1
00:00:40,000 --> 00:00:42,000
OK Georges

2
00:01:02,500 --> 00:01:07,500
Dans la série de nos nouvelles expériences, la vitesse d'un corps est liée à son énergie cinétique
de la manière suivante:

3
00:01:09,000 --> 00:01:17,400
Cette relation newtonienne s'applique même lorsqu'on utilise des vitesses comme celle d'une fusée
ou celle de notre Terre sur son orbite autour du Soleil.

4
00:01:18,000 --> 00:01:23,400
Nous allons utiliser des vitesses bien plus élevées que celles-ci,
et voir si cette relation est toujours valable.

5
00:01:24,000 --> 00:01:38,700
Comme vous pouvez voir, pour les vitesses dont nous avons l'habitude,
le carré de la vitesse est proportionnel au rapport entre l'énergie cinétique et la masse.

6
00:01:38,900 --> 00:01:46,500
Par conséquent, afin d'atteindre une vitesse très élevée pour une quantité d'énergie donnée,
nous devrions travailler avec des particules de masse réduite.

7
00:01:47,000 --> 00:01:48,500
Nous allons donc utiliser l'électron.

8
00:01:49,800 --> 00:01:55,200
Ici nous avons posé cette relation newtonienne pour les électrons.

9
00:01:55,800 --> 00:02:02,500
Cette ligne droite représente le carré de la vitesse en fonction de l'énergie cinétique.

10
00:02:03,500 --> 00:02:13,600
Du fait des énergies disponibles dans ce laboratoire, nous avons placé l'énergie cinétique
sur l'axe horizontal en unités de millions d'électron-volts.

11
00:02:14,200 --> 00:02:25,800
1 eV est l'énergie acquise par un électron soumis à une différence de potentiel d'1 volt,
c'est-à-dire 1,6 x 10 -16 joules.

12
00:02:26,800 --> 00:02:35,600
L'axe vertical représente la carré de la vitesse en unités de 10 16 m²/s².

13
00:02:36,200 --> 00:02:39,600
Le carré de la vitesse de la lumière par exemple est ici :

14
00:02:40,000 --> 00:02:45,600
9 x 10 16 m²/s².

15
00:02:47,900 --> 00:02:52,600
Le carré de 2 fois la vitesse de la lumière est ici.

16
00:02:54,500 --> 00:03:03,000
D'après la prédiction newtonienne, lorsque nous utilisons des millions d'eV,
nous pouvons espérer obtenir des vitesses loin là-haut.

17
00:03:03,200 --> 00:03:09,200
Ces vitesses sont énormes, si on les compare, disons, à la vitesse de la Terre
en mouvement autour du Soleil.

18
00:03:09,800 --> 00:03:15,300
Il nous faudrait la placer très bas ici, totalement invisible à cette échelle.

19
00:03:17,500 --> 00:03:24,200
Pour effectuer ces expériences à très hautes vitesses,
nous travaillons au laboratoire de l'accélérateur linéaire du MIT ...

20
00:03:24,500 --> 00:03:27,200
... et c'est cet appareil particulier que nous allons utiliser.

21
00:03:28,000 --> 00:03:34,600
Ici se trouve la source de nos électrons.
Ils sont émis sous vide par une cathode chaude placée à cet endroit.

22
00:03:35,000 --> 00:03:39,800
Par ailleurs c'est ici que se trouve la courroie de notre générateur électrostatique Van de Graaff.

23
00:03:40,200 --> 00:03:48,300
Lorsque notre générateur électrostatique est installé et en fonctionnement
la différence de potentiel d'un bout à l'autre du système, entre ici et là,
est peut-être d'un million de volts.

24
00:03:49,200 --> 00:03:56,500
Du fait que cette tension est distribuée uniformèment entre ces plaques,
il y a un champ électrique dans cette région qui accèlère les électrons ...

25
00:03:56,700 --> 00:04:03,800
... lorsqu'ils se déplacent à travers les orifices des plaques depuis
la source émettrice où se trouve la cathode jusqu'à cette extrémité.

26
00:04:04,000 --> 00:04:11,300
Quand les électrons atteignent cette extrémité,
ils ont acquis une énergie cinétique égale à leur charge
multipliée par la tension fournie par le Van de Graaff.

27
00:04:12,000 --> 00:04:17,000
Puis les électrons pénètrent dans ce système de couplage métallique sous vide,
et ils se déplacent le long du champ électrique.

28
00:04:17,200 --> 00:04:21,300
Et comme il n'y a plus de  champ électrique,
ils ne font que suivre leur trajectoire sans changer de vitesse.

29
00:04:23,532 --> 00:04:28,333
Avant de suivre plus loin le trajet des électrons,
insistons sur le fait que cet émetteur d'électrons ne fonctionne pas en continu.

30
00:04:29,191 --> 00:04:42,062
Il est actionné périodiquement par ce générateur d'impulsions,
pendant de très courts intervalles de temps: 3x10 -9 secondes, 3 millimicrosecondes.
Cette durée est courte comparée à tous les intervalles de temps de notre expérience.

31
00:04:42,920 --> 00:04:47,584
Ainsi il y a beaucoup d'électrons dans un paquet d'émission,
et la totalité du paquet se déplace ensemble.

