Question:
Qu'arrive-t-il à la matière lorsqu'elle est convertie en énergie?
Aniruddha Deb
2020-01-15 09:41:40 UTC
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Selon l'équation d'Einstein $$ E = mc ^ 2 $$ La matière peut être convertie en énergie.Un exemple de ceci est une réaction nucléaire. Qu'advient-il du problème dans le processus ?Les atomes / particules subatomiques disparaissent-ils simplement?Tout aperçu de ce processus est apprécié.

L'énergie est toujours conservée.L'énergie de repos peut être convertie en d'autres types d'énergie.Avez-vous fait beaucoup de recherches à ce sujet?
Si la masse est convertie en énergie, il peut s'agir de photons ou d'énergie cinétique d'une autre masse, qui est également de la chaleur.
Ce qui se passe exactement dépend du processus exact.Y a-t-il quelque chose en particulier qui vous intéresse?Il existe plusieurs types de réactions nucléaires.
L'équation ne dit * pas * que la matière peut être convertie en énergie.Je ne dis même pas que la masse peut être convertie en énergie.Ce qu'il dit, c'est que la masse et l'énergie sont la même chose.L'énergie a de l'inertie.Il faut une force un peu plus forte pour accélérer un corps quand il fait chaud que quand il fait froid.
Lorsque la matière est convertie en énergie, elle est convertie en énergie.
Je pense que c'est une bonne question: l'OP se demande ce qui arrive aux particules fondamentales réelles lorsque la masse est convertie en énergie.
Un terme pour la conversion efficace de la matière en énergie est «annihilation».Alors, prenez une photo dans le noir ce que cela signifie.
Juste pour jeter une clé à molette (faite de Dark Matter) dans les travaux - considérez quelques sages récents qui proposent qu'il n'y a pas de matière, juste des régions de champ hautement concentrées (ou de probabilité, quelle que soit la manière dont vous souhaitez regarderil)
Six réponses:
JEB
2020-01-15 12:42:34 UTC
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Une grande partie de la masse est juste de l'énergie de liaison, donc dans une réaction chimique, les électrons se réorganisent et l'énergie est libérée et la masse totale des molécules diminue (dans une réaction exothermique, par exemple).

Il en va de même pour les réactions nucléaires courantes comme la fission spontanée de l'uranium, avec l'avertissement que certaines réactions nucléaires importantes impliquent le changement de particules fondamentales, par exemple la désintégration bêta:

$$ n \ rightarrow p + e ^ - + \ bar \ nu_e $$

Ici, la masse du RHS est inférieure à celle du LHS, donc l'électron et l'antineutrino sont énergétiques (dans le cadre de repos neutronique). L'énergie provient de la différence des masses de protons des neutrons (936,6 MeV) et (938,3 MeV), qui est d'environ 1,3 MeV.

Que 1,3 MeV ne lie pas l'énergie, c'est plutôt la différence de masse des quarks provenant de:

$$ d \ rightarrow u + e ^ - + \ bar \ nu_e $$

où la masse du quark haut (bas) est 2,3 $ \ pm 0,7 \ pm 0,5 $ MeV ( 4,8 $ \ pm 0,5 \ pm 0,3 $ MeV). Notez que la majeure partie de la masse des nucléons est à nouveau une énergie de liaison.

Alors qu'arrive-t-il à la masse lorsque le duvet se désintègre en un haut? Rien. La masse n'est pas une substance, la masse est un couplage quadratique au boson de Higgs qui laisse une énergie finie à un moment nul:

$$ E = \ sqrt {(pc) ^ 2 + (mc ^ 2) ^ 2} \ rightarrow_ {| p = 0} = mc ^ 2 $$ span>

ou en d'autres termes ondes de particules libres (diviser par $ \ hbar $ ):

$$ \ omega = \ sqrt {(kc) ^ 2 + (mc ^ 2 / \ hbar) ^ 2} \ rightarrow_ {| p = 0} = mc ^ 2 / \ hbar $$

c'est juste une fréquence finie finie à un nombre d'onde nul.

