Confinement des éléctrons dans le vide

[ArchoZaure]

Bonjour.

Théoriquement il serait possible de confiner des électrons dans le vide en envoyant par exemple un faisceau d’électrons dans une chambre de confinement imposant un champ électrique répulsif (négatif).

Les questions :
Cette manip a-t-elle déjà été faite avec un grand nombre d'électrons ?
Est-il théoriquement possible de fusionner des électrons, ne serait-ce que 2 en augmentant l'intensité du champ électrique ?
A-t-on vérifié expérimentalement les limites théoriques ?
Le cas échéant, que serait alors théoriquement le résultat de la fusion ? (ou alors impossibilité quantique théorique exclusion de Pauli ou je sais pas)
Le cas échant cette fusion produirait-elle plus d'énergie qu'il en faudrait pour imposer le champ de confinement ?

Merci pour vos réponses.
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[Deedee81]

Salut,

Théoriquement il serait possible de confiner des électrons dans le vide en envoyant par exemple un faisceau d’électrons dans une chambre de confinement imposant un champ électrique répulsif (négatif).

Le champ étant vectoriel il y aura une direction privilégiée. Et donc même s'il ralentit et stoppe les électrons, ça repartira dans l'autre sens. Et à supposer qu'il y ait une configuration (je vois pas la quelle mais qui sait) en forme de piège, il y aurait forcément accélération des électrons entrant dedans, c'est comme lancer une balle dans un puits dans frottement ou choc inélastique (bien lisse, bien arrondi) : la balle entre et ressort.

C'est plus simple avec des champs magnétiques (qui ne sont pas répulsif/attractif mais dévient les particules chargées, là ça existe, avec les configurations toroïdales comme les tokamaks). Ou de la lumière (mais là faut des atomes, pas des électrons, on ajuste la fréquence sur les niveaux d'énergie, c'est les pièges optiques).

Est-il théoriquement possible de fusionner des électrons, ne serait-ce que 2 en augmentant l'intensité du champ électrique ?

Non, il n'y a pas de particule équivalente et une configuration "bi-électrons" n'est pas stable.

A-t-on vérifié expérimentalement les limites théoriques ?

Les limites théoriques de quelle théorie ?

[ArchoZaure]

Le champ étant vectoriel il y aura une direction privilégiée. Et donc même s'il ralentit et stoppe les électrons, ça repartira dans l'autre sens. Et à supposer qu'il y ait une configuration (je vois pas la quelle mais qui sait) en forme de piège, il y aurait forcément accélération des électrons entrant dedans, c'est comme lancer une balle dans un puits dans frottement ou choc inélastique (bien lisse, bien arrondi) : la balle entre et ressort.

D'accord donc faut lancer dedans et refermer derrière (c'est un peu à quoi je pensais).
On laisse s'homogénéiser, rebonds et on relance la prochaine fournée etc, comme une genre de pompe.
Après faut éviter d'avoir de base un faisceau d'électron trop rapide pour justement pouvoir éviter le retour direct.

C'est plus simple avec des champs magnétiques (qui ne sont pas répulsif/attractif mais dévient les particules chargées, là ça existe, avec les configurations toroïdales comme les tokamaks). Ou de la lumière (mais là faut des atomes, pas des électrons, on ajuste la fréquence sur les niveaux d'énergie, c'est les pièges optiques).

Oui mais là justement j’essaie de limiter la question à l'électrostatique.
L’intérêt en plus c'est qu'une fois chargé ça bouge plus (à part les fuites inévitables mais bon).

Non, il n'y a pas de particule équivalente et une configuration "bi-électrons" n'est pas stable.

Voilà, c'est là le point principal de mon questionnement.

Les limites théoriques de quelle théorie ?

Celles sur lesquelles vous vous appuyez dans la phrase juste au dessus j'imagine.

Dans le noyau par exemple il semble acquis que les électrons ne peuvent occuper que certains "niveaux d'énergie".
Donc lorsque vous dites que la configuration bi-electrons n'est pas stable ça va à l'encontre de l'observation des couches électroniques à 2 électrons.
On a même pour certaines couches beaucoup plus d'électrons, mais on est d'accord que ça suit des règles précises.

Donc même question mais sans l'atome.
Est-ce que ce genre de configuration serait théoriquement possible sans atome ?
(Donc si on parle de "fusion" on aurait un genre de fusion quantique).

[curiossss]

Il y a très peu de configurations stables pour que l'énergie devienne matière : l'électron, le proton, et.... ? Je pense que toutes les autres sont instables à moins que quelque chose ne les aide à maintenir la stabilité (les neutrons par exemple, stables dans un noyau et instables libres).