32
00:04:47,585 --> 00:04:58,616
Nous allons mesurer la vitesse d'une telle émission.
Mais puisque chaque électron dans un paquet
a environ la même énergie, et donc la même vitesse,
cela revient à mesurer la vitesse de chaque électron individuellement.

33
00:04:58,941 --> 00:05:00,983
Suivons un paquet d'électrons.

34
00:05:04,725 --> 00:05:17,482
Il traverse ce système de couplage métallique ici, navigant toujours librement,
passe cette valve métallique qui est ouverte, traverse cette paroi de protection,
et ici entre dans le tube métallique de l'accélérateur linéaire.

35
00:05:17,783 --> 00:05:22,916
Pendant la plus grande partie de notre expérience
l'accélérateur linéaire ne sera pas actionné.

36
00:05:23,646 --> 00:05:31,399
Tout ce mécanisme compliqué ici n'aura aucune action.
Nous n'utiliserons que ce long tuyau de métal, à l'intérieur, ici.

37
00:05:31,500 --> 00:05:42,753
Il n'y a rien dedans. Il est vide d'air et exempt de champ électrique.
Il fera un bon guidage pour un paquet d'électrons
qui peut avancer librement tout le long du tube métallique.

38
00:05:46,817 --> 00:05:53,169
Pour trouver la vitesse des électrons, nous allons mesurer le temps qu'il leur faut
pour aller d'une extrémité du tube à l'autre.

39
00:05:53,470 --> 00:05:58,485
Notre premier emplacement de mesure se trouve ici
lorsque les électrons entrent dans le tube.

40
00:05:58,486 --> 00:06:05,579
Nous allons mesurer le temps qu'il faut à un paquet d'électrons pour parcourir
depuis ici leur trajet le long du tube,  ...

41
00:06:11,419 --> 00:06:20,843
... jusqu'au bout ici, à travers cette paroi de deux pieds d'épaisseur jusqu'à l'espace cible où il
terminera son vol en s'écrasant sur un disque d'aluminium.

42
00:06:21,244 --> 00:06:28,326
La distance entre le disque d'aluminium et la position de départ est de 8,40 mètres.

43
00:06:29,670 --> 00:06:40,574
Pour réaliser cette mesure de temps, nous allons faire en sorte que le paquet d'électrons
produise un premier signal à ce premier emplacement
et un autre signal lorsqu'il s'écrase sur le disque d'aluminium là-bas.

44
00:06:40,675 --> 00:06:48,813
Pour obtenir le premier signal, nous avons placé un court morceau de tube métallique
comme celui-ci, à l'intérieur du tuyau,ici.

45
00:06:50,356 --> 00:07:03,567
Le tube est isolé du tuyau, de sorte que, quand un paquet d'électrons le traverse,
les électrons lui  transfèrent une charge  et nous donnent un signal électrique
qui sort par le coupleur en T et le fil blanc en dessous.

46
00:07:03,568 --> 00:07:07,673
Ce signal nous informe lorsqu'un paquet d'électrons est en train de passer.

47
00:07:08,340 --> 00:07:16,136
C'est notre premier signal. Nous obtenons notre second signal
au niveau du disque d'aluminium, lorsque le paquet d'électrons s'écrase sur lui.

48
00:07:16,426 --> 00:07:18,150
Allons voir là-bas.

49
00:07:32,654 --> 00:07:34,163
Nous  sommes dans la salle où se trouve la  cible.

50
00:07:34,540 --> 00:07:40,238
Ceci est le même tuyau que nous avons vu de l'autre côté de la paroi de 2 pieds d'épaisseur.

51
00:07:40,273 --> 00:07:51,541
Les électrons sortent d'ici et pénètrent dans ce réceptacle qui,
lorsque nous ferons l'expérience, sera fixé ici de cette manière. On y fera ensuite le vide.

52
00:07:51,542 --> 00:08:04,342
Les électrons frappent ce disque d'aluminium, et nous l'avons fabriqué suffisamment épais
pour qu'aucun électron ne puiss le traverser, ce qui signifie que chaque électron
d'une émission s'arrêtera dans le disque.

53
00:08:04,577 --> 00:08:13,957
Le disque est isolé du réceptacle métallique
et l'arrivée d'un paquet d'électrons produit un signal qui sort ici.

54
00:08:14,448 --> 00:08:19,792
Observons le dispositif : un signal à l'autre extrémité et un signal ici.

55
00:08:23,070 --> 00:08:27,754
Lorsque tout l'appareillage sera assemblé, nous serons prêts pour l'expérience.

56
00:09:14,567 --> 00:09:19,891
Il y a un vide satisfaisant dans le tube de l'accélérateur linéaire.
Le Van de Graaff fonctionne correctement.

57
00:09:20,181 --> 00:09:23,040
Nous sommes prêts à envoyer un paquet d'électrons dans le tuyau.

58
00:09:23,141 --> 00:09:28,402
Nous allons utiliser cet oscilloscope comme timer. Je le mets sous tension.

59
00:09:28,502 --> 00:09:34,701
Comme vous avez pu le voir, l'oscilloscope  est déjà connecté à la position de départ
par ce court câble blanc ...

