De l`atome au noyau

Extrait de la revue Elémentaire n°1 disponible à l'adresse : http://elementaire.lal.in2p3.fr/
De l’atome au noyau
© B. Mazoyer
Q
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A
Q
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C
© The Hebrew University of Jerusalem
B
d
,OI DE DIFFUSION DE "RAGG
/N CONSIDÞRE UNE ONDE LUMINEUSE INCIDENTE SUR LA SURFACE DUN
CRISTAL SOUS UN ANGLE ! ,ES ATOMES DU CRISTAL SONT REPR£SENT£S PAR
DES POINTS ,A LUMIÞRE DIFFUS£E PAR UN ATOME SERA EN PHASE AVEC CELLE
DIFFUS£E PAR LATOME SITU£ IMM£DIATEMENT ENDESSOUS SI LA DIFF£RENCE
DES TRAJETS POUR CES DEUX SITUATIONS EST UN MULTIPLE DE LA LONGUEUR
DONDE LUMINEUSE D SIN! N ", OÂ N EST UN NOMBRE ENTIER
/N PEUT G£N£RALISER CE RAISONNEMENT EN CONSID£RANT QUUN CRISTAL EST
FORM£ DUN R£SEAU DATOMES Í TROIS DIMENSIONS #ERTAINES DIRECTIONS
VONT AINSI ãTRE PRIVIL£GI£ES ET CORRESPONDRE Í DES MAXIMA DINTENSIT£
LUMINEUSE
%XEMPLES DE DIAGRAMMES DE DIFFUSION
DE RAYONS 8 Í TRAVERS DES CRISTAUX
DE TYPES DIFF£RENTS Í PARTIR DESQUELS
LA STRUCTURE CRISTALLINE PEUTãTRE
RECONSTITU£E
ÉLÉMENTAÍRE
!RRANGEMENTS DATOMES DE SILICIUM MESUR£S AVEC
UN MICROSCOPE Í EFFET TUNNEL AU $£PARTEMENT
DE RECHERCHE SUR LE RAYONNEMENT SYNCHROTRON DE
,UND 3UÞDE #HAQUE ATOME EST VISIBLE ET LON
PEUT OBSERVER LEUR DISPOSITION R£GULIÞRE AINSI QUE
QUELQUES D£FAUTS
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La découverte du noyau de l’atome est attribuée à Ernest Rutherford,
Hans Geiger et leur étudiant Ernest Marsden. Leurs mesures eurent
lieu en 1909 à Manchester. L’expérience consistait à mesurer la
diffusion des particules alpha (c’est-à-dire des noyaux d’hélium) par
une feuille d’or. Rutherford avait observé que l’image, enregistrée sur
une plaque photographique d’un faisceau de particules alpha passant
à travers une feuille mince, était diffuse. Il pensait que l’étude de ce
phénomène le renseignerait sur des propriétés des atomes.
Or, Rutherford et Geiger avaient développé un nouveau type de
détecteur constitué d’un écran recouvert de sulfure de zinc qui
émettait une faible lumière à l’endroit où passait une particule alpha.
Produites par une source radioactive, les particules alpha devaient
traverser une fente et formaient ensuite un faisceau étroit. La feuille
d’or était placée au niveau de la fente et l’écran, une cinquantaine de
centimètres plus loin. Le trajet des particules alpha devait s’effectuer
dans le vide car quelques centimètres d’air suffisent à les arrêter.
Pour observer les scintillations, Geiger examinait l’écran à travers un
microscope qu’il déplaçait afin de compter le nombre de particules
diffusées à une distance donnée de l’axe du faisceau (voir figure 4).
Ces mesures indiquaient que l’angle moyen de diffusion était faible,
inférieur à 1°, signe que la plupart des particules étaient peu déviées.
Survint alors E. Marsden, étudiant de H. Geiger. Ce dernier demanda
à Rutherford un sujet d’étude. Rutherford lui dit alors de chercher s’il
y avait des particules alpha qui étaient diffusées à plus de 90°, c’est
à dire qui repartaient « à l’envers ». Quelques jours plus tard, Geiger
rapporta que Marsden avait observé de telles particules.