La fusion nucléaire fournit de l'énergie car le réarrangement des protons et neutrons au sein du noyau demande moins d'énergie de liaison nucléaire entre eux. Mais les protons ou neutrons ne fusionnent pas, ils gardent leur identité.

Pour les électrons l'équivalent c'est les liaisons chimiques : le réarrangement des électrons permet parfois de libérer de l'énergie. Mais les électrons ne fusionnent pas entre eux.

[A voir en vidéo sur Futura]

[ArchoZaure]

Pour les électrons l'équivalent c'est les liaisons chimiques : le réarrangement des électrons permet parfois de libérer de l'énergie. Mais les électrons ne fusionnent pas entre eux.

Oui ça je sais pas, si c'est possible en pratique (la théorie dit non il me semble, exclusion de Pauli) il faudrait vérifier.
Par contre la liaison covalente est d'une certaine manière une fusion d'électrons au niveau quantique.
Que ce type de fusion nécessite de l'énergie ou pas, ou qu'elle en produise c'est aussi un peu mon questionnement.

[bdemo42]

Bonjour
"Est-il théoriquement possible de fusionner des électrons, ne serait-ce que 2 en augmentant l'intensité du champ électrique ?"

N'est-ce pas le cas des paires de Cooper

[Deedee81]

D'accord donc faut lancer dedans et refermer derrière (c'est un peu à quoi je pensais).

Là ça doit être possible, ceci dit la configuration ne doit pas être triviale (comme je l'ai dit, pour le coup, c'est plus simple avec des champs magnétiques).

Dans le noyau par exemple il semble acquis que les électrons ne peuvent occuper que certains "niveaux d'énergie".

Dans l'atome, pas dans le noyau (je suppose que c'est un lapsus, les électrons étant insensibles à l'interaction forte et étant trop légers, s'ils sont trop confinés hop ils s'échappent, c'est un effet du principe d'indétermination)

Donc lorsque vous dites que la configuration bi-electrons n'est pas stable ça va à l'encontre de l'observation des couches électroniques à 2 électrons.

Ben non, ce n'est pas la même chose. Tu parlais d'électrons dans le vide, là les couches électroniques faut des protons. Un assemblage de deux électrons est encore moins stable que le positronium (qui n'existe qu'environ une nanoseconde).

Et pire, tu parlais de fusion. On pourrait sans doute avoir deux électrons dans un puits de potentiel électrostatique, de la taille d'un atome (je dis pas l'intensité du champ électrique nécessaire, je crois que c'est irréalisable, pas sans tout pulvériser ). Mais ce n'est pas une fusion. Deux électrons ne sauraient pas fusionner (car il n'existe pas de particule de charge 2 est assez légère, il faudrait tellement d'énergie pour arriver à ça qu'on aurait surtout l'équivalent d'une collision dans le LEP avec un tas de particules très énergétiques créées).

EDIT croisement de la mort qui tue. La paire de Cooper est une forme de liaison mais :
- qui nécessite un réseau (lien via les phonons), là aussi on est loin du vide
- les deux électrons peuvent être TRES éloignés
- les paires se font, se défont, et de reforment en permanence, c'est extrêmement dynamique (je ne connais pas la demi-vie, ou plutôt je ne m'en souviens pas, mon cours de supra c'est il y a longtemps De mémoire le temps de propagation des phonons, de l'ordre de la ms au mieux ou de la µs)

[Deedee81]

Là ça doit être possible, ceci dit la configuration ne doit pas être triviale (comme je l'ai dit, pour le coup, c'est plus simple avec des champs magnétiques).

Une combinaison des deux serait sans doute réalisable. A creuser.

[coussin]

Il existe des pièges à ions. On peut y piéger des ions uniques (Nobel de D. Wineland).
On peut y piéger plusieurs ions, ceux-ci s'arrangent alors en "cristaux de Coulomb" https://en.m.wikipedia.org/wiki/Coulomb_crystal

Tout ce que je viens de dire n'a, à ma connaissance, jamais été fait avec des électrons. Les électrons étant tellement légers, il est difficile d'avoir pour eux un comportement "corpusculaire". Ils préfèrent être délocalisés et se comporter comme des ondes ce qui complique (rend impossible ?) toute tentative de piégeage.

[Deedee81]

Il existe des pièges à ions. On peut y piéger des ions uniques (Nobel de D. Wineland).

Ca montre qu'il y a bien des configurations possibles. Sympa.
Merci coussin.

Ca doit être plus difficile avec des électrons mais probablement pas impossible.

Fait voir l'intérêt aussi ArchoZaure ne l'a pas précisé et je n'ai pas pensé à le demander. Tu as quelque chose en tête ?

[ArchoZaure]

Là ça doit être possible, ceci dit la configuration ne doit pas être triviale (comme je l'ai dit, pour le coup, c'est plus simple avec des champs magnétiques).