60
00:09:34,867 --> 00:09:41,267
... qui transmet le signal et actionne le déclenchement chaque fois qu'un paquet d'électrons part dans le tuyau.

61
00:09:43,716 --> 00:09:47,337
Je mets le faisceau en route. Vous voyez la trace.

62
00:09:47,338 --> 00:09:51,746
Nous utilisons cet oscilloscope avec son réglage de balayage le plus rapide.

63
00:09:51,747 --> 00:10:05,243
Lors du réglage, le spot qui crée une trace se déplace à travers les grandes divisions
en un petit peu moins de 10-8 secondes,en fait 0,98 x 10-8 s.

64
00:10:08,012 --> 00:10:16,124
Maintenant pour acheminer le signal du départ et de l'arrivée sur l'oscilloscope
nous utiliserons ces 2 câbles longs ici.

65
00:10:16,225 --> 00:10:24,653
Nous utiliserons ce câble pour amener le signal depuis le début du parcours,
et celui-ci pour le signal venant de la fin du parcours.

66
00:10:24,754 --> 00:10:27,481
Maintenant j'arrête le faisceau.

67
00:10:27,482 --> 00:10:29,767
J'amène ce câble à l'emplacement de départ.

68
00:10:35,220 --> 00:10:39,941
Ici nous sommes connectés au petit tube court à l'intérieur du tuyau.

69
00:10:40,425 --> 00:10:44,660
Ainsi il transmettra le signal de départ à l'oscilloscope.

70
00:10:45,873 --> 00:10:51,718
C'est le signal qui nous indique le moment où le paquet d'électrons s'élance
dans la longueur du tuyau.

71
00:10:51,719 --> 00:11:02,290
Le signal suit ce câble et entre ici dans l'oscilloscope.

72
00:11:07,959 --> 00:11:09,074
Je mets en route le faisceau.

73
00:11:10,108 --> 00:11:13,161
Ici vous voyez apparaître un signal sur la trace.

74
00:11:13,662 --> 00:11:25,987
Notons que notre dispositif déclenche le canon à électrons 120 fois par seconde,
de sorte qu'il y a 120 balayages par seconde créant cette image
sur l'écran de l'oscilloscope.

75
00:11:26,596 --> 00:11:31,723
Le signal reste cependant stable
car chaque émission est exactement la même que celle qui l'a précédée.

76
00:11:34,282 --> 00:11:41,919
Maintenant voici l'autre câble, celui qui transporte le second signal
depuis le disque aluminium de la salle cible où les électrons s'écrasent.

77
00:11:41,920 --> 00:11:52,890
Ces 2 câbles sont rigoureusement semblables,
de sorte que si nous faisons partir les signaux simultanément,
ils arriveront simultanément à l'oscilloscope ...

78
00:11:54,697 --> 00:11:57,098
... et apparaîtront comme un seul signal sur l'écran.

79
00:11:57,299 --> 00:11:58,399
Je vais vous montrer.

80
00:12:03,292 --> 00:12:08,220
Je branche le second câble ici avec le premier à l'emplacement de départ.

81
00:12:08,342 --> 00:12:17,733
Vous vous souvenez que le câble blanc court en-dessous
transmet le signal de déclenchement du balayage
tandis que ces câbles plus longs et identiques vont transmettre les signaux temporels.

82
00:12:17,734 --> 00:12:21,012
Maintenant je remets en route le faisceau.

83
00:12:21,667 --> 00:12:24,480
Vous voyez un signal sur l'écran de l'oscilloscope.

84
00:12:26,859 --> 00:12:29,463
Je débranche le premier câble.

85
00:12:31,782 --> 00:12:37,580
Vous voyez que le signal arrivant par le second câble, seul à être branché,
est au même endroit que celui du premier signal.

86
00:12:38,590 --> 00:12:39,581
Je les rebranche tous les deux.

87
00:12:44,460 --> 00:12:46,557
Une fois de plus nous avons un signal plus important.

88
00:12:48,999 --> 00:12:55,129
Donc les signaux démarrent dans ces câbles simultanément
et apparaissent simultanément sur l'oscilloscope.

89
00:12:55,800 --> 00:12:57,985
Les câbles sont rigoureusement identiques.

90
00:13:00,617 --> 00:13:12,866
Maintenant nous allons emmener le branchement du second câble
à l'autre extrémité de l'accélérateur linéaire
en le passant à travers une ouverture dans la paroi épaisse de la salle cible.

91
00:13:15,355 --> 00:13:18,313
Nous le branchons dans le disque d'aluminium cible.

92
00:13:19,086 --> 00:13:25,841
Nous savons que le signal issu du disque partira alors le long de ce câble
et arrivera ensuite à l'oscilloscope, ...

93
00:13:25,913 --> 00:13:30,851
... juste le temps qu'il faut
à l'émission d'électrons pour parcourir le tuyau.

94
00:13:31,036 --> 00:13:31,952
Le dispositif  est maintenant en place.

95
00:13:32,253 --> 00:13:34,618
Je remets en route le faisceau.

96
00:13:34,719 --> 00:13:35,819
Je règle le gain.