Comment cela fonctionne-t-il que la matière ne soit pas une substance et ne soit qu'un quanta dans le domaine quantique? Alors que nous sommes généralement à l'aise avec le photon étant un quanta dans le champ électromagnétique qui peut apparaître et disparaître à volonté (à condition qu'au moins l'énergie et l'élan soient conservés), c'est parce que nous considérons le champ EM comme un objet fondamental. De plus, le photon est sa propre antiparticule et est neutre, de sorte que la conservation de la charge et d'autres nombres quantiques ne vient pas toujours à l'esprit. Ils sont aussi des bosons, donc nous ne les considérons pas comme des "trucs" car ils peuvent être dans le même état quantique.

Le champ des quarks est également fondamental, et ses quanta sont des quarks haut et bas (et plus), et dans le cas de la désintégration bêta, le $ W $ span > boson modifie la saveur (et la charge, et d'autres nombres quantiques) du quark de telle sorte qu'au repos, les quanta initiaux ( $ d $ ) ont un couplage plus fort avec les Higgs que les quanta finaux ( $ u $ ), que nous voyons comme plus de masse dans l'état initial et donc plus d'énergie cinétique dans l'état final.

Bien sûr, vous pouvez toujours voir les quarks comme des "trucs" et considérer le couplage de Higgs comme une sorte d'énergie de liaison conduisant à la masse. C'est OK.

Regardons donc l'annihilation électron-positon:

$$ e ^ + + e ^ - \ rightarrow 2 \ gamma $$

Ici, la matière (2 leptons) disparaît et se transforme en 2 rayons gamma. L'état initial agit vraiment comme une matière: ce sont des fermions, ils ne peuvent pas être dans le même état quantique, ils ont une masse, ils ont une charge, etc. Assez d'électrons font un éclair: c'est bien réel.

Mais l'électron et le positron sont tous deux des quanta dans le champ électronique. C'est ça. Ils ont une charge et un nombre de leptons opposés (nombre d'électrons), ils peuvent donc s'annihiler sans violer les lois de conservation. La masse de l'état initial est juste de l'énergie à impulsion nulle, ce n'est pas quelque chose de plus «réel» ou fondamental que le champ d'électrons lui-même. Le reste de l'énergie est maintenant disponible pour les rayons gamma 511 KeV, ce qui ne représente que 2 quanta dans le champ EM (et c'est la charge qui couple les deux champs).

Donc en résumé: toute matière est faite à partir de quanta dans des champs quantiques, et les champs sont les objets fondamentaux. La masse n'est qu'un couplage de Higgs. Si la particule et l'antiparticule se rencontrent, elles peuvent s'annihiler, auquel cas la masse disparaît (ou pas, il peut y avoir une particule massive à l'état final).

Puisque des choses comme le nombre de baryons et le nombre d'électrons sont conservées, les particules de base qu'ils forment (les atomes), en l'absence d'antimatière, semblent stables et ressemblent à des "trucs". Mais fondamentalement: ils ne sont ni l'un ni l'autre.

