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Échelle des énergies

Une gamme d’énergies pour l’infiniment petit …

L’unité d’énergie considérée pour l’atome est l’électronvolt ou eV. Un électronvolt est l’énergie acquise par un corpuscule doté d’une charge électrique élémentaire comme l’électron  subissant une différence de potentiel de 1 volt.

Trois gammes d’énergie des photons
L’énergie d’un photon lumineux est de quelques électronvolts et sa longueur d’onde λ une fraction de micron (millième de millimètre). L’énergie d’un rayon X issu des couches profondes de l’atome peut atteindre une centaine de milliers d’électronvolts (keV) avec une longueur d’onde, de l’ordre du milliardième de mètre, comparable aux dimensions de l’atome. Les rayons gamma sont émis par les noyaux. Leur énergie est encore plus grande et leur longueur d’onde devient comparable aux dimensions du noyau.
© IN2P3 ©

L’électronvolt ou eV : une unité d’énergie pour l’atome et les molécules

L’électronvolt est une unité très petite. L’énergie nécessaire pour arracher d’un atome un de ses électrons externes ou celle libérée lors d’une réaction chimique, est de quelques eV. Les photons issus des molécules ou des couches extérieures de l’atome ont des énergies de l’ordre de l’électronvolt. Par exemple, l’énergie des photons de la lumière bleue, dont la longueur d’onde se situe entre 0,38 et 0,45 micron, est d’environ 3 eV.

Le kiloélectronvolt  ou keV : l’énergie des rayons X issus des couches profonde de l’atome

Des rayons de plusieurs milliers d’électronvolts (keV) sont émis lors de transformation se produisant dans les couches les plus profondes de l’atome. Ce sont les rayons X très utilisés en médecine pour les diagnostics et thérapies. Les rayons X sont également produits à partir d’électrons accélérés  par rayonnement de freinage (“bremsstrahlung”) ou avec des accélérateurs de particules (rayonnement synchrotron).

Le mégaélectronvolt ou MeV: l’unité d’énergie pour les rayons de la radioactivité

Les rayons de la radioactivité résultant de transformations au sein des noyaux possèdent des énergies plus élevées pouvant atteindre des millions d’électronvolts ou MeV. Les particules alpha éjectées des noyaux lourds ont en général des énergies de 4 à 5 MeV. Les énergies des électrons de la radioactivité bêta, dépassent rarement le MeV. Elles sont souvent de une à plusieurs centaines de keV. Il en va de même pour la plupart drs rayons gamma. Par exemple l’énergie  des deux rayons gamma issus de l’annihilation d’un électron et d’un positron est de 511 keV  (0,511 MeV).

Émission de 2 gamma énergétiques en cascade
Ce noyau de Cobalt-60 se désintègre par radioactivité bêta en un noyau stable de nickel-60 avec une période de 5,271 ans. La transformation, accompagnée de l’émission d’un électron et d’un antineutrino, passe presque toujours par un état excité du nickel-60. Ce noyau perd ses 2,158 MeV d’énergie d’excitation en émettant successivement 2 photons gamma. (Les gamma du cobalt-60 furent longtemps utilisés pour le traitement de cancers).
© IN2P3 ©

Le gigaélectronvolt ou GeV: une énergie pour les accélérateurs de particules

Pour disposer de rayonnements d’énergie supérieure à celle de la radioactivité, il faut recourir à des accélérateurs de particules, le plus souvent des protons ou  des électrons. Les médecins utilisent des accélérateurs, pour des diagnostics comme les scanners ou des thérapies. Les  physiciens nucléaires utilisent également des accélérateurs pour leurs expériences au niveau de laboratoires ou de grands centres comme GANIL à Caen.

En Physique des particules, aussi appelée Physique des Hautes Energies, on a recours à des accélérateurs encore plus puissants, et à des collisionneurs. Le collisionneur le plus puissant du monde est le LHC (Large Hadron Collider) au CERN. Il consiste en un anneau de 27 kilomètres de circonférence formé d’aimants supraconducteurs et de structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules qui y circulent.

Le LHC : un accélérateur de particules
Ce “collisionneur”, le plus puissant au monde, consiste en un anneau de 27 kilomètres de circonférence formé d’aimants supraconducteurs pour courber les trajectoires. Des structures accélératrices augmentent l’énergie des particules qui y circulent dans des tubes distincts placés sous un vide très poussé. Au premier plan, aspect de l’intérieur du tunnel de l’accélérateur. Deux faisceaux de particules circulent en sens opposé pratiquement à la vitesse de la lumière avant de rentrer en collision, selon une trajectoire circulaire située entre le lac de Genève et le Jura.
©  CMS experiment ©

Le collisionneur du CERN confère aux protons qui entrent en collision une énergie de 7 TeV, c’est à dire 7 millions de MeV à comparer aux 8 MeV de la désintégration alpha la plus énergétique.

Les accélérateurs sont à leur tour surclassés par les fantastiques capacités d’accélérations que l’on trouve dans le cosmos au voisinage de supernovæ, de pulsars ou des noyaux actifs de galaxies (AGN), galaxies renfermant vraisemblablement, en leur centre, un trou noir dont l’activité engendre des jets de particules ultra-relativistes que nous détectons.


Voir aussi :
Astronomie gamma