MOLÉCULAIRES JETS & FAISCEAUX

La propagation de particules neutres sous forme de faisceaux a permis de vérifier les bases de la physique moderne au cours d'expériences effectuées surtout de 1920 à 1930 à l'aide de faisceaux de première génération, les faisceaux moléculaires thermiques. Il faut citer d'abord la vérification de la loi de distribution des vitesses de Maxwell-Boltzmann, sur laquelle est fondée la théorie cinétique des gaz. Ensuite fut réalisée la fameuse expérience de Stern-Gerlach (1921), une démonstration directe de la quantification spatiale, par déflexion d'atomes d'argent dans un champ magnétique inhomogène. Ainsi, avec des faisceaux de particules à moments dipolaires magnétiques (ou électriques), la séparation, ou la sélection, d'états quantiques et la mesure des moments magnétiques (ou électriques) sont possibles. Elles sont obtenues par déflexion dans des champs magnétiques (ou électriques) inhomogènes, suivant les méthodes de I. I. Rabi (ou de N. F. Ramsey) respectivement. Ces déflexions ont trouvé plus tard d'autres applications, par exemple en spectroscopie hertzienne (dipôles électriques) et aussi dans l'horloge atomique qui est soit à faisceau de césium traversant une cavité hyperfréquence, soit à faisceau d'ammoniac ou d'hydrogène atomique, utilisant l'effet Maser de C. H. Townes (NH₃) ou de N. F. Ramsey (H). D'une façon générale, dès que sa densité est suffisante, un faisceau moléculaire est le milieu idéal pour toute spectroscopie par suite de l'absence d'élargissements dus aux collisions et à l'effet Doppler-Fizeau. Ainsi, on le trouve dans le premier pompage optique (A. Kastler), dans la définition du mètre étalon à partir d'une raie du krypton 86, etc. C'est encore la forme de faisceau qui permet de suivre une évolution dans le temps, d'observer des effets de pression de radiation ou de réaliser un ultrarefroidissement par laser, de créer des interactions ponctuelles par collision unique gaz-gaz ou gaz-surface. Dès 1930, la diffraction d'un faisceau thermique d'hélium sur un cristal de fluorure de lithium montrait pour la première fois les propriétés ondulatoires des particules matérielles en mouvement, avec une longueur d'onde associée λ = h / p, de Louis de Broglie.

On peut déjà trouver, dans le domaine des jets et faisceaux moléculaires, onze Prix Nobel en ajoutant aux noms ci-dessus ceux des physiciens P. Kusch et W. Lamb (1955) et des trois physico-chimistes : D. Herschbach, Y. T. Lee et J. Polanyi (1986). Après avoir permis de contrôler les bases de la physique, les faisceaux moléculaires apportent à la chimie les moyens de comprendre les mécanismes élémentaires des réactions aussi bien que les possibilités de créer de nouvelles structures (agrégats, notamment les fullerènes), de nouveaux produits et même des molécules interstellaires.

Définition des trois types de faisceaux

Un volume de gaz en équilibre thermique (par exemple dans un réservoir à température uniforme et constante) est toujours dans un état désordonné appelé « chaos moléculaire ». On y trouve un très grand nombre de molécules (2,7 × 10¹⁹ dans un centimètre cube d'air à pression et température ambiantes) qui sont en mouvement continuel, avec des parcours en « zigzag » dont les parties linéaires commencent et finissent lors des collisions incessantes, qui se produisent entre molécules ou sur les parois du réservoir (cf. chambre 1, ). Les vitesses des molécules, dues à cette agitation thermique, ont des directions réparties uniformément dans tout l'espace et des grandeurs avec des distributions très larges. Les valeurs moyennes varient comme la racine carrée de la température absolue du gaz (cf. théorie cinétique des fluides).

L'état de chaos moléculaire, qui caractérise normalement un gaz[...]