Constante physique

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En science, une constante physique est une quantité physique dont la valeur numérique est fixe. Contrairement à une constante mathématique, elle implique directement une grandeur physiquement mesurable.

Les valeurs listées ci-dessous sont des valeurs dont on a remarqué qu'elles semblaient constantes et indépendantes de tous paramètres utilisés, et que la théorie suppose donc réellement constantes.

Les constantes sans dimension, comme la constante de structure fine, ne dépendent pas du système de poids et mesures utilisé. Les autres auraient évidemment des valeurs différentes dans des systèmes différents. Des systèmes (par exemple les unités de Planck) ont été proposés sur la base d'une fixation à 1 du plus grand nombre de constantes possible, mais n'ont pas connu grand succès pour le moment.

Liste de constantes physiquesModifier

Le nombre entre parenthèses représente l'incertitude sur le dernier chiffre significatif. Par exemple :

  • 6,673(10) × 10−11 signifie 6,673 × 10−11 ± 0,010 × 10−11 ;
  • 1,602 176 620 8(98) × 10−19 C signifie que l'incertitude est de : 0,000 000 009 8 × 10−19[1]

Constantes définissant les unités du Système internationalModifier

Avant la réforme de 2019Modifier

Nom
de la constante
Symbole Origine Valeur numérique Incertitude
relative
Célérité de la lumière dans le vide c
(ou c0)
 [2] 299 792 458 m s−1 Exacte
(définition du mètre)
Perméabilité magnétique du vide μ0 4π ×10-7 kg⋅m⋅A-2⋅s-2 (ou H⋅m-1)
1,256 637 061 4… × 10−6 kg m A−2 s−2
Exacte
(définition de l'ampère)
Permittivité diélectrique du vide ε0   8,854 187 817… × 10−12 A2 s4 kg−1 m−3 (ou F⋅m-1) Exacte
Impédance caractéristique du vide Z0   376,730 313 461… kg m2 A−2 s−3 Exacte
Constante de Planck   Mesure 6,626 070 040(81) × 10−34 kg m2 s−1 (ou J⋅s) 1,2 × 10−8
Constante de Planck réduite   1,054 571 800(13) × 10−34 kg m2 s−1 1,2 × 10−8

Depuis 2019Modifier

Nom
de la constante
Symbole Valeur numérique Incertitude
relative
Fréquence de la transition hyperfine de l'état fondamental de l'atome de Césium 133 non perturbé[3] νCs 9 132 631 770 Hz Exacte
(définit la seconde)
Célérité de la lumière dans le vide c 299 792 458 m s−1 Exacte
(définit le mètre)
Constante de Planck   6,626 070 15 × 10−34 kg m2 s−1 (ou J⋅s) Exacte

(définit le kilogramme)

Charge élémentaire e 1,602 176 634 × 10−19 A s Exacte

(définit l'ampère)

Constante de Boltzmann k 1,380 649 × 10−23 J K−1 Exacte

(définit le kelvin)

Nombre d'Avogadro   6,022 140 76 × 1023 mol−1 Exacte

(définit la mole)

Ces constantes, fixées le 20 mai 2019[4], permettent à leur tour de définir les sept unités de base du Système international d'unités[3] (seconde, mètre, kilogramme, ampère, kelvin, mole et candela[5]). Ces nouvelles définitions améliorent le SI sans changer la valeur des unités[6].

ÉlectromagnétismeModifier

Nom
de la constante
Symbole Origine Valeur
numérique
Incertitude relative
Charge élémentaire e 1,602 176 634 × 10−19 A s Par définition
Constante de structure fine α Mesure 7,297 352 569 3(11) × 10−3 1,5 × 10−10
Perméabilité du vide μ0   1,256 637 062 12(19) × 10−6 kg m A−2 s−2 1,5 x 10−10
Permittivité diélectrique du vide ε0   8,854 187 812 8(13) × 10−12 kg−1 m−3 A2 s4 1,5 x 10−10
Constante de Coulomb κ   8,987 551 792 3(15) × 109 kg m3 A−2 s−4 1,5 x 10−10
Impédance caractéristique du vide Z0   376,730 313 668(57) kg m2 A−2 s−3 1,5 x 10−10
Constante de Von Klitzing RK   25,812 807 459 ... × 103 kg m2 A−2 s−3 Exacte
Quantum de conductance G0   7,748 091 729 86 ... × 10−5 S Exacte
Constante de Josephson KJ   4,835 978 484 ... × 1014 kg−1 m−2 A s2 Exacte
Quantum de flux magnétique Φ0   2,067 833 848 46 ... × 10−15 Wb Exacte
Magnéton de Bohr μB   9,274 010 078 3(28) × 10−24 A m2 3,0 × 10−10
Magnéton nucléaire μN   5,050 783 746 1(15) × 10−27 A m2 3,1 × 10−10

