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bechers en chimie
Ils sont instables, explosifs, corrosifs ou oxydants : certains produits chimiques sont tellement puissants qu’ils nécessitent d’importantes précautions d’emploi, même pour les professionnels.

L’hydrogène

Composant des 3/4 de l’univers connu, l’hydrogène est sur Terre un gaz explosif, détonant et très combustible. Il s’associe avec l’oxygène de l’air pour former de l’eau et libérer une importante quantité d’énergie (mise à profit dans les boosters des fusées).
Dans la bombe à hydrogène (bombe H), la plus puissante bombe créée par l’homme, ce n’est pas sa réactivité chimique qui est utilisée, mais un mécanisme de fusion thermonucléaire.

La nitroglycérine

la nitroglycérine
Classique : ce composé liquide de formule $C_{3}H_{5}(NO_{3})_{3}$ explose en formant plusieurs gaz, dont le dioxyde de carbone, le diazote, du dioxygène et l’eau. Si son explosion est si importante c’est en partie à cause de la grande quantité de gaz produits : plus de 1000 fois le volume de gaz par rapport au volume liquide.
La nitro est également très instable mécaniquement : un choc peut détruire la fragile molécule et libérer de la chaleur pour produire une réaction en chaîne. En revanche, des bâtons de sable ou du carton imbibé de nitro sont stables : sous cette forme, c’est de la dynamite. Il peut alors être transporté et même jeté au feu sans que ça n’explose. Pour le faire péter, il faut une onde de choc, telle qu’une étincelle. Ce procédé, breveté par Alfred Nobel, à la fin du 19e siècle, lui permis d’acquérir une immense fortune, dont les seuls intérêts suffisent encore aujourd’hui à distribuer les fameux prix Nobels.

L’oxygène liquide

L’oxygène est un comburant : il permet une combustion. Sa forme gazeuse pure est déjà suffisamment concentrée pour réactiver instantanément la flamme d’une allumette simplement incandescente. L’oxygène liquide est chimiquement 1 485 fois plus concentré et a donc un pouvoir oxydant plus important. Certains produits explosent à son contact, comme ce coton imbibé d’où l’on approche une flamme.
L’ozone, ou tri-oxygène, est encore plus corrosif que le dioxygène normal.

Le tri-iodure d’azote

trinitrure d’azote
Ce produit, sous sa forme solide, est des plus instables : un simple effleurement par une plume suffit à produire sa détonation. Sous sa forme dissoute dans l’eau il ne pose pas de problèmes, mais l’endroit où il sèche sera forcément l’endroit où il va exploser. Il est impossible de le transporter, car le moindre choc provoque son explosion : même une particule cosmique ou un bruit un peu fort peuvent déclencher l’explosion.

Le difluore

La plupart des produits chimiques sont conservés dans du verre car ce dernier est assez peu oxydable. Le difluor est un des gaz si corrosifs qu’il attaque le verre. Le fluor est ce qu’on appelle « électronégatif » ce qui signifie qu’il est en manque d’électron. Attaquer un matériau pour lui prendre un électron est sa façon de se stabiliser.

Le fluor attaque l’intégralité du tableau périodique à la seule exception des deux éléments les plus stables : l’hélium et le néon. Même le platine ou l’or ne sont épargnés.
Une des façons de le stocker est d’utiliser un récipient en nickel oxydé : la couche d’oxydation arrive à stopper la corrosion par le fluor.
N’importe quel matériau s’enflamme instantanément au contact de ce gaz : papier, coton, bois, acier.

On trouve du fluor dans le dentifrice ou le sel de table, mais il n’est pas pur. Car une fois que le fluor a trouvé un électron, il est stable et ne présente aucun danger. Dans le dentifrice, il oxyde les dents pour se fixer dessus, empêchant les bactéries de le faire et protégeant ainsi la dent.