© Lund University
Les noyaux : petits mais costauds
,A MESURE DES PARTICULES ALPHA PAR
SCINTILLATION
#HAQUE PARTICULE ALPHA PROVOQUE
UNE L£GÞRE £MISSION LUMINEUSE EN
FRAPPANT L£CRAN DE SULFURE DE ZINC
PLAC£ Í LEXTR£MIT£ DU MICROSCOPE #ETTE
DERNIÞRE NE PEUT ãTRE PER½UE QUE PAR DES
YEUX ADAPT£S Í LOBSCURIT£ 5NE MãME
PERSONNE NE PEUT COMPTER CORRECTEMENT
LES £CLAIRS QUE PENDANT UNE MINUTE ET
ENCORE FAUTIL QUE LA CADENCE NE D£PASSE
PAS Í LA MINUTE #ERTAINS ONT £CRIT QUE
LE FAIT DE PASSER DE NOMBREUSES HEURES
DANS CES CONDITIONS A INCIT£ 'EIGER Í
TROUVER UN MEILLEUR MOYEN DE COMPTER
CES PARTICULESx
© B. Mazoyer
De l’atome au noyau
lGURE 3CH£MA DE PRINCIPE DE LEXP£RIENCE DE 'EIGER -ARSDEN ET
2UTHERFORD
© John L. Park
Rutherford en fut sidéré : en ayant extrapolé les résultats précédents il
s’attendait à ne pas en trouver plus d’une pour un milliard. Les mesures
suivantes montrèrent que les diffusions à grands angles se produisaient
avec une probabilité de 1/8 000. Rutherford en conclut que certaines
particules alpha rebondissaient sur quelque chose de petit et de lourd
situé à l’intérieur des atomes. En effet, lorsqu’un projectile repart dans la
direction opposée, après collision, sa masse est nécessairement inférieure
à celle de la cible (voir figure 5). Geiger et Marsden complétèrent leurs
mesures allant jusqu’à dénombrer plus de 100 000 scintillations et
Rutherford en déduisit que la taille du noyau était environ 1/10 000 de
celle de l’atome.
Pour expliquer ces résultats il proposa un mécanisme selon lequel les
particules alpha, qui ont une charge positive, sont déviées par le champ
électrique créé par la charge, également positive, du noyau atomique.
La trajectoire de la particule alpha est alors une hyperbole et l’angle de
déviation est directement lié à la distance d’approche de la particule au
noyau (voir figure 6).
À partir de ce modèle, Rutherford fut aussi à même de prédire la variation
du nombre de particules alpha en fonction de leur angle de déviation. Ces
prédictions étaient en parfait accord avec les mesures. Ceci impliquait
que le rayon du noyau des atomes d’or était plus petit que la distance
minimale d’approche accessible à l’expérience.
( 'EIGER Í GAUCHE ET % 2UTHERFORD
Í DROITE Í C¯T£ DE LAPPAREILLAGE AYANT
PERMIS DE MONTRER LA PR£SENCE DUN
NOYAU PETIT ET MASSIF AU CENTRE DES
ATOMES
© B. Mazoyer
Avant cette date Jean Perrin, remarquant qu’il était difficile pour des
atomes d’argon d’entrer en rotation lors de chocs, en avait déduit que la
masse de l’atome devait être concentrée dans une très petite région. « En
définitive, je présume qu’on reste au-dessous de la vérité en admettant que
la matière des atomes est contractée dans un volume au moins un million
de fois plus faible que le volume apparent qu’occupent ces atomes… »
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lGURE #HOC FRONTAL ENTRE DEUX BILLES DE
MASSES DIFF£RENTES LUNE £TANT Í LARRãT
Personne n’eut, semble-t-il, de prix Nobel pour la découverte du noyau
atomique…
ÉLÉMENTAÍRE
De l’atome au noyau
© B. Mazoyer
lGURE ,A PARTICULE ALPHA DE CHARGE
£LECTRIQUE E EST DAUTANT PLUS D£VI£E PAR LE
NOYAU ATOMIQUE DE CHARGE :E QUELLE PASSE
PLUS PRÞS DE LUI ,A DISTANCE DAPPROCHE ENTRE
LES DEUX OBJETS EST MESUR£E PAR LA VALEUR DE