Faut-il noter que beaucoup de bosons (par exemple Helium-4) ressemblent également à des "trucs"?
@OrangeDog Certainement, puis en tant que superfluide macroscopique, ils agissent de manière incroyablement non intuitive.Pour moi, le fait que tous les He4 ne soient pas simplement identiques, mais indiscernables, n'a de sens que s'ils sont une collection cohérente de quanta de champ.
Le plomb-208 pourrait être un meilleur exemple, car (AFAIK) personne n'a réussi à en faire un superfluide.
Je penserais aussi que les photons gamma après l'annihilation électron-positon exercent la même force gravitationnelle sur leur environnement que les «particules» d'origine.* La masse globale du système ne change pas du tout * (comment pourrait-elle?).Cela fait partie du sens de l'équivalence masse / énergie d'Einstein: ils ne font qu'un.
La masse du neutron semble contenir une faute de frappe.
Que voulez-vous dire dans votre première phrase?La masse est conservée par réaction chimique.
La masse d'@lcv est conservée dans une réaction chimique, mais elle se détache des réactifs et se dissipe sous diverses formes d'énergie.Pour chaque 20 grammes de mélange oxygène-hydrogène que vous brûlez dans l'eau, l'eau est 11 nanogrammes plus légère que le mélange d'origine.Ces 11 nanogrammes sont redistribués à l'environnement environnant, principalement grâce à l'énergie cinétique et au rayonnement électromagnétique.
@JohnDvorak vous dites que l'énergie de liaison correspond à 11 nanogrammes?Je pensais franchement que c'était plus petit, mais je fais confiance à vos chiffres.Citant Wikipedia: "Cependant, à moins que la radioactivité ou les réactions nucléaires ne soient impliquées, la quantité d'énergie s'échappant (ou entrant) dans des systèmes tels que la chaleur, le travail mécanique ou le rayonnement électromagnétique est généralement trop faible pour être mesurée comme une diminution (ou augmentation) de lamasse du système. "
Dans tous les cas, ce n'est pas la masse qui est convertie en énergie mais l'énergie qui est convertie en énergie qui s'échappe alors du système.Le nombre de noyaux d'oxygène, de noyaux d'hydrogène, d'électrons est clairement constant dans votre réaction.
Nombre de baryons @lcv! = Masse
La masse @lcv n'est que l'énergie d'un système fermé.Quelle que soit l'énergie qui s'échappe, le système ne fait plus partie de sa masse.Peu importe que cela provienne de l'énergie cinétique de certains quarks, de l'énergie de liaison entre un proton et un électron, ou de l'énergie d'interaction entre l'électron gauche et le champ de Higgs.Un changement de masse ne nécessite pas que les nombres de lepton ou de baryon changent.Même la manière la plus connue de «convertir» la masse en énergie, l'annihilation, ne change pas les nombres de lepton / baryon - positron (-1) + électron (+1) laisse quelques photons (0).
@OrangeDog, Luaan 1) qui a parlé du nombre de baryon / lepton?2) nous parlons de chimie ici
J'adore que cette réponse utilise des termes comme «fission spontanée de l'uranium» et «couplage quadratique au boson de Higgs», mais aussi le terme très technique «substance».:) +1
Typo sur la masse au repos du neutron.Devrait être 939,6.
The_Sympathizer
2020-01-15 15:30:32 UTC
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Tout d'abord, je voudrais souligner, parce que le terme revient souvent, dans un usage strict, il n'y a pas de "pure énergie". L'énergie n'est pas une substance , comme dans les particules, mais un nombre qui est associé à une substance, une quantité, bien que cette quantité puisse en effet être considérée comme agissant, étant donné sa conservation propriété, comme une sorte de "truc" intangible que vous pouvez mettre ici ou là ou se déplacer de différentes manières. Bien sûr, je suppose qu'il y a des disputes philosophiques que vous pouvez faire là-bas - après tout, les «particules» pourraient être considérées comme «juste des nombres», aussi, dans un sens, si vous vous en tenez à une compréhension instrumentiste grossière. Alors peut-être devrais-je dire "l'énergie n'est pas des particules", par opposition à "pas un" truc "".

Au lieu de parler de "matière" se transformant en "énergie", il est plus approprié de parler de masse comme d'une forme d'énergie, il n'est donc pas question de "conversion": la masse est déjà une énergie. Ce qui se passe, c'est que nous avons la conversion de cette énergie d'une forme à une autre, et ce faisant, d'autres choses doivent changer, et cela peut signifier que des particules sont réarrangées ou qu'un type de particules se transforme en un autre type de particules.

Dans ce cas, puisque vous parlez d '"énergie pure" et que je connais bien la manière dont les gens parlent familièrement , je suppose que vous pensez à une annihilation - comme entre une particule et son antiparticule. Eh bien, ce qui se passe là, c'est le deuxième type de processus: les anciennes particules disparaissent et simultanément (du moins, avec l'avertissement habituel que nous ne pouvons pas regarder les processus quantiques, mais les calculs pour ce que nous pouvons exécuter du entre les deux, dites-nous que si quelque chose peut être appelé "événement d'annihilation", "simultané" n'est pas trop mauvais pour le gérer) de nouvelles particules apparaissent. Si c'est un électron et un positron, vous obtenez deux photons. Si c'est un proton avec antiproton, vous obtenez (finalement) des photons et aussi des neutrinos. Ces derniers ont en fait une certaine masse, mais pas les premiers. Cependant, tous ont de l'énergie et l'énergie est conservée partout.