L’eau régale

L’eau régale est le seul acide (sauf les superacides) capable de dissoudre l’or. C’est un mélange d’acide chlorhydrique de d’acide nitrique concentré. L’acide nitrique arrive à retirer un atome d’or, et l’acide chlorhydrique arrive à le prendre à l’acide nitrique, pour qu’il en retire un autre, et ainsi de suite.
Les deux acides pris de manière séparée n’arrivent pas à dissoudre l’or, ce qui est d’autant plus intéressant d’un point de vu chimique.

L’acide fluoroantimonique

l’acide fluoroantimonique
(source)

C’est le superacide le plus fort connu à ce jour. Il est dix mille million de milliard de fois plus puissant que l’acide sulfurique à 100 % ! L’étudier est assez difficile en raison de ça, vu qu’il dissout tout ce qui entre en contact avec lui. Il est par ailleurs très difficilement conservable, et seul le téflon peut s’en charger.

La thermite et la thermate

La thermite est un mélange d’aluminium et d’oxyde de fer tous les deux en poudre. Sa particularité est de générer une chaleur plus qu’intense atteignant les 2500°C. Cette vidéo le montre à l’œuvre en train de fondre à travers un bloc moteur, en quelques secondes. La thermate contient en plus du souffre par rapport à la thermite, qui augmente encore plus ses effets.

Le potassium solide

Le potassium, comme le sodium ou le césium et tous les éléments solides de la première colonne du tableau périodique réagissent violemment au contact de l’eau : ils s’enflamment et explosent, libérant de l’hydrogène qui va lui aussi exploser. Le produit qui reste est, dans ce cas, une solution d’hydroxyde de potassium : un agent très corrosif.

L’octonitrocubane

l’octanitrocubane
C’est une belle molécule en forme de cube avec à chaque coin un groupe nitro $NO_2$. Il s’agit de l’explosif non-nucléaire le plus puissant au monde, mais qui malgré cela est extrêmement résistante et stable : il peut être chauffé à 200 °C et percuté avec un marteau sans qu’elle explose. Sa synthèse est cependant difficile, et la production à grande échelle n’est pas encore possible.

Le trifluorure de chlore

Ce produit est corrosif, toxique (il dissout la chair et les os), explose au contact de l’eau, entre en ébullition exposé à l’air et brûle à plus de 2 400 °C. Il a été mis au point par les Nazis avant la seconde guerre mondiale, mais fut rapidement abandonné car trop dangereux et délicat à manipuler.
Il est tellement instable qu’il dissout le béton et réagit vivement si le récipient qui le contient n’est pas propre.

Le diazide de (5-azido-1H-tétrazol-1-yl)-carbamimidoyle

azoazide azide
Souvent, une molécule carbonée qui contient beaucoup d’atome d’azote est aussi un puissant explosif. C’est le cas de la nitroglycérine, ou de l’octonitrocubane vu ci-dessus. La présente molécule (azidoazide azide en anglais, et dont j’ai dû recréer le nom français avec un peu d’aide) contient quatorze atomes d’azote pour deux atomes de carbone, ce qui en fait l’un des explosifs les plus puissants au monde, mais contrairement à l’octonitrocubane et à l’instar du tri-iodure d’azote, il est très instable ! Il explose au chocs, au bruit, quand on allume la lumière, le place en solution et même… sans aucune raison particulière.

Le tétraazidométhane

tetraazidomethane
Prenez un atome de carbone et collez-lui 4 groupes d’azoture instable $\text{N}_3$ : vous avez formé du tétraazidométhane, la molécule organique avec la plus haute concentration en azote, et l’une des plus denses en énergie !
Il est dit qu’une seule goutte de ce produit peut faire péter le récipient qui le contient, en plus de la hotte de protection sous laquelle on le manipule.

Lien :

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici, avec ses commentaires)

image de Kingway School

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Dans beaucoup de films de science fiction faisant intervenir des aliens, ce sont les aliens qui viennent sur Terre pour nous envahir, et non les humains qui vont envahir une autre planète peuplée d’extra-terrestres. C’est le cas par exemple de Independence Day, ou encore plus récemment d’Avengers.

