Une nouvelle approche de l’atome

 
 

 

 


Par Emile Braunthal Weisman

 

Structure et mécanique de l’atome.

 

  Actuellement l’atome est  supposé être composé d’un noyau autour duquel les électrons tournent comme les planètes tournent autour du soleil. Nous allons montrer que les électrons ne doivent pas être pensés comme de petits corpuscules, ce qui va nous permettre de mieux comprendre ce qui se passe dans l’atome et expliquer tous les phénomènes observables dans la vie de tous les jours.

  Cette approche est très différente de celle de la Mécanique Quantique mais un peu d’attention permettra aux physiciens de se convaincre qu’une autre voie est possible.

  Ce texte est un résumé de la mécanique que nous développons dans un ouvrage, en attente d’un Editeur : Structure et mécanique de l’atome.

 

1-     Structure de l’atome.

 

  Nous allons étudier la plus simple des structures atomiques, l’atome d’hydrogène composé d’un proton et d’un électron. Nous verrons qu’il est préférable de le représenter sous la forme d’un abricot plutôt que sous celle d’un petit système planétaire. L’électron comme la chair du fruit englobant le noyau. Cette configuration où les deux composants sont concentriques est ce que dans la suite nous appellerons un système électron proton ou sep.

  Ce système composé de deux charges électriques de signes opposés génère une mécanique qu’il est facile d’étudier.

 

 

2- Mécanique de l’atome.

 

  Nous devons tout d’abord admettre que les deux particules concentriques tournent sur elles-mêmes autour d’un axe commun. C’est ce qu’en physique on appelle le spin. Mais, actuellement, ce mouvement de rotation n’est pas considéré comme étant réel et le spin n’est admis que comme un opérateur mathématique.

  La présence de deux particules concentriques et de charges opposées génère deux sortes d’interaction : Une force radiale qui tend à les rapprocher, la force de Coulomb, et un Moment de force lorsque les deux particules n’ont pas exactement la même vitesse angulaire.

 

  Quand les deux particules ont la même vitesse angulaire, elles sont au repos relativement l’une à l’autre. La force coulombienne est alors maximum. Les deux particules s’attirent et, puisqu’elles sont concentriques, c’est le rayon de tout le système qui va diminuer. Mais dès l’instant où le rayon de l’électron diminue, sa vitesse angulaire augmente, comme celle du patineur qui rapproche ses bras du corps. Les deux particules ne tournent donc plus à la même vitesse et l’intensité de  la force coulombienne diminue alors que s’engendre un Moment de force, un couple, qui tend à égaliser la vitesse angulaire des deux particules.

  Quand les deux particules ont à nouveau la même vitesse angulaire, la force de Coulomb devient prépondérante et une nouvelle contraction du système va se produire.

  Si l’on considère un point du plan équatorial de l’électron (dans la suite nous le désignerons par : le point P), lorsque le système se contracte sous l’effet de la force attractive coulombienne, la vitesse radiale de ce point est très grande au début du mouvement de contraction puis diminue lorsque, sous l’effet du Moment de force, la vitesse axiale augmente. Pendant la phase ou le couple uniformise la vitesse angulaire des deux particules, le rayon du système reste constant, c’est ce qui justifie la notion d’orbite de la physique actuelle.

 

 Ce qui précède est une description simple de la mécanique engendrée par deux particules concentriques et de charge électriques opposées lorsqu’on applique à un tel système les lois élémentaires de l’électricité et de l’électrodynamique. Nous n’avons pas eu à faire d’hypothèse ad hoc. Il est évident que nous pouvons donner de cette mécanique une quantification mathématique mais il nous faut nous rappeler que la Physique n’est pas une branche de la Mathématique et que les phénomènes physiques ne sont pas régis par des lois mathématiques ni déductibles de ces lois.

 

 

3- Constante de Structure-Fine.

