Effet tunnel

L'effet tunnel est une propriété des particules subatomiques  (proton, électron, neutron...). Par effet tunnel, ces particules peuvent traverser des obstacles, comme un mur, a priori infranchissables.

En effet, cette propriété fait partie du domaine de la mécanique quantique et non pas de la mécanique classique.

Pour donner un exemple, au niveau atomique, c'est comme si une bille, coincée dans une boîte, pouvait s'échapper de celle-ci sans l'ouvrir ou la déformer, sans la modifier !

On subit l'effet tunnel, quand, en s'appuyant contre un mur, on passait au travers (ce qui arrive très très rarement).

Comment un objet peut-il traverser une paroi ?

Ce n'est pas que l'effet tunnel

Pour commencer, ce n'est pas parce qu'un objet traverse une paroi qu'il subit l'effet tunnel : des particules commes les électrons sont capables de traverser une feuille de papier (même s'ils sont arrêtés par une mince couche d'aluminium, trop épaisse pour l'effet tunnel).

D'autres, comme les neutrinos, émis par le Soleil et les autres étoiles, passent à travers la Terre entière sans problème !

Il ne s'agit alors pas d'effet tunnel, car ces neutrinos n'ont presque pas d'interactions, de contacts, avec la matière terrestre (électrons et nucléons). Leur seule interaction est l'interaction faible, si faible que les neutrinos ne rencontrent presque jamais les électrons et les noyaux atomiques.

Effets

Pour visualiser correctement l'image, cliquez dessus. Représentation de la fonction d'onde d'une particule. Plus les zones sont claires, plus la particule a de chances de se trouver là.

Il faut savoir qu'en mécanique quantique, un objet n'est jamais exactement localisé, il est à la fois onde et particule : on ne sait pas où il se trouve.

On le décrit par une onde qui alors peut pénétrer dans une barrière très forte en étant atténuée  sous forme d'onde éphémère , qui alors se diminue très vite dans la barrière pénétrée par cette onde et donc l'onde qui ressort peut être détectée très rarement sous la forme d'une particule qui a traversé le mur.

C'est très similaire physiquement à une onde sonore qui passe un peu à travers un mur lourd et épais d'insonorisation qui ne laisse passer que très peu de l'onde sonore.

On raisonne alors en termes de probabilités : l'objet a une certaine chance de se trouver à un endroit, mais il peut se trouver à côté, ou bien plus loin ! Pour représenter l'objet, on dessine sa fonction d'onde de particule quantique, c'est-à-dire la zone dans laquelle il a le plus de chance de se trouver. Cette probabilité est proportionnelle au carré de l'amplitude de la fonction d'onde, ici atténuée par le mur avec effet tunnel.

On voit sur l'illustration, à droite, que la partie la plus claire de la fonction d'onde semble rebondir sur la paroi (en blanc). En effet, elle a plus de chances de se heurter à cette paroi que de la traverser. Cependant, une tâche très légèrement colorée, appelée onde évanescente en optique, traverse complètement l'obstacle et, très fortement atténuée, continue son chemin. L'objet a donc une légère probabilité de subir l'effet tunnel et de traverser la paroi !

Cet effet tunnel explique la radioactivité des atomes formés de nucléons dans un sac plus ou moins épais et comme l'onde évanescente des nucléons à travers l'épaisseur du sac est parfois très très atténuée, les durée de vie des atomes radioactifs sont très variables en changeant peu l'épaisseur du mur ou de la barrière tunnel du sac, passant de la nanoseconde à plus de 10 milliards d'années comme pour le Thorium.

Principe

Cette partie est difficile à aborder. Pour mieux la comprendre, vous pouvez lire les articles mécanique quantique et probabilité.

En cours de développement

L'idée est que l'objet soumis à l'effet tunnel est une onde atténuée par la barrière très forte, et on peut aussi le décrire comme le passage par un état d'énergie au dessus de la barrière, qui emprunte très peu de temps de l'énergie aux particules. Dans des cas où l'énergie potentielle  de l'objet est supérieure à la valeur de l'énergie de la barrière, l'objet a suffisamment d'énergie pour traverser l'obstacle sous forme de propagation de particule onde sans diminution..

Expérimentalement on envoie des particules, photons, électrons, protons, neutrons, contre le mur ou la barrière et on observe qu'un très faible nombre de particules traversent le barrière lorsque l'onde est très atténuée par la barrière très forte, un très grand grand nombre est réfléchi ou absorbé par le mur. Le passage d'une seule particule à travers le mur est au hasard, totalement imprévisible dans les mesures.

Dans la radioactivité un seul atome comme l'uranium ou le thorium est comme un sac contenant plein de billes appelées nucléons, par centaines agitées avec une grande énergie emprisonnées dans ce sac, qui agit comme un mur de prison et très rarement au hasard par effet tunnel les billes parviennent à s'échapper de leur prison dans le sac et à faire exploser cet atome en plusieurs morceaux.

Un atome d'uranium ainsi explose ( appelé fission ) au hasard par effet tunnel, c'est à dire que cela peut se produire n'importe quand sur un milliard d'années de durée de vie moyenne, totalement imprévisible par quelque moyen de mesure physique. Cette imprévisibilité avec une probabilité quantique de une fois sur la durée de demi vie ( de un milliard d'années pour l'uranium ) est une base de la mécanique quantique.

Mais avec des milliards de milliards de milliards d'atomes dans une centrale nucléaire cela se produit beaucoup de fois par seconde en dégageant l'énergie énorme contenue dans ces sacs de nucléons. La moitié des atomes d'uranium seront décomposés ou fissionnés seulement au bout de un milliard d'années. Comme l'âge de la terre est de 4,5 milliards d'années depuis sa création par une supernova, il reste encore un peu d'atomes d'uranium sur terre, alors qu'il ne reste plus d'autres atomes radioactif comme le plutonium à durée de vie de 30000 ans bien plus courte.

Enfin le sac de nucléons uranium dans sa fission dégage plusieurs neutrons à grande vitesse qui en cognant très violemment les autres sacs d'atome d'uranium les font exploser bien plus vite de façon multiplicative au point d'exploser comme dans une bombe nucléaire ou en contrôlant le nombre des collisions dégagent beaucoup d'énergie dans une centrale nucléaire.

Portail de la physique —  Accédez aux articles de Vikidia concernant la physique.