Ceci suppose que les extra-terrestres soient en mesure de voyager à travers la galaxie pour venir nous voir, typiquement à bord d’un vaisseau spatial, et très certainement, en empruntant des trous de ver (voir ça plus loin pour savoir pourquoi).

Une remarque peut donc être faite : étant donnée que sur le plan de l’exploration spatiale nous ne sommes allées (en dehors de la Terre) que sur la Lune et nul part ailleurs, ça signifie que les aliens sont techniquement beaucoup plus avancés que nous !

On peut se demander : comment classer le niveau d’avancement technologique d’une civilisation ?

Une façon parmi d’autres de poser le problème est de voir quelle quantité d’énergie peut être produite, consommée et exploitée par la civilisation.

Ceci n’est pas si stupide : la production d’énergie de notre espèce ne fait que croître depuis toujours. De la maîtrise du feu, à l’emploi de chevaux, d’esclaves, puis de poudre à canon, de machines à vapeur, à charbon, puis à explosion, électriques et enfin à l’énergie de fission nucléaire, nous consommons toujours plus d’énergie.

Une partie de l’énergie est utilisée pour l’exploration spatiale : aujourd’hui on utilise des fusées et des sondes à propulsion chimique, ionique ou solaire pour explorer d’autres planètes. L’exploration spatiale demande énormément de ressources, et on imagine très bien que voyager à travers la galaxie pour envahir une planète va en demander beaucoup, beaucoup plus encore.

L’échelle de Kardashev

Partant de cette base, il a été proposé de mesurer la quantité d’énergie mise en jeu par toute une civilisation, de la quantifier, et de classer une civilisation sur une échelle. C’est ce qu’a fait en 1964 l’astrophysicien Nikolaï Kardashev.
Il est parti du principe qu’une civilisation peut « récolter » l’énergie disponible dans l’univers, et il classe les civilisation en se basant sur l’ordre de grandeur de la quantité d’énergie captée.

Kardashev définit 3 types de civilisations : le Type I, le Type II et le Type III.

Le Type I

Une civilisation de Type I est capable de capter et d’utiliser toute la puissance d’une planète.
Pour nous, ça veut dire la puissance disponible sur Terre. Ceci inclut le vent, les cyclones, les marrées, la chaleur, les volcans, les orages, les énergies fossiles (charbon, gaz, nucléaire…) et les énergies du vivant (bois, biocarburant…).

Quantitativement, ceci correspond environ à $10^{16}$ à $10^{17}\text{ watts}$.

Le Type II

Cette civilisation est capable de capter toute la puissance de son étoile (pour nous, ça serait donc le Soleil).
Le Soleil tire son énergie de la fusion thermonucléaire, et cette énergie rayonne dans toutes les directions autour du Soleil (nous ne recevons sur Terre qu’une minuscule partie de ce rayonnement). Une façon de faire serait de placer des panneaux solaires partout autour du Soleil et de canaliser toute l’énergie vers la Terre, les vaisseaux spatiaux, ou quoi que ce soit qui puisse utiliser cette énergie.

Le Soleil émet $3,86\times10^{26}\text{ watts}$. Kardashev proposait de mettre la barre à $10^{26}\text{ watts}$.
Le Type II consomme donc environ un milliard de fois plus de puissance qu’un Type I.

Au passage, l’idée d’une sphère de panneaux solaires autour d’une étoile pour en capter la totalité de l’énergie, se nomme une sphère de Dyson.

Le Type III

Plus fort encore, une civilisation de Type III est capable de récolter la puissance de toutes les étoiles de sa galaxie, et de l’utiliser à sa convenance.
Notre galaxie comportant environ 100 milliards d’étoiles de toute sortes, cela représente la quantité énorme de $10^{37}\text{ watts}$.

Là encore, le rapport de puissance énergétique entre un Type III et un type II est de l’ordre du milliard (10 milliards pour être précis).