 

 Pour exprimer en termes mathématiques la mécanique du sep, il nous faut tout d’abord définir la signification de la Constante de Structure Fine de la physique actuelle. Il est admis que cette constante a est un rapport sans dimension donné par la formule : e²/2e0hc où e est la charge de l’électron, h, la Constante de Planck  c, la célérité de la lumière et e0 la constante diélectrique..

  Nous allons voir dans ce qui suit qu’il convient de considérer ce rapport, comme un coefficient variable en fonction du rang des orbites et que l’expression mathématique de ce coefficient semble être :

 

               ( 1.)

     

ni est le rang de l’orbite, la sommation se faisant à partir de la plus grande orbite possible de rang 1.

 

  En effet, puisque l’interaction coulombienne a une portée infinie, elle agira encore lorsque les deux particules seront très éloignées l’une de l’autre. Considérons que, dans ce cas, l’orbite la plus extérieure aura le rang 1, les orbites intérieures vont avoir, successivement, les rangs 2, 3, 4… Ainsi, la Constante de Structure fine de la physique actuelle sera donnée par la formule : 

 

     (2.)

 

où la sommation se fait jusqu’à l’orbite de rang 38. Ce qui signifie que l'orbite de Bohr a le rang 38 dans le système que nous proposons.

  Remarquons que la signification de la Constante de Structure Fine est quelque peu mystérieuse et n’a pas de justification théorique. Le fait que la valeur de cette constante peut être exprimée par une combinaison de quelques constantes universelles n’a pas d’explication et relève plus d’une coïncidence numérique que d’une recherche théorique.          

 

 

4- Transformation électricité / matière.

 

 

  Quand les deux particules interagissent leurs charges électriques semble se transformer en matière, ou en un quelque chose qui pour nous prend l’apparence de la matière. Plus l’interaction est intime, plus les caractéristiques électriques des particules disparaissent et plus les propriétés matérielles (inertie, densité…) sont sensibles. Ici encore nous pouvons utiliser le coefficient a pour définir ces propriétés.

 

   Si q0 est la valeur de la charge électrique d’une particule libre, lorsque le proton et l’électron sont en interaction, leur charge combinée s’exprime :

 

qi2 =  q02ai                  (3)

   

 

où i est toujours l’indice de l’orbite sur laquelle se trouve l’électron.

  En fait, la quantité d’électricité contenue dans le système reste constante. La fusion des deux particules n’est pas accompagnée de l’émission d’un rayonnement électromagnétique. Ce sont seulement les propriétés électriques des charges qui cèdent la place aux propriétés matérielles. Une particule ne peut, à la fois, avoir des propriétés matérielles et des propriétés électriques, une particule ne peut être à la fois onde et particule. Une particule libre a des propriétés électriques. Quand deux particules électriques sont en interaction, elles deviennent des particules de matière. Il ne s’agit pas ici d’un ukase édité ni par l’auteur, ni par la nature. Ceci découle tout naturellement du mécanisme qui fait que les particules électriques que sont les électrons et les protons peuvent constituer la matière macroscopique.

   Par ailleurs, nous voyons qu’il n’est pas possible d’établir une relation directe entre la quantité de matière et la quantité d’énergie que cette matière peut libérer. D’une part, il semble impossible de séparer l’électron du proton, d’autre part, si l’on parvenait à le faire, la seule quantification possible serait celle de la quantité d’électricité libérée et non celle de l’effet énergétique produit.

 

 

5- Le spin

 

  Nous avons dit ci-dessus que les particules dans le sep tournaient sur elles-mêmes, ce que nous nommons le spin. La vitesse angulaire de ce mouvement est d’autant plus grande que l’interaction entre le proton et l’électron est faible, que les propriétés matérielles du système sont peu importantes. C’est ce qui se produit lorsque les particules sont loin l’une de l’autre, lorsque le rayon du système est grand, lorsque l’orbite décrite est d’indice petit. Ainsi, ici encore l’on peut utiliser le coefficient a pour définir la vitesse angulaire w :

 

                   (4)

 

                      

où c est la vitesse de la lumière, r le rayon du système et i l’indice de l’orbite décrite par l’électron. Il découle, évidemment, de cette formule que sur l’orbite la plus extérieure possible, celle d’indice 1, la vitesse de spin de l’électron sera égale à celle de la lumière et que sur les orbites intérieures, cette vitesse diminuera au fur et à mesure où les propriétés qui caractérisent la matière : inertie (ou masse) et densité seront de plus en plus grandes.