Ok bon de toutes façons c'est surement plus difficile à réaliser qu'à imaginer.

Dans l'atome, pas dans le noyau (je suppose que c'est un lapsus, les électrons étant insensibles à l'interaction forte et étant trop légers, s'ils sont trop confinés hop ils s'échappent, c'est un effet du principe d'indétermination)

Oui pardon c'est ce que je voulais dire : Au niveau de l'atome, pas dans le noyau bien sûr.

Ben non, ce n'est pas la même chose. Tu parlais d'électrons dans le vide, là les couches électroniques faut des protons. Un assemblage de deux électrons est encore moins stable que le positronium (qui n'existe qu'environ une nanoseconde).

Voilà d'accord, là ça m'intéresse.
Vous dites que pour avoir des couches électroniques il faut des protons.
Bon c'est vrai que du point de vue de l'histoire des sciences c'est le cheminement que la pensée des chercheurs a suivi.
On avait initialement le modèle planétaire de l'atome avec des électrons qui circulaient comme des petites billes (d'où l'analogie avec les planètes) et on a finalement compris que ce modèle ne tenait pas la route car l’électron devait dans ce cas perdre son énergie par rayonnement et tomber inéluctablement sur le noyau.
D'où le modèle quantique de l'atome qui a suivi et qui a solutionné le problème.
Donc là on est dans une problématique moins "mécanique newtonienne" si je puis dire et plus dans une vision "énergétique" (mécanique quantique).
Ce qui veut dire que le fait d'être "attiré" par un proton n'est pas la cause du maintient de l’électron sur son "niveau" (son domaine de présence) mais qu'on a plus affaire à une question énergétique.
Donc, si énergétiquement "les protons qui ATTIRENT" peuvent maintenir DES électrons sur un niveau énergétique, alors des électrons qui REPOUSSENT (confinement électrostatique) pourraient aussi bien faire l'affaire ?

Et pire, tu parlais de fusion. On pourrait sans doute avoir deux électrons dans un puits de potentiel électrostatique, de la taille d'un atome (je dis pas l'intensité du champ électrique nécessaire, je crois que c'est irréalisable, pas sans tout pulvériser ). Mais ce n'est pas une fusion. Deux électrons ne sauraient pas fusionner (car il n'existe pas de particule de charge 2 est assez légère, il faudrait tellement d'énergie pour arriver à ça qu'on aurait surtout l'équivalent d'une collision dans le LEP avec un tas de particules très énergétiques créées).

Voilà c'est un peu ça aussi la question.
Je suppose bien que l'énergie nécessaire pour faire fusionner 2 électrons pour en faire un nouveau état de la matière, s'il existe, doit être énorme (d'où la question avec 2 électrons uniquement)
Mais est-ce qu'on ne peut pas juste les mettre, dans un premier temps, dans le même état que celui dans lequel ils se trouveraient autours du noyau ?
Là pour répondre avec certitude on est peut-être plus dans l'expérimentation que dans la théorie.

EDIT croisement de la mort qui tue. La paire de Cooper est une forme de liaison mais :
- qui nécessite un réseau (lien via les phonons), là aussi on est loin du vide
- les deux électrons peuvent être TRES éloignés
- les paires se font, se défont, et de reforment en permanence, c'est extrêmement dynamique (je ne connais pas la demi-vie, ou plutôt je ne m'en souviens pas, mon cours de supra c'est il y a longtemps De mémoire le temps de propagation des phonons, de l'ordre de la ms au mieux ou de la µs)

Merci et à bdemo42 pour cette référence, je connais vaguement et juste de nom et je vais creuser.

[ArchoZaure]

Il existe des pièges à ions. On peut y piéger des ions uniques (Nobel de D. Wineland).
On peut y piéger plusieurs ions, ceux-ci s'arrangent alors en "cristaux de Coulomb" https://en.m.wikipedia.org/wiki/Coulomb_crystal

C'est intéressant.

Tout ce que je viens de dire n'a, à ma connaissance, jamais été fait avec des électrons. Les électrons étant tellement légers, il est difficile d'avoir pour eux un comportement "corpusculaire". Ils préfèrent être délocalisés et se comporter comme des ondes ce qui complique (rend impossible ?) toute tentative de piégeage.

Ok je vois.
Ça n'a pas du être essayé souvent du coup.

[un_copain]

Salut,
C'est pas les condensats de Fermi-Dirac ?

[ArchoZaure]

Salut,
C'est pas les condensats de Fermi-Dirac ?

Excellent, oui c'est ça ! (enfin je crois avec mon minimum théorique )
Merci pour la référence.