Pour résumer :

l’échelle de Kardashev
↑ Consommations énergétiques des trois types de l'échelle de Kardashev (image : wiki-commons)

Le Type IV

Plus tard, il est parfois ajouté à la liste un Type IV.
Une civilisation de ce type est, vous l’aurez compris, en mesure de capter toute la puissance de toutes les galaxies, ainsi que le rayonnement intergalactique. Une telle civilisation aurait également la capacité de traiter l’information à l’échelle galactique, donc beaucoup, beaucoup d’information.

L’astrophysicien Carl Sagan a modifié l’échelle de Kardashev pour l’affiner, et permettre de situer des civilisations intermédiaires. Ainsi, il considère qu’une civilisation de type 1,1 serait capable de capter l’équivalent de 10 planètes comme la Terre, tout en restant très loin de l’énergie d’une étoile.

Où se situe l’espèce humaine ?

Selon la formule de Carl Sagan :

$$K = \frac{log_{10}W - 6}{10}$$

Le niveau intermédiaire $K$ (le chiffre après la virgule) et donnée à partir de la puissance consommée $W$. L’humanité se trouverait alors autour de 0,75 sur l’échelle de Kardashev (la puissance consommée par les humains représentant autour de 12 000 millions de TEP par an), soit aussi environ un millième de la puissance de notre planète Terre.

Sachant que notre économie (et notre énergie) est en bonne partie basée sur le pétrole et le charbon, il faudrait des ressources en énergies fossiles 1000 fois plus importantes que ce qu’on a actuellement pour atteindre le Type I.
Ceci étant improbable, il est absolument nécessaire de se tourner vers d’autres sources d’énergie, plus durables et plus puissantes. On pense en particulier l’énergie solaire, la fusion nucléaire, et pourquoi pas l’énergie des cyclones, volcans ou tremblements de terre.

Enfin, pour finir sur les humains, si nous parvenons au Type I et que nous souhaitons continuer à évoluer, nous devrons conquérir d’autres planètes pour avoir plus d’énergie, d’où le rapport avec l’exploration spatiale et les extra-terrestres.

Où se situent les extra-terrestres ?

Si l’on prend l’exemple des extra-terrestres dans le film Avengers, ceux-ci envahissent New-York en passant par un trou de ver.

La simple mention du trou de ver suffit ici à donner une idée de l’énergie mise en œuvre par cette civilisation.

Un trou de ver, c’est un court-circuit dans la structure de l’espace-temps, qui permet de passer d’un endroit de l’univers à un autre plus rapidement que ne le ferait la lumière, typiquement en franchissant quelque chose comme une porte.

Ces « objets » sont théoriquement possibles et largement décrit, comme par exemple le pont d’Einstein-Rosen. En pratique, on pense qu’ils existent à l’échelle de Planck, c’est à dire de la taille incroyablement petite de $10^{-35}\text{ m}$ (soit 20 d’ordres de magnitude plus petit qu’un noyau atomique) et d’une durée de vie de $10^{-43}\text{ s}$, mais on ne les observe pas, ni en petit, ni en grand.

Il n’est pas exclu non plus, par la théorie, que ces « portes spatio-temporelles » existent à d’échelles plus grandes, mais il faudrait une énergie faramineuse pour arriver à les agrandir et surtout à les maintenir ouvertes. Or, cette énergie est, selon les sources, de l’ordre de celle d’une galaxie entière et ses milliard d’étoiles.

Une civilisation capable de produire un trou de ver est donc au minimum une civilisation de type III.

Pourquoi évoluer ?

En tant que civilisation, on a historiquement toujours conquis et exploré le monde. Il a pris par exemple 1 500 ans après l’ère de César pour traverser l’océan et découvrir un nouveau continent. Et il a pris 450 ans de plus pour voyager jusqu’à la Lune. Certains visionnaires convoitent désormais l’idée d’aller sur Mars, soit ~50 ans après la Lune.