Ce qui se passe, c'est que dans ces cas, l'énergie restante (ou "masse") des particules, proportionnelle à leur masse, est convertie en masse et également en énergie cinétique des autres particules. Dans le cas électron-positon, l'énergie finale est purement cinétique, car dans un sens toute l'énergie des photons est de l'énergie cinétique, tandis que dans le cas proton-antiproton, les neutrinos ont un peu d'énergie de masse au repos, mais l'écrasante majorité de l'énergie est toujours cinétique dans ce cas également.

Malheureusement, le titre de ma question était simplement l'énergie et non l'énergie pure.Je crois qu'il a été modifié pour dire énergie * pure *.
"la masse est déjà une énergie".C'est ce qui déroute beaucoup de gens, mais c'est juste là dans l'équation.Il y a un signe d'égalité dans E = mc², pas une flèche comme dans les réactions chimiques.
@Suppen "V = kT" signifie-t-il que "la température est un volume"?
@OrangeDog Oui, dans le contexte des gaz idéaux.Si vous connaissez la température T, vous connaissez également le volume V. Les deux choses ne peuvent pas exister indépendamment l'une de l'autre.Vous n'avez ni température ni volume d'un gaz idéal.Vous n'avez pas non plus de masse ni d'énergie.Vous avez les deux.
@OrangeDog: $ k_B T $ n'est pas un volume.C'est une énergie.La température n'est pas non plus une énergie, mais dans le cas très particulier d'un gaz parfait, elle est directement proportionnelle à l'énergie cinétique de ses molécules (idéalisées).L'énergie $ k_B T $ est de l'ordre (mais pas exactement!) De la moyenne telle pour une seule molécule.Elle a également tendance à être une bonne dimension d'énergie caractéristique pour les systèmes thermodynamiques en général, mais il ne faut pas faire l'erreur d'assimiler directement la température à l'énergie, car elle ne l'est pas.
Je sais.Dites à @Suppen
@OrangeDog `V = kT` ne dit pas` V = T`!Vous avez besoin de la constante.Et oui: `kT` * décrit un volume! * Il a la dimension du volume, et quand vous connaissez la température et la constante, vous connaissez le volume.Vous pouvez décrire le volume de gaz dans les deux sens;ils sont équivalents.Cela est vrai pour toutes les formules de conversion, dans leur domaine.Alors oui: lorsque vous connaissez la masse d'un système, vous connaissez son énergie, et vice versa.Il n'y a pas de distinction.(Sauf que certaines formes d'énergie peuvent être déprimées par mes doigts et laisser une marque sur mon écran ;-)).
GiorgioP
2020-01-15 12:46:29 UTC
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Einstein, dans son article célèbre mais rarement lu " L'inertie d'un corps dépend-elle de son contenu énergétique?", n'a pas écrit cette matière (ou, mieux, masse) peut être converti en énergie . La façon dont il a énoncé son résultat était: $$ \ Delta E = \ Delta m \ cdot c ^ 2, $$ c'est-à-dire que dans le cadre de repos de tout système, les variations de masse et les variations d'énergie (du système) sont proportionnelles. Un tel résultat est inconditionnellement valide, et alors il est également applicable au cas où la masse initiale ou finale dans $ \ Delta m $ est nulle.

Cependant, la relation ne dit rien sur le mécanisme ou même si un processus avec un état initial ou final sans masse est réellement possible. Ce n'est pas la tâche d'un principe de conservation comme celui-ci.

En fait, la première application de la relation d'Einstein à la physique nucléaire, faite par Lise Meitner pour estimer l'énergie obtenue dans l'un des premiers processus de fission obtenus en laboratoire, n'était liée à aucun processus d'annihilation, mais elle reliait le défaut de masse entre le noyau initial et les fragments de fission à l'énergie cinétique des fragments au centre du cadre de masse. Encore une fois, la relation d'Einstein ne dit rien sur le processus de fission possible. Il s'agit simplement d'établir une connexion entre les variations de masse et d'énergie.

et certainement rien n'est dit sur l'efficacité de cette relation ... nous "savons" que les trous noirs supermassifs atteignent une efficacité d'environ 43% (c'est-à-dire les faisceaux de plasma et les rayons gamma et x + la lumière visible étant éjectés du tempsau temps ...) tandis que les ~ 57% restants finissent par s'ajouter à la masse du trou noir (le processus de "manger" réel)
anna v
2020-01-15 17:37:42 UTC
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Pour commencer avec $ m $ dans $ E = mc ^ 2 $ est la masse relativiste , et en physique des particules, c'est hors d'usage, cela crée de la confusion. On utilise quatre vecteurs, où la "longueur" des quatre vecteurs est la masse invariante, identifiée uniquement avec des particules élémentaires et avec des systèmes de particules élémentaires.

