ATOME
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Atomes exotiques
Un atome, dans le sens habituel du terme, est un système constitué par un noyau et un nuage d'électrons, liés par les interactions électromagnétiques.
Si l'on remplace un ou plusieurs électrons, ou le noyau, ou les deux systèmes, par d'autres particules liées entre elles par un des types d'interaction, on aura un atome exotique.
Le premier – et le plus simple – exemple d'un atome exotique est le positronium, constitué d'un électron lié à un positron. Il s'agit d'un système important pour vérifier les prédictions de l'électrodynamique quantique. Lorsqu'un positron est créé et traverse la matière, il perd de l'énergie par l'émission successive de photons et finit par être capturé par un électron. Avant que l'annihilation ait lieu (chute de l'électron dans le « trou ») avec production d'un certain nombre n de photons, le positron et l'électron forment un petit atome dont l'état fondamental, avec le nombre l = 0, est, soit un état 3S1 (triplet ; orthopositronium), le spin total du positronium étant s = 1, soit un état 1S0 (singulet ; parapositronium), avec un spin total nul ; s (s + 1)ℏ2 est la valeur propre de S2 ; le carré de l'opérateur du spin. Si l'on applique au vecteur d'état du positronium l'opération de conjugaison de charge (transformation des particules d'un état en antiparticules et vice versa), on trouve qu'un état quelconque du positronium, avec des nombres quantiques l et s définis, est un état propre de cet opérateur avec les valeurs propres (— 1)l + s ( la parité de conjugaison de charge du positronium). Comme la parité de conjugaison de charge de n photons (état final) est (— 1)n, et comme cette parité se conserve, on arrive aux règles de sélection suivantes :
– dans l'état 3S1(l = 0, S = 1), le positronium ne peut pas s'annihiler avec production d'un nombre pair de photons (il disparaît avec l'émission de trois photons) ;
– dans l'état 1S0 (l = 0, S = 0), le positronium ne peut pas disparaître en émettant un nombre impair de photons ; la réaction 1S0 →3 γ est interdite.
On a pu mesurer la structure fine de l'état fondamental du positronium (différence d'énergie entre 3S1 et 1S0) et la vie moyenne de l'orthopositronium (≈ 1,4 × 10–7 s) ainsi que celle du parapositronium (≈ 1,25 × 10–10 s).
Un autre atome exotique qui, encore, ne met en jeu que des leptons, est le muonium : un électron lié à un muon positif. Tandis que dans le positronium on a affaire à un système particule-antiparticule (et donc toutes les deux avec la même masse), le muonium est une espèce d'isotope de l'atome d'hydrogène, la masse du muon positif étant environ un neuvième de celle du proton. L'intérêt de ce système est l'étude des propriétés électrodynamiques du muon, en particulier son moment magnétique, aussi bien que les effets possibles des interactions faibles sur les niveaux énergétiques du muonium.
Hélium muonique : orbites de Bohr
Encyclopædia Universalis France
L' atome d'hélium muonique est un autre atome exotique découvert en 1975 qui est constitué d'un noyau atomique d'hélium (particule alpha) entouré d'un muon négatif et d'un électron. Comme le rayon d'une orbite atomique de Bohr est inversement proportionnel à la masse du corpuscule, l'électron a une orbite autour du noyau 4He environ deux cents fois plus large que celle du muon, et l'image de l'hélium muonique, si l'on utilise le modèle de Bohr, est représentée à la figure 7.
Comme le cœur de cet atome, formé du noyau 4He et du muon négatif μ—, a une charge résultante positive, et comme son moment magnétique est celui de μ—, cet atome est un système d'étude complémentaire au muonium.
Les atomes les plus exotiques sont les atomes artificiels fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs ou de pièges électromagnétiques. Dans ces cas, aucun objet ne joue le rôle de « noyau » atomique, mais on fait agir sur les électrons un champ électromagnétique qui leur impose un comportement « atomique ». Lorsqu'on injecte un ou plusieurs électrons dans ces structures, on observe des états stables ou excités dont les niveaux d'énergie sont quantifiés comme ceux des atomes naturels. Ainsi, les atomes artificiels réalisés par le physicien japonais Seijo Terucha à partir d'hétérostructures semi-conductrices sont des disques de quelques dizaines de nanomètres de diamètre dans lesquels les électrons se répartissent en couches et obéissent au principe d'exclusion de Pauli. Les « points quantiques » étudiés en vue de la mise au point d'une informatique quantique, sont d'autres exemples d'atomes artificiels. On peut aussi citer des dispositifs de piégeage des électrons réalisés à partir d'électrodes et de bobines magnétiques créant un champ confinant dans un espace pouvant atteindre quelques centimètres cubes.
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Écrit par
- José LEITE LOPES : professeur de physique nucléaire, université Louis-Pasteur, directeur du groupe physique théorique et hautes énergies du Centre de recherche nucléaire de Strasbourg
Classification
Médias
Composants de base de l'atome
Encyclopædia Universalis France
Modélisation de l'atome d'uranium
DeAgostini/Getty Images
Max Planck
Hulton Archive/ Getty Images
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Voir aussi
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