Contexte et objectif
Le dossier étudie la constante de Boltzmann, lien entre température thermodynamique et énergie microscopique, dans le contexte de la redéfinition du kelvin par une constante fondamentale. Il rassemble les principes physiques et les méthodes expérimentales utilisées pour déterminer cette constante.
Méthode
Deux voies métrologiques sont détaillées. La spectroscopie mesure l’élargissement Doppler d’une raie d’absorption de l’ammoniac à faible pression, autour de 10 µm et près du point triple de l’eau ; la largeur du profil de Maxwell-Boltzmann dépend du produit kT. La thermométrie acoustique déduit k de la vitesse du son dans un gaz rare placé dans un résonateur quasi sphérique, à partir de résonances acoustiques et électromagnétiques.
Mise en œuvre
L’étude décrit le contrôle de la fréquence et de l’intensité laser, la stabilisation thermique du gaz et l’analyse de la forme de raie pour la méthode spectroscopique. Pour la voie acoustique, elle examine la pureté du gaz, la pression, la température, la géométrie de la cavité et les perturbations de couplage fluide-structure qui influencent les fréquences mesurées.
Résultats et livrables
Le livrable est un rapport de synthèse de 33 pages réunissant définitions, relations physiques, dispositifs expérimentaux, résultats publiés et enjeux de la révision du Système international. Il expose notamment la valeur exacte fixée depuis 2019, 1,380 649 × 10⁻²³ J·K⁻¹, et le rôle des travaux spectroscopiques et acoustiques dans cette redéfinition.
Enseignements
Le projet montre qu’une constante fondamentale relie modèles statistiques, mesures macroscopiques et définition des unités. Il met aussi en évidence la nécessité d’un budget d’incertitude : contrôle thermique, forme de raie, composition du gaz, géométrie et couplages deviennent déterminants lorsque la mesure vise la métrologie de référence.