Le comportement d'un gaz de fermions dégénéré n'est plus décrit par la physique classique mais par la physique quantique.

Du fait du principe d'exclusion de Pauli, les fermions identiques, caractérisées par leur spin demi-entier, tels qu'électrons, neutrons, protons, neutrinos, quarks, etc. ne peuvent pas occuper le même état quantique. Il en résulte qu'en dessous d'une température suffisamment basse, les prédictions de la physique classique (distribution statistique de Maxwell-Boltzmann) perdent leur sens, puisqu'elles prévoient que les états de plus basse énergie sont occupés par plusieurs particules.

Un gaz entre dans ce régime purement quantique lorsque sa température est suffisamment basse et la densité numérique est large. Par définition, la température en dessous de laquelle la physique classique n'est plus pertinente est appelée la température de Fermi.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Condensat_fermionique

Donc je pense que la question se simplifie.
Est-ce qu'on a déjà essayé de faire ce genre de "condensats" avec uniquement des électrons ?

[ArchoZaure]

Fait voir l'intérêt aussi ArchoZaure ne l'a pas précisé et je n'ai pas pensé à le demander. Tu as quelque chose en tête ?

Juste un questionnement sur le bilan énergétique de la fusion "quantique".
Qui n'en est pas une au sens Einsteinien (E=mC2) j'imagine, mais j'essaie d'en comprendre les limites (déjà il y a une différence d'énergie entropique mais pas mc2)

[coussin]

Est-ce qu'on a déjà essayé de faire ce genre de "condensats" avec uniquement des électrons ?

Non.
Les gaz dégénérés de fermions se font avec des atomes neutres. Aucune chance de condenser avec des interactions coulombiennes répulsives.

[ArchoZaure]

Non.
Les gaz dégénérés de fermions se font avec des atomes neutres. Aucune chance de condenser avec des interactions coulombiennes répulsives.

Intéressant.
Ça veut dire qu'il y a là encore un domaine vierge d'expérimentation.

[XK150]

Il n'existe pas de force attractive entre les électrons , donc on n'obtiendra jamais " un état lié " entre eux , car ils ne veulent pas rester " proches " l'un de l'autre .

Le mieux que l' on sache faire , c'est la diffusion de Moller : https://en.wikipedia.org/wiki/M%C3%B8ller_scattering

En résumé simple , on obtient à nouveau 2 électrons mais avec des directions différentes .

[Deedee81]

Salut,

Ça veut dire qu'il y a là encore un domaine vierge d'expérimentation.

Tu as du mal comprendre l'explication de coussin : aucune chance . Il n'a pas dit pourquoi ce serait difficile à expérimenter mais pourquoi ça ne peut pas marcher. Et comme j'ai dit plus haut : si tu mets assez d'énergie pour fusionner des électrons.... ils ne fusionnent pas, ils disparaissent en créant des dizaines de particules. Et c'est déjà expérimenté : le LEP.

A contrario, de tels condensats avec des électrons, ça existe déjà (mais pas dans le vide, coussin parlait du vide) et ça été dit aussi plus haut : c'est les supraconducteurs. Les électrons forment des paires de Cooper et sont dans état de condensat. Mais comme dit plus haut aussi : ça ne correspond pas même de loin à ce que tu envisageais (les électrons de la paire peuvent être éloignés, c'est pas dans le vide et il n'y a absolument pas fusion).

Ce qui veut dire que le fait d'être "attiré" par un proton n'est pas la cause du maintient de l’électron sur son "niveau" (son domaine de présence) mais qu'on a plus affaire à une question énergétique.
Donc, si énergétiquement "les protons qui ATTIRENT" peuvent maintenir DES électrons sur un niveau énergétique, alors des électrons qui REPOUSSENT (confinement électrostatique) pourraient aussi bien faire l'affaire ?

Réfléchit un peu avant d'écrire !!!!! (et si tu n'y arrives, regarde la notion d'énergie de liaison)

[Deedee81]

Bon, là on en est arrivé au point où l'idée de base ne fait plus que parler de choses fausses, contraire aux théories ou "qu'il faudrait expérimenter mais qu'y en a personne qui n'aurait fait".

Bref dans la spéculation purement gratuite. Et une forte violation du point 6 de la charte (ou plutôt on est juste la frontière d'une telle forte violation !).

Pour éviter d'être vraiment trop hors charte, je vais fermer.

Si tu avais encore des interrogations sur les théories existantes ou les expériences existante je te propose plutôt (éventuellement) d'ouvrir une discussion sur telle théorie ou telle expérience réelle (en la citant avec précision) et en posant les questions sur le pourquoi du comment de la théorie ou de l'expérience. Vu le nombre d'aspects théoriques et expérimentaux cités dans cette discussion, y a de quoi faire

Merci,