GravitationModifier

Nom
de la constante
Symbole Origine Valeur
numérique
Incertitude relative
Constante
gravitationnelle
G Mesure 6,674 30(15) × 10−11 m3 kg−1 s−2 2,2 × 10−5
Accélération normale
de la pesanteur terrestre
au niveau de la mer
g0 Convention 9,806 65 m s−2 Par définition

Constantes physico-chimiquesModifier

Nom
de la constante
Symbole Origine Valeur
numérique
Incertitude relative
Température du point triple de l'eau T0 Mesure 273,16 K 3,7 × 10−7
Pression standard de l'atmosphère atm Convention 101 325 Pa Par définition
Nombre d'Avogadro NA ou L Définition mole 6,022 140 76 × 1023 mol−1 Exacte
Constante des gaz parfaits R ou R0   8,314 462 618 ... J K−1 mol−1 Exacte
Constante de Boltzmann k ou kB Définition Kelvin 1,380 649 × 10−23 J K−1 Exacte
Constante de Faraday F   96 485,332 12 ... C mol−1 Exacte
Volume molaire d'un gaz parfait,
p = 101,325 kPa, T = 273,15 K
V0   22,413 962 54 ... × 10−3 m3 mol−1 Exacte
Unité de masse atomique uma 1,660 539 066 60(50) × 10−27 kg 3,0 × 10−10
Première constante de rayonnement   3,741 771 852 ... × 10−16 W m2 Exacte
pour la radiance spectrale   1,191 042 972 ... × 10−16 W m2 sr−1 Exacte
Deuxième constante de rayonnement   1,438 776 877 ... × 10−2 m K Exacte
Constante de Stefan-Boltzmann σ   5,670 374 419 ... × 10−8 W m−2 K−4 Exacte
Constante de Wien   ou σw   00002,897 771 955 ... × 10−3 K Exacte
Constante de Loschmidt NL   2,686 780 951 ... × 1025 m−3 Exacte

Constantes atomiques et nucléairesModifier

Nom
de la constante
Symbole Origine Valeur
numérique
Incertitude relative
Constante de Rydberg R   1,097 373 156 816 0(21) × 107 m−1 1,9 × 10−12
Énergie de Hartree EH   4,359 744 722 207 1(85) × 10−18 J 1,9 × 10−12
Quantum de circulation   3,636 947 551 6(11) × 10−4 m2 s−1 3,0 × 10−10
Rayon de Bohr a0   5,291 772 109 03(80) × 10−11 m 1,5 × 10−10
Longueur d'onde de Compton
pour l'électron
λC   2,426 310 238 67(73) × 10−12 m 3,0 × 10−10
Rayon de Compton
pour l'électron
RC   3,861 592 679 6(12) × 10−13 m 3,0 × 10−10
Rayon classique
de l'électron
re   2,817 940 326 2(13) × 10−15 m 4,5 × 10−10
Masse du proton mp Mesure 1,672 621 923 69(51) × 10−27 kg 3,1 × 10−10
Énergie du proton Calcul[7] 938,272 088 16(29) MeV 3,1 × 10−10
Masse du neutron mn Mesure 1,674 927 498 04(95) × 10−27 kg 5,7 × 10−10
Énergie du neutron Calcul[8] 939,565 420 52(54) MeV 5,7 × 10−10
Masse de l'électron me Mesure 9,109 383 701 5(28) × 10−31 kg 3,0 × 10−10
Masse du muon mμ Mesure 1,883 531 627(42) × 10−28 kg 2,2 × 10−8
Masse du tauon mτ Mesure 3,167 54(21) × 10−27 kg 6,8 × 10−5
Masse du boson m Mesure 1,625 567(38) × 10−25 kg 2,3 × 10−5
Masse du boson W mW Mesure 1,432 89(22) × 10−25 kg 1,5 × 10−4

Le nombre entre parenthèses représente l'incertitude sur les derniers chiffres. Par exemple : 6,673(10) × 10−11 signifie 6,673 × 10−11 ± 0,010 × 10−11