97
00:13:37,623 --> 00:13:39,872
Il y a maintenant 2 signaux sur l'écran.

98
00:13:40,472 --> 00:13:44,781
Comme auparavant le signal de gauche a été produit
lorsque le paquet d'électrons a démarré son trajet, ...

99
00:13:44,782 --> 00:13:51,415
... et le signal de droite lorsque le paquet a été arrêté par le disque d'aluminium
à la fin de son parcours de 8,40 m.

100
00:13:52,778 --> 00:14:00,132
Par conséquent, à partir de la distance entre ces 2 traces de l'oscilloscope,
nous pouvons calculer le temps de parcours et, de là, la vitesse des électrons.

101
00:14:00,133 --> 00:14:02,133
Faisons-le.

102
00:14:02,254 --> 00:14:19,116
La séparation du signal de gauche est 1, 2, 3 grandes divisions,
et 2, 3 dizièmes d'une autre, c'est à dire 3,3 divisions de celle de droite.

103
00:14:19,117 --> 00:14:30,019
Maintenant pour calculer le temps de parcours, nous multiplions cette séparation, 3,3 divisions,
par le temps qu'il faut au spot pour parcourir une de ces divisions,  ...

104
00:14:30,054 --> 00:14:39,218
... vous vous souvenez: 0,98 x 10-8 seconde.
On obtient un peu plus de 3,2 x 10-8 seconde.

105
00:14:39,799 --> 00:14:50,536
Pour calculer la vitesse on doit diviser la distance de trajet,
vous vous souvenez, 8,40 m par le temps de parcours, ...

106
00:14:51,360 --> 00:14:55,669
... et nous obtenons environ 2,6 x 10 8 m/s.

107
00:14:55,770 --> 00:14:56,870
Nous allons l'écrire ici.

108
00:14:59,162 --> 00:15:09,273
La vitesse en unités de 10 8 m/s est de 2,6.

109
00:15:11,209 --> 00:15:16,173
C'est la vitesse d'un paquet d'électrons, au moment où ils traversent le Van de Graaff.

110
00:15:19,527 --> 00:15:22,533
L'appareil donne 0,5 million de volts.

111
00:15:22,634 --> 00:15:29,977
De sorte que nous pouvons dire que l'énergie de chaque électron est de 0,5 MeV.

112
00:15:30,173 --> 00:15:31,678
Reportons ça sur notre graphique.

113
00:15:33,507 --> 00:15:34,596
Je l'écris d'abord ici.

114
00:15:34,838 --> 00:15:44,161
L'énergie cinétique en unités de MeV est de 0,5.

115
00:15:49,550 --> 00:15:51,174
Je dois élever au carré la vitesse.

116
00:15:58,708 --> 00:16:09,821
Ca donne environ 6,8.
Donc la vitesse au carré est d'environ 6,8 x 10 16 m²/s².

117
00:16:10,384 --> 00:16:22,914
Et à 0.5, 0,5 MeV, le point est à peu près ici.

118
00:16:26,559 --> 00:16:31,215
Et bien, notre résultat est très éloigné de la prédiction de la mécanique newtonnienne.

119
00:16:32,977 --> 00:16:35,558
Essayons un autre parcours d'électrons, à un niveau d'énergie plus élevé.

120
00:16:46,371 --> 00:16:52,254
J'augmente la tension du générateur Van de Graaff à 1 million de V, c'est à dire le double de précèdemment.

121
00:16:57,143 --> 00:17:03,559
Cela signifie que nous donnons aux électrons une énergie de 1 MeV.

122
00:17:06,327 --> 00:17:09,998
Maintenant son  temps de vol est plus faible que précédemment.

123
00:17:11,086 --> 00:17:16,677
Sa valeur est proche de 3,1 divisions

124
00:17:18,658 --> 00:17:22,536
La vitesse est alors d'environ 2,8 ...

125
00:17:26,658 --> 00:17:28,136
... dans cette unité.

126
00:17:29,257 --> 00:17:32,331
Le carré de la vitesse ...

127
00:17:34,028 --> 00:17:36,024
... est d'environ 7,8.

128
00:17:37,686 --> 00:17:46,756
A 1MeV, 7,8 x 10 16 m²/s² est tracé ici.

129
00:17:53,686 --> 00:17:57,756
Ce résultat est très éloigné de la prévision de la mécanique newtonienne.

130
00:18:00,399 --> 00:18:02,548
Nous avons besoin d'autres données pour voir ce qui se passe.

131
00:18:03,082 --> 00:18:05,969
Nous allons pousser le Van de Graaff au maximum de ses possibilités.

132
00:18:11,566 --> 00:18:14,331
Il nous donne 1,5 MeV.

133
00:18:15,225 --> 00:18:22,384
L'énergie cinétique serait 3 fois plus élevée qu'à notre premier essai.

134
00:18:23,561 --> 00:18:28,291
Cette fois les deux impulsions sont un peu à gauche des lignes des grandes divisions, ...

135
00:18:29,233 --> 00:18:31,883
... l'impulsion de droite un peu plus que l'impulsion de gauche.

136
00:18:31,923 --> 00:18:37,046
La séparation est d'environ 2,95 divisions.