 

 

6- Force coulombienne.

 

  La force coulombienne est donnée par la formule classique:  fc=q²/4pe0 où q est la charge élémentaire de l’électron et du proton, e0  est la Constante diélectrique et r, la distance entre les deux charges. La loi de Coulomb s’applique entre deux charges ponctuelles séparées par une distance r. Ici nous considérons deux charges concentriques et la force qui s’exerce entre elles est donc 4p fois plus grande, donc :

 

       (5)

 

mais le sep n’est pas isolé du reste du monde. Il a, dans son proche entourage, d’autre sep avec lesquels il interagit aussi. Cette interaction est évidemment d’autant plus faible que le proton est loin à l’intérieur du système, c’est à dire lorsque le système décrit une orbite d’indice petit. Donc, ici encore, nous pouvons caractériser cette interaction à l’aide du coefficient a et poser :

 

       (6)

 

où fc est la force de Coulomb donnée par (5), et la force entre le proton et l’électron devient : 

 

      (7)

 

                        

 

7- Inertie du sep.

 

  L’inertie (la quantité d’électricité transformée en matière) du sep augmente quand le système décrit une orbite interne. L’expression de cette inertie est :

 

      (8)

 

                        

Elle dépend du  degré d’interaction entre les deux particules et de la vitesse de spin du système..

 

 

 8- Mouvements dans le sep.

 

  Quand les deux particules ont la même vitesse angulaire, elles sont au repos relativement l’une à l’autre et la force coulombienne est alors maximum. Elle exerce une attraction qui fait que l’électron et le proton se rapprochent. Le rayon de l’électron diminue mais en même temps sa vitesse angulaire augmente de la même façon que celle d’un patineur qui rapproche ses bras le long du corps. Ainsi, dès le début de la phase de contraction, la vitesse angulaire des deux particules se différencie et en conséquence la force d’attraction colombienne diminue d’intensité alors qu’un Moment de force, un couple va être engendré. Ce couple aura pour effet d’uniformiser les vitesses angulaires des deux particules. Lorsque les vitesses de spin des deux particules seront à nouveau égales, la force coulombienne redeviendra prédominante et une nouvelle phase de contraction aura lieu. Ces phases successives de contraction correspondent au sauts d’orbite de la physique actuelle. Mais ici, nous voyons que le système n’a pas besoin d’être excité pour que ces sauts aient lieu. Pendant les périodes où les vitesses de l’électron et du proton s’égalisent, le rayon de l’électron est stable, ces périodes sont celles qui correspondent à la notion d’orbite de la physique actuelle.

  Si l’on considère un point situé sur l’équateur de l’électron (le point P, dans ce qui suit), nous voyons que sa vitesse angulaire augmente sur les orbites intérieures alors que sa vitesse réelle doit diminuer puisque l’inertie du système augmente selon ce qui précède. Il est évident qu’il en est bien ainsi, puisque le rayon de l’électron diminue à chaque saut d’orbite. Ainsi, lorsque l’électron passe d’une orbite de rang i à une orbite de rang i+1, la vitesse angulaire augmente de :

 

alors que la vitesse réelle du point P diminue selon :

 

       (9)

 

       (10)

 

 

  Le mouvement du point P pendant un saut d’une orbite quelconque jusqu’à l’orbite de rang immédiatement intérieur peut être représenté selon la Fig. 1.

 

i

 

i+1

 

phase 1

 

phase 2

 
 

 

 

 

 

 

 

 


Fig. 1 – Mouvement du point P pendant un saut d’orbite.