Quatre vecteurs sont bons pour suivre l'énergie, car l'une des composantes des quatre vecteurs est l'énergie.

$$ \ overrightarrow {P} = \ left [\ begin {matrix} E \\ p_xc \\ p_yc \\ p_zc \ end {matrix} \ right] = \ left [\ begin {matrix} E \\ \ overrightarrow {p} c \ end {matrix} \ right] $$

C'est de l'algèbre vectorielle et permet des calculs rigoureux.

Les particules élémentaires du tableau de physique des particules ont des masses fixes vues dans le tableau et leurs quatre vecteurs ont toujours la longueur de cette masse:

$$ \ sqrt {P \ cdot {P}} = \ sqrt {E ^ 2 - (pc) ^ 2} = m_0c ^ 2 $$

Qu'arrive-t-il au problème dans le processus? Les atomes / particules subatomiques disparaissent-ils?

Toute matière est composée de particules élémentaires, dans des systèmes liés où il y a un grand nombre de quatre vecteurs à ajouter pour obtenir la masse invariante du système composite. Regardez à quel point un proton est compliqué

myprot

C'est pourquoi il a une masse importante de près de 1000 Mev alors que les quarks et antiquarks constitutifs ont des masses de mev et les gluons de masse nulle. Les quatre vecteurs ajoutés donnent la masse du proton (d'une manière compliquée à calculer)

Il existe des règles de conservation des nombres quantiques auxquelles la matière composée de particules élémentaires doit obéir.La charge, le nombre de leptons du nombre de baryons, etc. doivent être conservés.Ainsi, une façon de transformer la masse en énergie est par annihilation, la particule frappe l'antiparticule, les nombres quantiques s'additionnent à zéro (par définition antiparticule) et ensuite d'autres paires de particules et de rayonnement peuvent apparaître, emportant l'énergie cinétique.Les protons antiprotons annihilant même s'ils ont de petites impulsions, créent un grand nombre de pions, bien sûr en suivant la conservation des nombres quantiques.

En physique nucléaire à cause de la courbe d'énergie de liaison du tableau périodique des éléments,

binding energy

Il est possible d'obtenir de l'énergie par fission ou par fusion d'éléments particuliers, ce qui a conduit à la bombe atomique et à la bombe à hydrogène.Les quatre vecteurs représentant un noyau peuvent se décomposer en quatre vecteurs d'autres noyaux et libérer de l'énergie sous forme de rayonnement ou d'énergie cinétique des nouveaux noyaux.

Sans spécifier quelle référence de cadre on utilise, il est impossible de dire si $ m $ est la masse relativiste ou la masse invariante (ce que vous indiquez comme $ m_0 $).J'ai supposé, comme c'est le cas aujourd'hui, que le référentiel est le centre de masse du référentiel et que $ m $ est la masse invariante.De plus, Einstein a obtenu la relation fonctionnant dans le système du centre de masse, et ce cadre de référence est le plus évident si l'on doit transformer les énergies de liaison en masse.
@GiorgioP il existe une formule très spécifique pour la masse relativiste dépendante de γ https://en.wikipedia.org/wiki/Mass_in_special_relativity#Relativistic_mass, $ m_ {rel} / m_0 $ = γ $, je voulais que les lecteurs accèdentla question.
C'est pourquoi vous devriez probablement utiliser l'élan et abandonner le concept de «masse relativiste».
Árpád Szendrei
2020-01-16 01:22:08 UTC
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Vous vous interrogez essentiellement sur l'équivalence d'énergie de masse et les réactions nucléaires. Et vous aimeriez savoir ce qui arrive à la masse (je suppose du repos) et à la matière dans le processus.