Unités de PlanckModifier

Nom
de la constante
Symbole Origine Valeur
numérique
Incertitude relative
Constante de Planck   6,626 070 15 × 10−34 kg m2 s−1 (ou J⋅s) Exacte
Constante de Planck réduite   1,054 571 817 ... × 10−34 kg m2 s−1 Exacte
Masse de Planck mP   2,176 434(24) × 10−8 kg 1,1 × 10−5
Longueur de Planck lP   1,616 255(18) × 10−35 m 1,1 × 10−5
Temps de Planck tP   5,391 247(60) × 10−44 s 1,1 × 10−5
Température de Planck TP   1,416 784(16) × 1032 K 1,1 × 10−5
Charge de Planck QP   1,875 546 037 78(15) × 10−18 C 8 × 10−11
Force de Planck FP   1,210 256(28) × 1044 N 2,3 × 10−5
Énergie de Planck EP   1,956 082(23) × 109 J 1,2 × 10−5
Puissance de Planck PP   3,628 255(82) × 1052 W 2,3 × 10−5

Valeurs exactesModifier

Dans le but de rendre l'étalonnage de l'ampère, unité de base du Système international (SI), plus précis, la 18e Conférence générale des poids et mesures (CGPM), a adopté, en 1988, des valeurs « exactes » des constantes de von Klitzing et de Josephson :

RK = h/e2 ≡ 2,581 280 7 × 104 Ω (CIPM (1988) Recommandation 2, PV 56; 20)

KJ−1 = 2e/h ≡ 4,835 979 × 1014 Hz/V (CIPM (1988) Recommandation 1, PV 56; 19)

Cependant, le Comité consultatif d’électricité (CCE) a stipulé que « les Recommandations 1 (CI-1988) et 2 (CI-1988) ne constituent pas une redéfinition des unités SI. Les valeurs de KJ et RK, admises par convention, ne peuvent être utilisées pour la définition du volt et de l’ohm, c’est-à-dire des unités de force électromotrice et de résistance électrique du Système international d'unités. Sinon la constante µ0 n'aurait plus une valeur définie exactement, ce qui rendrait caduque la définition de l’ampère, et les unités électriques seraient incompatibles avec la définition du kilogramme et des unités qui en dérivent. »

Nonobstant ceci, il est possible de redéfinir le kilogramme, jusqu'ici la seule unité de base du SI qui soit encore définie par un étalon physique (et est donc le seul « degré de liberté » subsistant dans le système), à partir des valeurs exactes des constantes de von Klitzing et Josephson. Si on admet cela, toute une série de constantes physiques acquièrent des valeurs exactes en conséquence.

La définition du kilogramme serait alors :

« La masse qui serait accélérée à exactement 2 × 10−7 m/s2 si elle était soumise à la force par mètre entre deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable et placés à une distance de 1 mètre l’un de l’autre dans le vide, et au travers desquels circulerait un courant électrique constant d'exactement 6 241 509 629 152 650 000 charges élémentaires par seconde. »

On en déduit alors que l'ampère vaut exactement 6 241 509 629 152 650 000 charges élémentaires par seconde. La valeur de la constante de Planck découle aussi de ces valeurs exactes, ainsi que celle de la constante de structure fine.

Notes et référencesModifier

  1. « Constantes physiques fondamentales : charge élémentaire de l'électron », sur CODATA (consulté le 20 janvier 2018)
  2. Harris Benson (trad. de l'anglais), Physique 2. Electricité et magnétisme, Bruxelles/Paris/Saint-Laurent (Québec), de Boeck, , 534 p. (ISBN 978-2-8041-0761-1), chap. 13 (« Les équations de Maxwell; les ondes électromagnétiques »)
  3. a et b Yaroslav Pigenet, « Ces constantes qui donnent la mesure », sur CNRS Le Journal (consulté le 27 août 2020).
  4. Et dès 1983 pour c.
  5. La candela est définie à partir de h, c et ΔνCs
  6. (en) Michael Kuehne, « Redefinition of the SI », sur Keynote address, ITS9 (Ninth International Temperature Symposium), Los Angeles, NIST, (consulté le 1er mars 2012).
  7. Sean Bailly, « Proton et neutron : une différence de masse enfin expliquée par le calcul », sur pourlascience.fr, (consulté le 18 mars 2016).
  8. Eric Simon, « La différence de masse entre proton et neutron obtenue par calcul pour la première fois », sur ca-se-passe-la-haut.fr, (consulté le 18 mars 2016).

Voir aussiModifier

Articles connexesModifier

BibliographieModifier

Liens externesModifier