Des molécules qui ne respectent pas la mécanique classique

Publié par Redbran le 25/06/2015 à 00:00
Source: CNRS
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Quand les molécules jouent au billard sans respecter les règles de la mécanique classique

C'est ce que des chercheurs de l'Institut des sciences moléculaires (CNRS / Université de Bordeaux) viennent de mettre en évidence. Ils ont en effet observé des collisions entre des molécules de monoxyde de carbone (CO) et des atomes d'hélium (He) au cours desquelles se produit un échange d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) entre les molécules. Ce résultat, publié dans la revue Nature Chemistry, montre que ces collisions ne suivent pas les "règles du jeu" de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) classique mais plutôt celles de la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...).


Vue d'ensemble de l'expérience de faisceaux croisés. © Christian Naulin

Les collisions inélastiques entre molécules sont des processus fondamentaux au cours desquels de l'énergie est transférée entre les mouvements de translation relative des deux partenaires et leurs mouvements internes (vibration, rotation). Ces collisions incessantes permettent de "répartir" l'énergie disponible sur tous les degrés de liberté des molécules et ainsi d'atteindre un état d'équilibre qui définit la température du milieu. Pour déterminer cette température dans des milieux non accessibles comme l'espace interstellaire, à partir des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) radio astronomiques, il est nécessaire de connaître avec précision l'efficacité de ces phénomènes de transfert d'énergie.

De plus, dans certains de ces milieux comme les nuages moléculaires, la température peut être particulièrement basse, de l'ordre de 10 Kelvin (soit – 263°C). A de telles températures, l'énergie cinétique moyenne des molécules est très faible et dans ces conditions, les collisions ne peuvent plus être décrites par la mécanique classique, mais seulement par la mécanique quantique.

Pour reproduire en laboratoire les conditions extrêmes régnant dans ces milieux, il faut pouvoir générer des collisions moléculaires à énergie contrôlée, définie et suffisamment basse. C'est précisément ce que permet l'expérience de faisceaux moléculaires croisés développée par l'équipe Bordelaise (La bordelaise est une race bovine française.). Les chercheurs ont ainsi pu mettre en évidence le comportement quantique des collisions de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) CO (détectée dans de très nombreux milieux astrophysiques et utilisée comme "thermomètre (Un thermomètre est un appareil qui sert à mesurer et à afficher la valeur des...)" de ces milieux) avec des atomes d'hélium (deuxième élément le plus abondant dans l'espace après l'hydrogène).

Leurs résultats expérimentaux montrent que la probabilité d'excitation rotationnelle de la molécule CO par collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) avec He est plus grande à certaines énergies de collision: ce comportement est dû à des phénomènes de "résonances" quantiques se produisant seulement à des énergies bien définies (résonances dites de "forme" et de Feshbach).


Vue interne de la chambre de collision: les deux faisceaux moléculaires (CO et He) se croisent dans la zone d'ionisation du spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant de décomposer une quantité...) de masse à temps de vol (TOF MS) utilisé pour détecter les différentes espèces. L'angle de croisement peut être ajusté entre 90 et 12,5°. L'ionisation des molécules de CO est réalisée par irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou...) UV à l'aide d'un laser.
© Christian Naulin

La description fine de ces résonances est particulièrement exigeante pour les expériences. Elle l'est aussi pour la théorie, car elle dépend très fortement de la qualité des calculs de l'énergie d'interaction entre les deux partenaires en fonction de leurs positions respectives: l'accord quasi-parfait entre résultats expérimentaux et calculs théoriques réalisés par des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Nimègue atteste la validité de ces calculs, et permet de remonter aux probabilités (ou taux) de collisions calculées pour différentes températures. La connaissance précise de ces taux est particulièrement importante car ce sont eux qui sont utilisés par les astrophysiciens pour la modélisation des milieux interstellaires.

Références:
Astrid Bergeat, Jolijn Onvlee, Christian Naulin, Ad van der Avoird et Michel Costes
Quantum dynamical resonances in low-energy CO(j = 0) + He inelastic collisions
Nature Chemistry 24 mars 2015, 7, 349–353
doi:10.1038/nchem.2204
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