La formule masse-énergie sert également à convertir des unités de masse en unités d'énergie (et vice versa), quel que soit le système d'unités de mesure utilisé. Cependant, l'utilisation de cette formule dans de telles circonstances a conduit à la fausse idée que la masse a été «convertie» en énergie. Cela peut être particulièrement le cas lorsque l'énergie (et la masse) retirée du système est associée à l'énergie de liaison du système. Dans de tels cas, l'énergie de liaison est observée comme un «défaut de masse» ou un déficit dans le nouveau système. La différence entre la masse de repos d'un système lié et des parties non liées est l'énergie de liaison du système, si cette énergie a été supprimée après la liaison. Par exemple, une molécule d'eau pèse un peu moins de deux atomes d'hydrogène libres et un atome d'oxygène.

https://en.wikipedia.org/wiki/Mass%E2%80%93energy_equivalence

Il existe essentiellement deux types de réactions qui sont très intéressantes dans ce cas pour comprendre le fonctionnement du processus:

  1. fission

La masse du noyau atomique est inférieure à la somme des masses des constituants libres, des protons et des neutrons, cette énergie manquante est le défaut de masse.

Il est très important de comprendre que les constituants pendant la fission restent, c'est juste la masse qui change car vous devez ajouter de l'énergie au système lié pour le rendre à nouveau non lié (séparer les constituants).

La signification même de l'équivalence masse-énergie est dans ce cas que la masse du système lié est constituée par des constituants, et l'énergie de liaison le modifie.

En descendant au niveau QM inférieur, au niveau des quarks à l'intérieur du proton et du neutron, il est plus facile de voir que 99% de la masse du proton ou du neutron sont essentiellement les énergies de liaison des quarks et des gluons, et seulement 1% est la masse des quarks. C'est là que l'équivalence d'énergie de masse devient si importante à comprendre. C'est QM.

  1. Annihilation de positons d'électrons

Ce processus se produit lorsqu'un électron et un positron entrent en collision et à basse énergie, l'électron et le proton cessent d'exister (dans leur forme originale), et la vraie nature du monde QM sous-jacent est révélée, les énergies totales du la paire électron-positon est convertie en photons. Ainsi, ce que vous demandez exactement sur ce qui arrive à la matière (électron positron) dans le processus, c'est qu'elle se transforme en un type différent de forme d'énergie, le quanta même d'énergie, le photon.

C'est là que la vraie nature de la gestion de la qualité est révélée et contrairement à la croyance populaire, l'équivalence d'énergie de masse est également magnifiquement représentée par ce processus.

Le plus probable est la création de deux photons ou plus. La conservation de l'énergie et la quantité de mouvement linéaire interdisent la création d'un seul photon. (Une exception à cette règle peut se produire pour les électrons atomiques étroitement liés. [1]) Dans le cas le plus courant, deux photons sont créés, chacun avec une énergie égale à l'énergie de repos de l'électron ou du positron (0,511 MeV). [2]

https://en.wikipedia.org/wiki/Electron%E2%80%93positron_annihilation

MasterOfTwo
2020-01-17 23:36:58 UTC
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Pour ne pas enlever d'autres réponses plus détaillées, je pense qu'il y a quelque chose qui pourrait être plus pertinent.

La matière n'est pas convertie en énergie. La masse est convertie en énergie.

Ceci peut être observé, par exemple, dans la fusion nucléaire d'hidrogène, résultant en un noyau d'hélium.Avec deux protons (de, disons, masse = 1), vous vous attendez à ce que le noyau résultant ait une masse = 2.

Mais ce n'est pas le cas.La masse résultante est inférieure à 2. Cette différence de masse est l'énergie qui a été libérée dans le processus.

Incidemment, vous pouvez extraire de l'énergie de la fusion jusqu'à ce que vous fassiez un noyau de fer.Tout ce qui est plus lourd que cela absorbera réellement de l'énergie (qui est ensuite transformée en masse, suivant le même principe).La conséquence est que vous pouvez tirer de l'énergie de la fission de ces éléments plus lourds (c'est ainsi que fonctionnent les centrales nucléaires actuelles).



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 4.0 sous laquelle il est distribué.
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