137
00:18:39,368 --> 00:18:46,264
Ce qui nous donne une vitesse de 2,9 x 10 8 m/s.

138
00:18:47,888 --> 00:18:50,556
2,9 au carré donne environ 8,4.

139
00:18:50,657 --> 00:18:59,910
A 1,5 MeV, 8,4 se trouve à peu près ici.

140
00:19:04,651 --> 00:19:09,339
Cette augmentation massive de l'énergie
n'apporte pas une augmentation aussi élevée de la vitesse.

141
00:19:09,726 --> 00:19:13,342
Mais voyons ce qu'il advient de la vitesse avec des énergies plus élevées.

142
00:19:16,197 --> 00:19:22,391
Nous ne pouvons pas pousser le Van de Graaff plus haut,
mais nous pouvons obtenir davantage d'énergie en utilisant l'énergie de l'accélérateur.

143
00:19:26,620 --> 00:19:31,837
Nous nous servirons seulement de cette première section ici, d'un mètre de long.
Voilà ce que nous allons faire.

144
00:19:31,981 --> 00:19:35,442
Nous allons maintenir le Van de Graaff réglé sur 1,5 million de V, ...

145
00:19:35,443 --> 00:19:41,894
... de sorte que lorsque les électrons d'un paquet arriveront à ce point,
ils auront déjà une énergie cinétique égale à 1,5 MeV.

146
00:19:42,372 --> 00:19:46,968
Lorsque le paquet atteindra cet endroit de l'accélérateur, cette section sera activée.

147
00:19:47,937 --> 00:19:59,340
Les électrons à l'intérieur vont être propulsés par le champ électrique
d'une onde électromagnétique générée par notre source ici,
et transmise par ondes à ce segment de l'accélérateur.

148
00:20:01,434 --> 00:20:08,621
Lorsque le paquet sortira de l'extrémité de cette section, les électrons
- chacun d'entre eux - auront acquis une énergie d'environ 4,5 MeV.

149
00:20:09,127 --> 00:20:13,703
Donc pendant environ 1 mètre de notre parcours-temps jusqu'ici, ...

150
00:20:14,280 --> 00:20:27,324
les électrons voyagent à une vitesse correspondant à 1,5 MeV.
A partir d'ici, pendant 7,40 mètres, ils se déplacent à une vitesse correspondant à 4,5 MeV.

151
00:20:29,033 --> 00:20:35,275
Ce qui signifie que, sur la plus grande partie de son parcours,
le paquet voyage à une vitesse correspondant à sa nouvelle énergie.

152
00:20:35,276 --> 00:20:37,945
Maintenant nous allons mettre en route l'accélérateur linéaire.

153
00:21:00,066 --> 00:21:05,151
Avec une énergie à peu près triplée,
nous pouvons nous attendre à un accroissement sensible de la vitesse.

154
00:21:08,836 --> 00:21:10,219
Allons jeter un coup d'oeil.

155
00:21:11,057 --> 00:21:12,901
Faisceau activé

156
00:21:14,705 --> 00:21:17,310
Il s'avère que la seconde impulsion a diminué un peu d'intensité.

157
00:21:18,412 --> 00:21:26,474
La séparation est de 2,9, ce qui nous donne  une vitesse autour de 3.

158
00:21:26,992 --> 00:21:37,683
Donc avec le Van de Graaff, sur un segment de l'accélérateur activé,
nous avons une énergie de 4,5 MeV et une vitesse arrondie à 3.

159
00:21:39,149 --> 00:21:44,364
Le carré de la vitesse se place ici, un peu en-dessous de 9.

160
00:21:51,574 --> 00:21:57,453
Bien que nous ayons triplé l'énergie,
nous n'avons qu'une très petite modification de la vitesse.

161
00:21:57,654 --> 00:22:08,631
En réalité, du fait que ce graphique ralentit sa croissance,
il semble qu'il y ait une limite à la vitesse que peut prendre un électron,
quelle que soit la manière dont on augmente l'énergie.

162
00:22:08,859 --> 00:22:19,041
Et à partir de ce que nous pouvons voir ici,
cette limite pourrait bien être la vitesse de la lumière,
dont le carré est de 9 x 10 16 m²/s².

163
00:22:27,726 --> 00:22:32,383
La manière dont la vitesse s'approche d'une limite sur notre
graphique est à l'opposé de ce que nous pensons intuitivement, ...

164
00:22:32,384 --> 00:22:35,774
... que plus nous accélérons les électrons, plus ils devraient se déplacer vite.

165
00:22:35,860 --> 00:22:41,797
Il serait donc mieux pour nous de vérifier notre expérience,
et de voir si nous faisons exactement ce que nous pensions faire.

166
00:22:41,908 --> 00:22:45,248
Or nous n'avons pas besoin de nous préoccuper de notre mesure de la vitesse,
elle était directe.

167
00:22:45,249 --> 00:22:52,105
C'est-à-dire que nous mesurons le temps mis par les électrons
pour parcourir une distance connue entre deux points.

168
00:22:53,633 --> 00:23:01,080
La distance divisée par le temps est une définition de la vitesse.
L'autre variable que nous pensions être en train de déterminer est l'énergie.