En tant qu’espèce vivante, et représentant de « la Vie », nous ne pouvons nous permettre de rester sur Terre : tôt où tard, notre planète sera détruite, et si ce n’est pas par nous même, ça sera par le Soleil, dont la durée de vie est limitée. Il nous reste environ 50% d’autonomie, soit 4~5 milliards d’années avant que le Soleil explose. Il nous faudra donc partir d’ici là (et bien avant en fait, car le Soleil gagne en luminosité au fil des éons) si nous voulons survivre.

Partir où ? Comment ?

Si on considère que si on veut voyager librement dans l’univers (par exemple comme dans Stargate, avec des portes), alors il nous faudra obligatoirement maîtriser la technologie des trous de ver.

En effet, avec les fusées actuelles, il faut 9 mois pour voyager sur la première planète possiblement habitable de notre propre système solaire — Mars — (et c’est déjà un problème non résolu à ce jour…). Pour arriver à la première étoile, il faut compter quelques dizaines de milliers d’années.

Si on arrivait à voyager à la vitesse de la lumière, la première étoile serait encore à 3 années de voyage, et traverser la Voie Lactée nous prendrait toujours 100 000 ans. Voyager à la vitesse de la lumière serait bien trop lent : un aller simple vers les exo-planètes les plus proches découvertes aujourd’hui aurait déjà la durée de l’ordre d’une vie humaine !

Dit autrement : sans trous de vers, nous n’irons nul part.

À ces échelles de temps, si nous n’évoluons pas, et si nous restons toujours au stade d’une civilisation de Type 0,7, ou même de Type 1, alors nous n’existerons plus dans quelques milliards d’années.
Alors non, pas la peine de se presser, mais il ne faut pas s’asseoir sur nos acquis pour autant : comparé à d’éventuelles autres civilisations, il est possible que nous ne soyons que des êtres primitifs ayant encore tout à découvrir et à inventer.

Image d’entête de Tama Leaver

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two USAF fighters
J'ai découvert que cette question faisait de gros débats sur le net, et qu'en plus l'explication courante, sur la différence de vitesse de l’écoulement de l’air, était fausse.
Voici donc une explication qui, j’espère, remettra un peu les pendules à l’heure.

Pour commencer, il y a principalement quatre forces qui s’exercent sur un avion en vol :

  • La traction des hélices (ou la poussé des réacteurs) qui tire (ou pousse) l'avion vers l'avant ;
  • La traînée, résultant des frottements avec l'air sur la surface de l'avion, qui freine l'avion ;
  • Le poids de l'avion, qui attire l'avion vers le bas ;
  • La portance, qui permet à l'avion de se maintenir en l'air.

En jouant sur la portance et la traction, on peut faire monter et avancer l’avion comme on veut.
De ces quatre forces, c'est la portance qui est la moins facile à comprendre : comment une aile peut-elle générer une force dirigée vers le haut ?
Il y avait plusieurs théories et évidemment, l'explication populaire est fausse (du moins, elle n’explique pas tout).

L'explication fausse et courante : l'air accélère et crée une dépression sur la partie bombée de l’aile

Cette explication, on l’a tous entendu. Voici son énoncé :

Une aile d'avion est bombée sur le dessus, donc la distance à parcourir en passant au dessus est supérieure à celle à parcourir en dessous.

aile d'avion
L'air allant plus vite en haut à cause du trajet plus important à parcourir produire une dépression au dessus de l’aile, ce qui aspire l’avion vers le haut. C’est le théorème de Bernoulli.

Alors, oui, l’effet de Bernoulli existe et ses effets sont observés et largement mis en pratique dans tout le monde de l’aéronautique (par exemple dans le tube de Pitot, qui permet de mesurer la vitesse de l’avion en vol).

L'ennui, c'est que cet effet d'aspiration dû à la vitesse ne suffit pas : même pour un avion de ligne volant à 800 km/h, la différence de pression est beaucoup trop faible pour soulever un avion entier. Un simple calcul montre qu’il faudrait une distance à parcourir au dessus de l’aile de l’ordre de 50 % plus grande qu’en dessous, soit largement plus que les 1 à 2 % mesurés sur un avion.

