A. Hartung et al, Magnetic fields alter strong-field ionization, Nature Physics (2019). DOI: 10.1038/s41567-019-0653-y

Journal information: Nature Physics

Provided by Goethe University Frankfurt am Main

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Mes commentaires

  Intéressant  de voir par cet appareillage complexe de Hartung que l on  peut savoir  maintenant ce que devient le trop plein d’ énergie  que l’on  fournit  pour arriver à arracher un électron a   son orbitale   de séjour  sur son atome  …Elle va  bien entendu  a l’électron éjecté mais l’atome est  ionisé   et en « grignote un poil »avant son éjection ……..

Je salue le travail expérimental ; ….Toutefois je rappelle  que  le travail spectroscopique a été mené depuis bien longtemps  et que les spectres de première, deuxième, etc. ionisation   sont connus et permettent de calculer pouic chaque type d’élément atomique  les énergies d’ionisation …… Les toutes premières théorisé de Bohr  ont été remplacées par le modèle de Schrödinger  En première approximation, l'énergie d'ionisation peut être déduite du théorème de Koopmans.