169
00:23:02,174 --> 00:23:08,680
Ici nous mesurons une différence de potentiel ou un champ électrique
dans le Van de Graaff et dans l'accélérateur linéaire.

170
00:23:09,788 --> 00:23:14,052
Et du fait que nous savons que les champs électriques poussent les charges
et leur transfèrent de l'énergie, ...

171
00:23:14,053 --> 00:23:23,575
... nous avons dit qu'un électron voyageant sous l'action d'une
différence de potentiel gagnait une quantité d'énergie cinétique
égale à sa charge multipliée par cette différence de potentiel.

172
00:23:24,176 --> 00:23:28,349
Mais est-ce que la totalité de cette énergie était
vraiment injectée dans le mouvement de l'électron ?

173
00:23:28,739 --> 00:23:34,634
Nous savons que toute cette d'énergie irait dans le mouvement d'un électron
à déplacement lent, mais est-ce encore vrai à des vitesses très élevées ?

174
00:23:35,834 --> 00:23:38,142
Il y a beaucoup de raisons d'en douter.

175
00:23:38,143 --> 00:23:46,746
Une possibilité est que nous avons réellement transféré
de l'énergie cinétique aux électrons,
mais que le matériel utilisé en a capté pendant le trajet.

176
00:23:47,418 --> 00:23:53,875
Pour tout un tas de raisons, notre lecture de la tension
peut ne pas refléter l'énergie cinétique finale des électrons, ...

177
00:23:53,876 --> 00:24:03,310
... et nous devons en conséquence opérer une mesure directe de l'énergie
pour vérifier que nous ajoutons réellement autant d'énergie que nous pensons le faire.

178
00:24:03,445 --> 00:24:05,687
Et nous nous y mettons tout de suite.

179
00:24:13,197 --> 00:24:18,780
Voici une seconde coupelle-cible sous forme d'un disque d'aluminium
exactement semblable à celui de la salle-cible.

180
00:24:18,781 --> 00:24:23,852
Vous vous souvenez que nous avons arrêté les électrons
en les capturant dans ce disque d'aluminium.

181
00:24:23,953 --> 00:24:27,864
Les électrons perdent leur énergie cinétique
au moment de leur collision avec les atomes d'aluminium, ...

182
00:24:27,865 --> 00:24:30,838
... et la plus grande partie de leur énergie disparaît en chauffant l'aluminium.

183
00:24:30,839 --> 00:24:36,454
Si bien qu'on peut mesurer l'énergie d'un paquet d'électrons
en déterminant le degré d'échauffement de l'aluminium.

184
00:24:36,555 --> 00:24:44,404
Et nous pouvons mesurer l'energie attachée à un électron en mesurant la charge
et en déterminant combien d'électrons ont apporté cette énergie.

185
00:24:44,505 --> 00:24:52,416
Ici sur le côté du disque nous avons inséré un thermo-couple
pour mesurer le changement de température du disque.

186
00:24:53,222 --> 00:25:06,746
Ces deux fils du thermo-couple sortent ici vers les câbles de connexion.
Ces câbles sont branchés ici à ce compteur.

187
00:25:08,862 --> 00:25:10,705
Vous pouvez voir que le compteur est au repos.

188
00:25:13,387 --> 00:25:19,686
Lorsque je pose la main sur le disque équipé de son thermo-couple l'aiguille dévie
du fait que la chaleur de ma main élève la température ...

189
00:25:19,687 --> 00:25:21,487
... du disque et du thermo-couple.

190
00:25:24,332 --> 00:25:32,475
Chaque petite division sur l'échelle de mesure de ce compteur
a été calibrée pour équivaloir à 0,8 joule d'énergie stockée dans le disque.

191
00:25:32,776 --> 00:25:39,918
0,8 joule pour pouvoir faire des mesures à mieux que 10% près sur des durées beaucoup plus courte qu'une heure.


192
00:25:41,657 --> 00:25:47,206
En même temps que nous mesurons la quantité de chaleur
nous pouvons mesurer la charge s'accumulant dans le disque, ...

193
00:25:47,307 --> 00:25:52,235
... en lui permettant  de sortir par ces deux bornes et de suivre
le long du fil relié au compteur de charge.

194
00:25:52,685 --> 00:26:04,174
Ce compteur de charge a déjà été relié à la coupelle dans la salle-cible
et a été calibré de sorte que chaque clic de son enregistreur
est équivalent à 7,6 x 10-8 coulombs.

195
00:26:06,190 --> 00:26:10,548
Nous allons laisser de côté cet autre exemplaire de la coupelle-cible.

196
00:26:15,580 --> 00:26:23,667
Ces câbles sont reliés à la coupelle-cible installée dans la salle-cible.
Je les connecte au compteur du thermocouple.

197
00:26:23,702 --> 00:26:31,178
Ainsi nous avons nos deux compteurs directement reliés au disque-cible.
Mettons les compteurs à zéro.

198
00:26:39,132 --> 00:26:43,992
Et avant de démarrer l'expérience, nous allons vérifier l'affichage du Van de Graaff.

199
00:26:45,818 --> 00:26:49,128
Il est réglé sur 1.5 million de V.