Par ailleurs, il a été constaté que l’air passant au dessus et l’air passant en dessous ne se rejoignent pas du tout en même temps : en fait, l’air passant au dessus de l’aile arrive avant celui passant en dessous ! Et même si ceci accentue l’effet de Bernoulli, cela ne suffit toujours pas à soulever un avion. Il faut autre chose pour expliquer le vol d’un avion.

Enfin, et pour donner le coup de grâce à cette théorie, certains avions sont munis d’ailes à profil symétrique et même plans (comme un avion en papier)… Et ils volent très bien, y compris parfois sur le dos !

Une explication plus crédible

La principale raison à la portance s'explique avec la troisième loi de Newton et l’effet Coandă.

L’effet Coandă, c’est quand vous prenez une cuillère et que vous en présentez la partie bombée sous le filet d’eau du robinet, comme sur cette image : le filet d’eau est dévié dans le sens du creux, car elle épouse les courbes de la cuillère. En réaction, la cuillère est aspirée dans l’autre sens.

Il se passe la même chose avec une aile d’avion : une aile d'avion est inclinée (si ce n’est pas tout l’avion qui l’est). De cette manière, elle imprime au courant d'air un changement de direction. Le flux d'air va avoir un mouvement descendant et l’aile aura un mouvement ascendant, par réaction.

L’effet Coandă intervient car l’air suit le profil de l’aile.
Tout le monde n’est pas d’accord avec ça : certains auteurs préfèrent ne pas évoquer cet effet en le réservant pour des situations plus spécifiques. À la place, ils invoquent un principe de cause à effet entre Bernoulli et la troisième loi de Newton : la faible pression juste au contact de l’aile force l’air à coller à l’aile et se retrouve dévié vers le bas.
Ce problème de terminologie ne change rien car le résultat est le même, à savoir que l’écoulement de l’air épouse le profil de l’aile, vers le bas :

écoulement de l’air sur une aile
↑ L’air au dessus de l’aile suit la courbe de l’aile (image)

La 3e loi de Newton dit qu’à toute force exercée dans un sens, il y a une force associée s'exerçant dans le sens opposé avec la même intensité. C'est le principe d'action-réaction. Donc, quand l’air est poussée vers le bas, l’avion est poussée vers le haut.

Dans le cas des ailes qui sont effectivement asymétriques, l’air passant au dessus est le seul qui est dévié, et poussé vers le bas (l’air en dessous continue pratiquement en ligne droite). Ceci permet de réduire la portance pour les avions supersoniques : la vitesse produisant d’elle-même une portance suffisante. Le même avion à faible vitesse doit en revanche utiliser des ailerons lors du décollage et de l’atterrissage, pour compenser.

Pour les hélicoptères et les hélices en général, c’est la même chose. Lorsque l’hélicoptère est au sol et que les palles tournent sans soulever l’appareil, leur profil est parallèle au sol : les palles ne font que passer dans l’air sans le dévier (la palle étant placée parallèle au flux d’air, on dit que l’hélice est mis en drapeau). Quand le pilote décide de décoller, les palles sont inclinées, l’air est poussé vers le bas et l’hélicoptère s’élève. Ceci permet de modifier la portance sans avoir à toucher à la vitesse de rotation de l’hélice et à celui du moteur, qui est généralement prévu pour fonctionner à régime fixe et constant.

Le même principe est utilisé pour le gouvernail des navires : il s’agit en simplifiant d’une planche qui dévie l’écoulement de l’eau dans un sens, provoquant un virage du bateau dans l’autre sens. Le profil du gouvernail n’est pas tellement important pour obtenir cet effet.

Enfin, un dernier truc : sur l’image ci-dessus, on voit que le flux d’air commence à monter bien avant l’aile. Ceci est dû à la compression de l’air au dessous de l’aile et qui repousse l’air jusqu’à plusieurs mètres autour de la surface inférieure de l’aile. Cette compression est due à l’avancement de l’avion, et elle participe également de façon directe (en poussant l’aile vers le haut) et indirecte (en forçant l’air sous l’aile à dévier vers le bas) à la portance de l’avion.