 

 

 La première phase correspond au mouvement  de contraction sous l’effet de la force de Coulomb, la seconde est celle pendant laquelle les vitesses s’égalisent sous l’effet du Moment de force. La Fig. 2 représente une généralisation du mouvement du point P, lorsque le sep se contracte d’une orbite extérieure de rang i à une orbite intérieure de rang i+n, puis retourne sur l’orbite la plus extérieure pendant le temps Tr .

 

i

 
 

 


i+3

 

i+2

 

i+1

 

i+n

 
  

 

 

 

 

 

 

 

 


      ph 1               ph 2          3         4       5   6   7…..TR

 

Fig. 2 - Mouvement du point P pendant un cycle complet.

 

  Comme on peut le voir, le sep devient infiniment petit au fur et à mesure où il gagne des orbites de rang élevé. Nous ignorons quel est le rapport  V du rayon d’une orbite de rang i à une orbite de rang i+1, mais raisonnablement ce rapport doit être : 1<V>2 .Donc :

 

     with          (10)

                               

 Ce rapport  peut peut-être être différent pour chaque élément atomique et peut-être aussi d’une orbite à l’autre dans un même atome et il serait hasardeux de vouloir figer ce rapport V une fois pour toutes. Bien au contraire, l’étude des spectres des différents éléments atomiques devrait permettre de déterminer un rapport V  propre à chaque élément et son évolution des orbites extérieures aux orbites intérieures.

  La figure 2 montre le mouvement du Point P des orbites extérieures vers les orbites intérieures et le retour vers l’orbite la plus extérieure.

 

9-     Durée du mouvement dans le sep.

 

  Chaque saut d’une orbite vers l’orbite immédiatement intérieure prend un certain temps. Ce temps dépend de la vitesse du point P et de la distance à franchir. Donc :

 

     (11)

                              

parce que la vitesse varie pendant ce mouvement de cai à cai+1 et l’on peut considérer que c(ai +ai+1)/2 est une bonne approximation. Au cours de cette première phase, c’est la vitesse angulaire de l’électron qui a varier. (puisque son rayon a diminué, sa vitesse angulaire augmente de façon à conserver le moment angulaire)

  Nous pouvons admettre que la seconde phase, pendant laquelle le proton atteint la même vitesse angulaire que l’électron, a une durée équivalente. Ainsi, la durée totale d’un saut d’orbite sera égale à deux fois le résultat obtenu avec (11) et la durée totale d’un cycle pendant lequel l’atome se contracte d’une orbite extérieure de rang p à une orbite intérieure de rang k sera :

          

  (sommation de k à p)     (12)

 

  Mais il est évident que le sep ne peut se contracter indéfiniment vers des orbites de rang très grand. Il doit forcément terminer sa chute et revenir sur l’orbite la plus extérieure pour recommencer son cycle de contraction. L’événement qui provoque ce retour est une interaction avec un autre sep. C’est ce qui permet les forces intermoléculaires et la cohésion des structures matérielles. Il serait trop long de développer ici cette mécanique. Notons seulement que c’est pour cela que l’hydrogène atomique n’existe pas dans la nature et qu’il est toujours sous forme moléculaire.                     

 

  Après l’interaction avec un sep extérieur, l’électron retourne sur l’orbite la plus extérieure en un temps t:

 

        (13)

 

parce que l’électron n’est plus lié au proton et que son retour se fait à la vitesse c mais il garde son moment angulaire. Ainsi, le temps total d’un cycle devient :                       

 

 

 

                (14)

              

 

10- Période et longueur d’onde du sep.

 

    Nous pouvons montrer que cette formule donne la période de pulsation du sep. Mais cette méthode ne convient pas pour obtenir tous les modes vibratoires des atomes. Le sep est un objet théorique. Dans les atomes réels, même dans la molécule d’hydrogène, les sep interagissent les uns les autres en fonction des conditions de pression et de température qui modifient leurs périodes de pulsation. Cependant, la comparaison des longueurs d’onde des spectres des différents éléments atomique avec les calculs des périodes de pulsation obtenus selon cette formule permettrai de mieux en connaître la structure interne.