200
00:26:52,841 --> 00:26:54,466
Je déclenche le faisceau.

201
00:27:00,359 --> 00:27:08,618
Le compteur de charge cliquète. La charge arrive dans le disque-cible,
se déplace le long des câbles de connexion ...

202
00:27:09,434 --> 00:27:12,271
...  et s'accumule dans un condensateur dans le compteur de charge.

203
00:27:13,769 --> 00:27:16,844
Le mouvement de l'aiguille montre que la charge s'accumule dans le système.

204
00:27:17,636 --> 00:27:24,303
Lorsque la charge de 7,6 x 10 -8 coulombs a été captée, le condensateur se décharge.

205
00:27:25,164 --> 00:27:29,816
L'enregistreur avance d'un cran, l'aiguille revient au départ
et recommence à s'élever à nouveau.

206
00:27:30,481 --> 00:27:34,286
Ainsi l'appareil enregistre le nombre d'unités de charge accumulées.

207
00:27:35,230 --> 00:27:39,057
Egalement, lorsque les électrons s'écrasent sur le disque-cible, ...

208
00:27:39,058 --> 00:27:43,546
... ils lui transfèrent de l'énergie, la température du disque commence à s'élever, ...

209
00:27:47,386 --> 00:27:52,357
... et vous pouvez voir l'indicateur sur le cadran du compteur de thermocouple
commencer à se déplacer de zéro vers la droite.

210
00:27:57,229 --> 00:28:00,986
Je vais lire le résultat du compteur de thermocouple
lorsque le compteur de charge aura produit 80 déclics.

211
00:28:01,693 --> 00:28:03,093
Ca va prendre un certain temps.

212
00:28:11,145 --> 00:28:22,948
déclic 78 ... 79... 80.

213
00:28:22,949 --> 00:28:23,949
Faisceau coupé.

214
00:28:23,750 --> 00:28:36,476
12,5 divisions.

215
00:28:39,134 --> 00:28:50,277
Donc l'énergie apportée au disque est de 12,5 fois 0,8 joules.

216
00:28:53,186 --> 00:29:10,296
Et la charge apportée au disque est de 80 x 7,6 x 10 -8 coulombs.

217
00:29:12,735 --> 00:29:19,045
En conséquence, d'après nos thermo-mesures, ...

218
00:29:19,046 --> 00:29:38,965
... l'énergie de charge des électrons
est de: 12,5 x 0,8 divisé par 80 x 7,6 x 10 -8 joules / coulomb, ...

219
00:29:40,062 --> 00:30:00,342
... ce qui fait environ 1,6 x 10 6 joules / coul.

220
00:30:03,067 --> 00:30:04,706
Que pensons-nous avoir fait ici?

221
00:30:05,896 --> 00:30:10,242
D'après la lecture de la tension du Van de Graaff, ...

222
00:30:11,179 --> 00:30:23,596
...  l'énergie des électrons était de 1,5 x 10 6 eV par électron.

223
00:30:26,286 --> 00:30:41,492
Puisque 1 volt est la même chose que 1 joule / coulomb,
c'est là le même résultat que 1,5 x 10 6 joules / coulomb.

224
00:30:44,377 --> 00:30:50,901
Et le résultat plus faible de notre première mesure plus grossière
s'accorde avec notre mesure thermométrique directe.

225
00:30:52,685 --> 00:30:59,224
Nous allons laisser le Van de Graaff réglé sur 1,5 MV,
et allons activer le premier segment de l'accélérateur linéaire.

226
00:31:07,207 --> 00:31:08,180
Ca y est.

227
00:31:08,215 --> 00:31:12,994
C'est exactement comme lors de notre dernier essai de vitesse
lorsque nous pensions avoir 4,5 MeV.

228
00:31:16,927 --> 00:31:19,301
Le compteur est mis à zéro. Je lance le faisceau.

229
00:31:25,264 --> 00:31:28,022
De nouveau le compteur de charge cliquète.

230
00:31:35,998 --> 00:31:39,405
La charge s'accumule à peu près au même rythme qu'auparavant, ...

231
00:31:41,131 --> 00:31:43,252
... mais regardez le compteur du thermo couple.

232
00:31:47,332 --> 00:31:49,824
Il se déplace beaucoup plus vite cette fois.

233
00:31:55,885 --> 00:32:02,273
Exactement comme auparavant, nous allons lire le compteur du thermocouple
lorsque l'enregistreur de charge indique 80.

234
00:32:12,842 --> 00:32:14,660
Nous y sommes.

235
00:32:23,491 --> 00:32:26,977
36 et une demi-division.

236
00:32:29,255 --> 00:32:36,900
Et bien, c'est à peu près 3 fois la déviation de 12,5 divisions de l'aiguille 
que nous avions à 1,5 MeV.

237
00:32:36,901 --> 00:32:40,921
Pour la même charge, nous accumulons environ 3 fois plus d'énergie.

238
00:32:41,210 --> 00:32:46,993
Donc dans chacun de ces essais, nous avons réellement introduit autant d'énergie
dans le faisceau que nous estimions l'avoir fait.

239
00:32:46,994 --> 00:32:50,545
Et, ce qui est plus important, nous la dirigions sur une cible.