Conclusion

La principale raison de la portance d'un avion est que l'aile pousse le flux d'air vers le bas, et que par réaction l'aile est poussée vers le haut haut

En pratique, il y a beaucoup d’effets d’aérodynamique qui interviennent. Le débat reste ouvert car la théorie qui se base sur l’effet Coandă et la loi de Newton n’expliquent toujours pas tout, comme par exemple l’effet de sol, qui a besoin de théories beaucoup plus compliquées issues de la dynamique des fluides.

Il reste néanmoins des constantes dans tous les cas :

  • l’effet de Bernoulli existe et est un effet réel. Néanmoins, l’explication populaire qui l’évoque ne suffit pas à expliquer ce qu’on observe. De plus, les hypothèses de départ invoquées dans cette théorie sont fausses.
  • l’explication évoquant l’effet de Bernoulli requiert un profil d’aile asymétrique, or certains avions ont des ailes à profil symétrique (et même plats).
  • l’aérodynamique est compliquée et il faut prendre en compte beaucoup d’effets combinés pour expliquer toutes les situations. Tout n’est pas encore expliqué non plus.
  • dans certains cas, il existe des conditions limites pour que les effets Coandă et celui de Newton puissent soutenir l’avion en l’air.

Liens

Références

Deux autres articles en français sur le sujet :

Voir aussi

photo d’entête de NMK Photography

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici, avec ses commentaires, et de le compléter)

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piscine nucléaire avec radiation de cherenkov
Tout le monde sait que l’eau est une molécule qui se note $\text{H}_2\text{O}$ : deux atomes d’hydrogène pour un atome d’oxygène.

L’hydrogène est l’élément le plus simple, constitué d’un proton et d’un électron. Certains atomes d’hydrogène sont différents : ils ont un neutron en plus. Les éléments avec plus ou moins de neutrons sont appelés des isotopes. L’isotope de l’hydrogène est appelée deutérium — symbole $\text{D}$ ou $^2\text{H}$. Le deutérium est un atome stable qui possède globalement les mêmes propriétés chimiques que l’hydrogène (ce qui est normal car ça reste de l’hydrogène). Il peut donc se retrouver dans les molécules ordinaires, comme l’eau.

Ainsi, en formant une molécule d’eau avec deux atomes de deutérium, soit du $\text{D}_2\text{O}$, la molécule possède deux neutrons en plus et elle pèse donc plus lourd : on parle alors d’eau lourde. La différence en de masse par rapport à une molécule d’eau normale est tout de même de 10 %.

Cette différence est suffisante pour être visible : par exemple, un glaçon d’eau lourde coule dans de l’eau normale (alors que les glaçons normaux flottent).

Dans la nature, seulement 0,015 6 % de l’hydrogène est du deutérium. Statistiquement, donc, une molécule d’eau sur 41 000 000 est de l’eau lourde, et une molécule d’eau sur 3 200 voit un seul hydrogène remplacé par du deutérium. On appelle cette dernière eau semi-lourde.

Des procédés, existent pour extraire l’eau lourde à partir d’eau normale : la température d’ébullition de l’eau lourde est très légèrement supérieure à l’eau normale et on peu le distiller ainsi. On utilise aussi des systèmes de centrifugeuses.
Pour finir sur le deutérium et vous donner une idée, sachez que vous trouverez un peu moins de deux grammes d’eau semi-lourde dans un pack d’eau de source. Et votre corps, constitué majoritairement d’eau, contient également 5 à 10 grammes d’eau semi-lourde (et seulement quelques milligrammes d’eau lourde) !

Maintenant, de même qu’il existe des isotopes d’hydrogène, il existe des isotopes d’oxygène, eux aussi plus lourds que la normale : par exemple l’oxygène 18 avec deux neutrons supplémentaires.
Si on a deux hydrogènes normaux sur un atome de $^{18}\text{O}$, on obtient de l’eau lourde aussi, mais pas pour les mêmes raisons et elle n’est pas vraiment considérée comme de « l’eau lourde » (en fait on le désigne sous le nom « eau à oxygène lourd »).