  Pour ces calculs il convient de prendre le rayon de Bohr égal de 5.29.10-11 m sur l’orbite de rang 38 du système proposé ici. Les indices p et k utilisés pour désigner les orbites extérieures et intérieures en physique atomique classique désignent ici n’importe quelle orbite extérieure et n’importe quelle orbite intérieure. Le calcul des périodes et des longueurs d’onde est facilité par l’emploi d’un coefficient bi :

 

        (15)

                       

où la sommation est faite à partir de l’orbite la plus interne possible. Sur le Tableau I, la sommation est faite depuis l’orbite de rang i=80 de façon à avoir un résultat plus précis. En effet, il convient de sommer à partir des orbites intérieures pour que la différence bi  - bi+1  reste significative. Ce qui ne serait pas le cas en sommant depuis les orbites extérieures.

  Ainsi les périodes Tpk  et les longueurs d’onde lpk deviennent :

  

Tpk = r38c-1(bp-bk)     lpk = r38(bp-bk)                (16)

 

Pour un sep pulsant, par exemple, entre les orbites 34 et 50 avec z=1.8, avec les valeurs de la Tab. 1, on obtient :

 

T34-50 = 5.29.10-11(1.874.104-2.6679)/3.108= 3.304.10-15

l34-50 = 5.29.10-11(1.874.104-2.6679)=9.912.10-7

 

  Nous voyons que ces résultats sont cohérents. Nous les obtenons sans hypothèse ad hoc.

  Le sep peut se contracter sur des orbites plus intérieures telle que l’orbite 60 et quelquefois même au delà. C’est que qui fait que les sections de capture (des neutrons lents) de certains éléments atomiques peuvent être très petites. L’orbite intérieure la plus petite est atteinte lorsque l’électron arrive à interagir avec le proton d’un autre sep. Cette interaction se produit lorsque les deux particules, au cours de leur contraction, atteignent des dimensions qui leur permettent de réagir ensemble plutôt qu’avec leurs partenaires respectifs. C’est ce qui explique que tous les atomes d’un même élément et d’une même structure macroscopique n’ont pas tous, ensemble, la même section de capture.

 

11- Conclusion.

 

  Même si le mode de calcul propose ici ne permet pas un calcul précis des périodes et des longueurs d’onde des différents éléments atomiques, il permet une meilleure compréhension de la mécanique interne des atomes.

  Les particules ne sont pas des corpuscules compactes. L’atome n’est pas un système planétaire miniature et sa mécanique n’a rien à voir avec la mécanique du point matériel de la physique newtonienne. Les constituants élémentaires de l’atome ne sont pas à la fois des particules et des ondes mais alternativement l’un ou l’autre.

 

Je développe cette mécanique et ses conséquences dans mon ouvrage Structure et mécanique de l’atome.

 

Table 1. Valeurs de b en fonction des valeurs de V

 