240
00:32:50,946 --> 00:32:55,889
Les électrons ont réellement l'énergie que nous leur attribuions
lorsque nous mesurions leur vitesse.

241
00:33:08,606 --> 00:33:11,355
Par cette expérience nous obtenons le résultat suivant : ...

242
00:33:12,682 --> 00:33:21,155
... lorsque nous augmentons l'énergie cinétique des électrons depuis 0,5 MeV
jusqu'à 4,5 MeV - et nous avons mesuré cette énergie -, ...

243
00:33:21,722 --> 00:33:26,278
...  il apparaît que la vitesse des électrons approche une valeur limite.

244
00:33:25,919 --> 00:33:36,288
Nous pouvons mesurer cette valeur limite :
c'est la vitesse de la lumière dans le vide : 3 x 10 8 m/s.

245
00:33:37,920 --> 00:33:41,162
Or nous n'avons en aucune façon épuisé ici nos ressources en énergie .

246
00:33:41,203 --> 00:33:45,693
En fait nous utilisons souvent cet accélérateur linéaire
dans des expériences impliquant des réactions nucléaires, ...

247
00:33:45,694 --> 00:33:51,929
... qui, si elles finissent par se produire, nécessitent des faisceaux d'électrons
avec des énergies de 15 MeV.

248
00:33:51,930 --> 00:33:54,984
De sorte que nous pouvons aisément passer à une étape supérieure
dans notre expérience.

249
00:33:58,352 --> 00:34:03,186
Comme vous vous rappelez, au cours de notre dernière mesure de vitesse,
- où nous n'avons utilisé que cette première section de tuyau  -, ...

250
00:34:03,387 --> 00:34:12,137
... le paquet d'électrons se déplaçait librement le long du tuyau
depuis ce point avec une énergie de 4,5 MeV.

251
00:34:12,849 --> 00:34:15,699
Maintenant nous pouvons activer toutes ces sections de l'accélérateur linéaire.

252
00:34:16,284 --> 00:34:23,593
Et alors, lorsque chaque électron se déplacera de section en section,
il sera propulsé de manière continue ...

253
00:34:23,694 --> 00:34:26,618
... par des champs électriques
générés par ces sources d'énergie.

254
00:34:26,819 --> 00:34:35,896
Lorsque les électrons sortiront de la dernière section de l'accélérateur linéaire,
chacun aura une énergie d'environ 15 MeV.

255
00:34:36,441 --> 00:34:40,059
C'est plus de 3 fois l'energie de notre mesure précédente.

256
00:34:40,260 --> 00:34:46,181
En conséquence, s'il y a une quelconque augmentation
de la vitesse moyenne liée à ce trajet, nous devrions la détecter.

257
00:35:26,193 --> 00:35:29,656
Chaque électron a maintenant une énergie de 15 MeV.

258
00:35:29,657 --> 00:35:31,629
A quoi vous attendez-vous?

259
00:35:35,876 --> 00:35:43,746
La séparation entre les signaux est à peu près la même
que dans notre parcours à 4,5 MeV : 2,9 divisions.

260
00:35:43,847 --> 00:35:46,156
Donc la vitesse n'a pas augmenté.

261
00:35:49,067 --> 00:35:57,408
Vous pouvez voir que notre courbe s'est vraiment stabilisée,
puisque la dernière énergie que nous venons d'appliquer se trouve environ ici.

262
00:35:58,038 --> 00:36:02,259
Clairement la prédiction de la mécanique newtonnienne n'explique pas ce résultat.

263
00:36:02,972 --> 00:36:07,918
Au début du XX° siècle, avant que des données de cette nature
à propos des vitesses élévées soient disponibles, ...

264
00:36:08,119 --> 00:36:12,425
... il était devenu évident qu'il fallait améliorer la théorie
du fait d'autres problèmes.

265
00:36:12,426 --> 00:36:16,516
Des problèmes tels que la relation de la mécanique newtonnienne
avec des phénomènes d'électromagnétisme.

266
00:36:16,962 --> 00:36:25,162
Einstein et d'autres ont étudié la question d'une meilleure adéquation,
selon la nouvelle mécanique qu'ils ont développée, la mécanique relativiste, ...

267
00:36:25,163 --> 00:36:31,840
...  pour décrire la relation entre ce carré et l'énergie cinétique pour les électrons
est la suivante :

268
00:36:44,229 --> 00:36:49,753
A des vitesses très lentes, cette nouvelle courbe et la courbe newtonnienne
se superposent normalement.

269
00:36:51,063 --> 00:36:56,250
A des vitesses élevées cette nouvelle courbe s'accorde aussi très bien
avec les faits que nous avons mis en évidence.

270
00:36:57,655 --> 00:37:02,491
Il y a une limite de vitesse pour n'importe quel objet
et cette limite est la vitesse de la lumière.

271
00:37:07,021 --> 00:37:14,894
Ce film a été conçu et préparé
par William Bertozzi et Francis L. Friedman
Il fait partie d'une série sur la relativité restreinte.

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00:37:15,902 --> 00:37:23,904
Traduction Jean-François MAGNIEN
Sous-titrage Pierre MAGNIEN