Vous l’aurez compris : il est également de faire de l’eau super-lourde : avec deux atomes de deutérium sur un atome $^{18}\text{O}$. Cette molécule d’eau possède 4 neutrons supplémentaires et pèse 20 % de plus que l’eau normale.

Enfin, il se trouve que l’hydrogène a un second isotope naturel, beaucoup plus rare (et instable) : le tritium — symbole $\text{T}$ ou $^3\text{H}$ — avec deux neutrons en plus.
Là aussi, il est imaginable d’avoir une molécule contenant un atome $^{18}\text{O}$ et deux atomes de tritium. Une telle molécule serait excessivement rare dans la nature : statistiquement, on a seulement une chance sur 50 milliard de milliard de milliard de la trouver. Cette molécule a un excès de masse de 30 %

Il est impensable de produire des quantités d’eau super-super-lourde avec du tritium et un isotope d’oxygène. Mais l’eau lourde classique, le $\text{D}_2\text{O}$ n’est pas un produit rare (tout est relatif, hein) et est utilisé dans le domaine médical et l’industrie nucléaire.

image du Oak Ridge National Laboratory

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici, avec ses commentaires)

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Les sources lumineuses au tritium gazeux (ou GTLS de l’anglais gaseous tritium light source) sont des tubes en verre ou en plastique renfermant du tritium. Quand la nuit tombe ou que la luminosité baisse, ces tubes émettent une lumière continue sans pile, branchements, ou autre source externe d’énergie :

des tubes au tritium
↑ des tubes au tritium (image)

Ils sont utilisés comme gadget en porte clé, sur les aiguilles de montres ou d’autres cadrans, et pour un usage plus sérieux dans certains vieux signes « Sortie de Secours » qui doivent être allumés constamment, y compris la nuit et surtout en cas de coupure de courant. Ces sources lumineuses fonctionnent durant plusieurs dizaines d’années de façon autonome (même si elles perdent 50 % de luminosité tous les quinze ans).

Le fonctionnement est relativement simple et est permis grâce à la radioactivité du tritium.

Le tritium (symbole ${^3}\text{H}$, ou $\text{T}$) est un gaz qui se désintègre selon la radioactivité bêta en libérant un électron. Les parois du tube sont recouverts d’une surface phosphorescente qui émet de la lumière quand il est frappé par l’électron du tritium.

Ce principe utilisant du tritium existe depuis les années 1970, mais la luminescence à partir d’une source radioactive, ou radio-luminescence, existe depuis plus longtemps. Certains vieilles montres du début du 19e siècle et avec les aiguilles lumineuses utilisaient du radium comme source radioactive.
Les personnes, souvent des femmes, chargées d’appliquer cette peinture sur les cadrans développaient à la longue des cancers et mourraient prématurément. C’était avant que la nocivité de la radioactivité avait été découverte, à l’époque où on pensait que manger du radium ou du thorium (dans du chocolat au radium ou de la pâte dentifrice au thorium) donnait de l’énergie. Ces peintures ont depuis été interdites et les maladies liées à elles reconnues, non sans procès et scandales, connus sous le nom de Radium Girls

Plus conscient de la radiotoxicité de ces matériaux, et même si les tubes au tritium ne sont pas mangés et contiennent des quantités infimes de gaz, la plupart des signes « sortie de secours » sont désormais remplacés par des lumières alimentées par des piles à longue durée de vie.

Ces tubes lumineux au tritium gazeux sont un de ces quelques objets du « presque-quotidien » qui contiennent une source radioactive pour fonctionner. Un autre exemple est le détecteur de fumée, dont les anciens modèles contiennent tous une source d’américium 241, un autre élément radioactif (là aussi, les nouveaux modèles utilisent un système à LED).

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