Indice

a

V =1,2

V =1,4

V =1,6

V =1,8

V =2

1

1,0000E+00

4,0990E+05

3,5131E+07

2,6845E+09

1,4573E+11

5,6306E+12

2

4,4721E-01

4,0207E+05

3,2687E+07

2,3326E+09

1,1764E+11

4,2213E+12

3

2,6726E-01

3,8924E+05

2,9318E+07

1,9141E+09

8,8253E+10

2,9047E+12

4

1,8257E-01

3,7243E+05

2,5565E+07

1,5083E+09

6,3026E+10

1,8908E+12

5

1,3484E-01

3,5268E+05

2,1801E+07

1,1532E+09

4,3442E+10

1,1837E+12

6

1,0483E-01

3,3096E+05

1,8260E+07

8,6128E+08

2,9153E+10

7,1982E+11

7

8,4515E-02

3,0809E+05

1,5069E+07

6,3143E+08

1,9159E+10

4,2803E+11

8

7,0014E-02

2,8478E+05

1,2283E+07

4,5598E+08

1,2382E+10

2,5002E+11

9

5,9235E-02

2,6158E+05

9,9084E+06

3,2518E+08

7,8929E+09

1,4394E+11

10

5,0965E-02

2,3892E+05

7,9216E+06

2,2946E+08

4,9740E+09

8,1873E+10

11

4,4455E-02

2,1712E+05

6,2844E+06

1,6047E+08

3,1043E+09

4,6099E+10

12

3,9223E-02

1,9642E+05

4,9520E+06

1,1136E+08

1,9213E+09

2,5733E+10

13

3,4943E-02

1,7696E+05

3,8789E+06

7,6752E+07

1,1806E+09

1,4257E+10

14

3,1388E-02

1,5884E+05

3,0224E+06

5,2587E+07

7,2088E+08

7,8470E+09

15

2,8398E-02

1,4209E+05

2,3439E+06

3,5841E+07

4,3772E+08

4,2943E+09

16

2,5854E-02

1,2671E+05

1,8101E+06

2,4313E+07

2,6448E+08

2,3381E+09

17

2,3669E-02

1,1267E+05

1,3925E+06

1,6423E+07

1,5909E+08

1,2672E+09

18

2,1775E-02

9,9927E+04

1,0675E+06

1,1052E+07

9,5318E+07

6,8398E+08

19

2,0121E-02

8,8408E+04

8,1581E+05

7,4113E+06

5,6903E+07

3,6782E+08

20

1,8666E-02

7,8041E+04

6,2165E+05

4,9545E+06

3,3859E+07

1,9714E+08

21

1,7379E-02

6,8745E+04

4,7245E+05

3,3026E+06

2,0087E+07

1,0533E+08

22

1,6233E-02

6,0439E+04

3,5817E+05

2,1956E+06

1,1884E+07

5,6124E+07

23

1,5207E-02

5,3040E+04

2,7093E+05

1,4561E+06

7,0128E+06

2,9827E+07

24

1,4286E-02

4,6467E+04

2,0450E+05

9,6354E+05

4,1288E+06

1,5814E+07

25

1,3453E-02

4,0644E+04

1,5406E+05

6,3626E+05

2,4256E+06

8,3658E+06

26

1,2699E-02

3,5497E+04

1,1586E+05

4,1933E+05

1,4222E+06

4,4166E+06

27

1,2012E-02

3,0958E+04

8,6974E+04

2,7586E+05

8,3227E+05

2,3273E+06

28

1,1386E-02

2,6964E+04

6,5189E+04

1,8117E+05

4,8621E+05

1,2242E+06

29

1,0812E-02

2,3456E+04

4,8788E+04

1,1880E+05

2,8358E+05

6,4286E+05

30

1,0284E-02

2,0379E+04

3,6462E+04

7,7782E+04

1,6515E+05

3,3706E+05

31

9,7983E-03

1,7686E+04

2,7214E+04

5,0857E+04

9,6038E+04

1,7647E+05

32

9,3495E-03

1,5333E+04

2,0286E+04

3,3208E+04

5,5773E+04

9,2268E+04

33

8,9339E-03

1,3279E+04

1,5104E+04

2,1657E+04

3,2349E+04

4,8179E+04

34

8,5483E-03

1,1489E+04

1,1234E+04

1,4107E+04

1,8740E+04

2,5127E+04

35

8,1896E-03

9,9313E+03

8,3459E+03

9,1794E+03

1,0844E+04

1,3089E+04

36

7,8553E-03

8,5770E+03

6,1944E+03

5,9665E+03

6,2680E+03

6,8113E+03

37

7,5431E-03

7,4011E+03

4,5931E+03

3,8743E+03

3,6194E+03

3,5407E+03

38

7,2511E-03

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Mes livres :

 

Atomes et matière,                                               ISBN 978-2919314-027,   360 pages, 34 €

Mécanique céleste et Cosmologie,                 ISBN 978-2919314-003,   158 pages,  18 

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