LA QUANTIT£ B APPEL£E LE PARAMÞTRE DIMPACT
3I LON MESURE LANGLE DE DIFFUSION ! DE LA
PARTICULE ALPHA ET SI LON CONNA¦T SON £NERGIE
% ON PEUT CALCULER LA VALEUR DE B SACHANT
QUE LES DEUX CHARGES SE REPOUSSENT AVEC UNE
FORCE INVERSEMENT PROPORTIONNELLE AU CARR£ DE
LEUR DISTANCE
%N SUPPOSANT QUE LES PARTICULES ALPHA
ARRIVENT DE MANIÞRE UNIFORME DANS LESPACE
AU VOISINAGE DU NOYAU LEXPRESSION CIDESSUS
PERMET D£VALUER LA PROBABILIT£ DOBSERVER UNE
PARTICULE DIFFUS£E DANS UNE DIRECTION lX£E /N
TROUVE QUELLE EST INVERSEMENT PROPORTIONNELLE
AU CARR£ DE L£NERGIE DE LA PARTICULE ET Í LA
PUISSANCE QUATRIÞME DE SIN !/2)
#ETTE LOI A £T£ V£RIl£E PAR LES MESURES DE
2UTHERFORD ET DE SES COLLABORATEURS CE QUI
INDIQUAIT QUE LE NOYAU DE LATOME £TAIT PLUS
PETIT QUE LE PARAMÞTRE DIMPACT MINIMAL
ACCESSIBLE
,EXP£RIENCE DE 2UTHERFORD EST LE PROTOTYPE DE
NOMBREUSES EXP£RIENCES ULT£RIEURES DESTIN£ES Í
SONDER LA MATIÞRE Í DES DISTANCES DE PLUS EN
PLUS FAIBLES
ÉLÉMENTAÍRE
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%RNEST 2UTHERFORD EST N£ EN .OUVELLE:£LANDE )L Y D£BUTA SES RECHERCHES QUIL POURSUIVIT
EN Í #AMBRIDGE SOUS LA DIRECTION DE ** 4HOMSON %N IL PARTIT POUR -ONTREAL AlN DOCCUPER
UN POSTE DE PROFESSEUR )L RETOURNA EN !NGLETERRE EN DABORD Í -ANCHESTER PUIS Í #AMBRIDGE
OÂ IL SUCC£DA COMME PROFESSEUR Í ** 4HOMSON 3ES TALENTS DEXP£RIMENTATEUR FURENT REMARQU£S TRÞS
T¯T %N IL RAPPORTA LEXISTENCE DES RAYONS ALPHA ET BãTA £MIS PAR LURANIUM ET INDIQUA CERTAINES
DE LEURS PROPRI£T£S )L RE½UT LE PRIX .OBEL DE CHIMIE EN POUR SES TRAVAUX SUR LES PARTICULES ALPHA
DONT IL MONTRA NOTAMMENT QUIL SAGISSAIT DE NOYAUX DH£LIUM )L UTILISA CES PARTICULES POUR £TUDIER
LA STRUCTURE DE LATOME ET CONCLUT QUIL FALLAIT ABANDONNER LE MODÞLE DE ** 4HOMSON DIT DU i PLUM
PUDDING w DANS LEQUEL LES CHARGES POSITIVES ET N£GATIVES SONT M£LANG£ES AU SEIN DU VOLUME ATOMIQUE
© ACJC-- Archives Curie et Joliot-Curie
)L SAGIT DE LATOME LE PLUS SIMPLE DONT LE
NOYAU EST CONSTITU£ DUN PROTON AUTOUR
DUQUEL SAGITE UN £LECTRON )L EST IMPOSSIBLE
DE DONNER Í UN INSTANT PR£CIS LA POSITION
DE L£LECTRON AUTOUR DU NOYAU 0AR CONTRE
ON SAIT CALCULER LA PROBABILIT£ DE TROUVER CET
£LECTRON Í UNE DISTANCE QUELCONQUE DE CE
NOYAU
,A REPR£SENTATION CICONTRE MONTRE
CETTE DISTRIBUTION QUE LON DOIT ENCORE
MULTIPLIER PAR L£L£MENT DE VOLUME # R
DR %LLE EST NULLE AU CENTRE EST MAXIMALE
LORSQUE R R LE RAYON DE "OHR ET D£CRO¦T
DE MANIÞRE EXPONENTIELLE LORSQUE LON
S£LOIGNE DU NOYAU ,E RAYON DUN ATOME EST DONC UNE NOTION UN PEU mOUE QUI
D£PEND DE LA MANIÞRE DONT LATOME VA INTERAGIR AVEC SES CONG£NÞRES EN £CHANGEANT
DES £LECTRONS
,E RAYON R ! M EST GIGANTESQUE FOIS PLUS GRAND PAR RAPPORT
Í CELUI DU PROTON SITU£ AU CENTRE DE LATOME QUI VAUT ! M 3ACHANT
QUE LA MASSE DUN PROTON VAUT ! KG ON PEUT £VALUER LA DENSIT£ DE LA
MATIÞRE NUCL£AIRE CONSTITUANT LE PROTON /N TROUVE LA VALEUR IMPRESSIONNANTE DE
MILLIONS DE TONNESCM 4OUT LE RESTE DE LATOME EST OCCUP£ PAR L£LECTRON
ANIM£ DUN MOUVEMENT INCESSANT ET IMPR£DICTIBLE QUI £CHANGE EN PERMANENCE
DE NOMBREUX PHOTONS AVEC LE PROTON ,A MASSE DE L£LECTRON N£TANT QUE DE !
KG LA DENSIT£ DE LATOME EN DEHORS DE SON NOYAU EST DE MGCM
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° QUOI UN ATOME RESSEMBLET IL ,EXEMPLE DE LHYDROGÞNE