Chp.2 HISTORIQUE §1. Les premières particules : e, p, γ, n (1897

Chp2 Historique §1 Premières particules H1 - 1
Chp.2 HISTORIQUE §1. Les premières particules : e, p, γ, n (1897-1932)
1885 : découverte des rayons X par Roetgen (lauréat du premier Prix Nobel de Physique 1901)
1896 : découverte de la radioactivité par Becquerel (PN 1903) : rayonnements (particules) α, β, γ
H1.1. L'électron : Thomson
1897 découverte de l’électron par J.J. Thomson
J.J. Thomson étudie les rayons cathodiques émis par 1 filament chauffé et constate que ces rayons sont :
→ déviés par un aimant (B) ⇒ sont chargés électriquement
→ sens de la courbure ⇒ charge électrique négative
Les rayons sont soumis à un champ électrique E et à un champ magnétique B perpendiculaires à leur
déplacement (avec E et B perpendiculaires l'un à l'autre) :
⇒ la force de Lorentz agissant sur les particules chargées vaut:
r
r
r
r
FqEqvB
L=+×
di
Le champ électrique dévie les particules vers le haut tandis que le champ magnétique les dévie vers le bas.
La méthode de Thomson consiste à
 prendre note de la position de la tache du faisceau non dévié (sur un écran luminescent) quand E et B sont
nuls,
 appliquer un champ électrique constant et à mesurer la déviation résultante : ∆= eEd
2m v
2
e
2
avec d la distance entre les armatures de déviation, v et me la vitesse et la masse de l'électron,
 appliquer un champ magnétique et à régler sa valeur jusqu'à ce que la tache du faisceau soit à sa première
position @ force électrique = magnétique (
r
F): eE = evB 0
L=
@ détermination de v = E/B
@ détermination du rapport e/m
Comme on sait que les atomes sont électriquement neutres, on se demande où peut se trouver la charge
positive. De même on de demande où se trouve la grande partie de la masse atomique car Thomson mesure la
masse de l'électron par rapport à celle d'un atome d'hydrogène : me ≈ 1800 fois plus petite que mH.
"Could anything at first sight seem more impractical than a body
which is so small that its mass is an insignificant fraction of the
mass of an atom of hydrogen?" (J.J. Thomson)
1916 : mesure charge e (Millikan)
E

Chp2 Historique §1 Premières particules H1 - 2
H1.2. Le proton : Rutherford
1911 expérience de diffusion ♥pionnière des expérience de physique des particules !
L'expérience de Ernest Rutherford1, schématisée ci-dessous, se réalise dans un vide assez poussé; les
particules α proviennent de quelques milligrammes de radium. Au moyen d'un diaphragme placé en
face de la source, on définit un faisceau de particules α perpendiculairement à une cible qui est ici
une mince feuille en or. Les particules α diffusées dans les différentes directions autour de la cible
sont détectées via la scintillation (cf. → cours) qu'elles génèrent sur un écran en sulfite de zinc
entourant la cible. La faible scintillation2 est observée au moyen d'un microscope tournant autour de
l'écran.
Atome Au Modèle Thomson
Charge électrique vue par α
≈ 0 @ indépendante du
paramètre d'impact b @ pas
de déviation attendue
α
Modèle Rutherford
Diffusion de la particule α
due à l'interaction
coulombienne
@ α avec paramètre d'impact
b voit une charge concentrée
en un noyau de rayon b
b
Résultat attendu à l'époque : déviations de ≈ 1°; résultat obtenu: la plupart des particules traversent
la cible sans être déviées, mais certaines sont diffusées à grand angle et quelques unes à ≈ 180°!
Ceci ne peut s'expliquer que si la charge positive de l'atome est concentrée dans un cœur (noyau).
Petit calcul classique pour le démontrer :
Supposons que la charge positive (79e pour un atome d'or) soit répartie à la surface de l'atome (sphère de
rayon r0 ≈ 1 Å) : elle produit un champ électrique dont la grandeur vaut : E1
4
79e
r
0
2
=⋅
πε 0
@ force de répulsion électrique sur particule α : FE
=
⋅
2e = 3,64 10−6 N.
Supposons que la particule α ne soit soumise à cette force que pendant un temps égal à sa "traversée" de
l'atome (soit 2 r0). Comme elle a une vitesse3 de 0,05 c = 1,6 107 m s−1 cela donne t0 = 2r0/v = 1,25 10−17 s.
@ comme Mα = 6,7 10−27 kg, la force électrique produira une accélération latérale (a=F/m) de 5,4 1020 ms−2.
@ En multipliant par le temps de traversée, on trouve une vitesse latérale : 1,25 10−17 × 5,4 1020 = 6750
ms−1, soit < 0,001 de la vitesse longitudinale. Ceci ne peut expliquer des déviations de trajectoires de 90° ou
plus, même si on considère une épaisseur de 400 atomes soit au maximum 400 déviations en série. Il faut
donc considérer une force de répulsion électrique beaucoup plus importante c-à-d un champ électrique généré
par une sphère de rayon beaucoup plus petit que celui de l'atome c-à-d une sphère de rayon r ≈ 10−14m.
1 Elève de Thomson; lauréat du Prix Nobel de chimie en 1908 pour la chimie des substances radioactives et
désintégrations des éléments @ cherche alors à étudier la structure de l'atome en utilisant la radioactivité.
2 une personne devait habituer ses yeux à l'obscurité totale pendant une demi-heure, puis pouvait compter correctement
les "flashs" pendant une minute (on pouvait en compter jusqu'à ≈90 par minute!)
3 Ecinα ≈ 5 MeV & Mα ≈ 4000 MeV/c2 @ vα ≈ 2 5 4000⋅/⋅c ≈ (1/20)c

Chp2 Historique §1 Premières particules H1 - 3
Rutherford a ainsi établi la dépendance angulaire de la diffusion en ne considérant que des effets
coulombiens (forces de répulsion électrostatiques) : d
d
Zze
sin
2
σθ
θ
bg ch
Ω÷F
H
GI
K
J
2
4
2
1906 : Rutherford identifie les particules α comme étant des noyaux d'hélium via la mesure de leur
rapport charge/masse He++
1921 découverte du proton par Rutherford
@ particules α peuvent expulser des noyaux d'hydrogène de nombreux autres noyaux; il envoie par
exemple un faisceau de particules α (source de Ra) sur une mince couche d'azote:
7
14
2
4
NO
8
17
1
1
+→ +αH
@ il en déduit que les noyaux d'hydrogène sont les composants élémentaires du noyau et leur
donne le nom de protons (protos = premier en grec).
Rutherford propose un modèle atomique "système solaire" comprenant un noyau positif autour
duquel gravitent un certain nombre d'électrons dont la somme est égale, en valeur absolue, à la
charge positive du noyau : "a very small tightly packed, charged nucleus sprinkled with opposite
charges in the mostly empty surrounding void".
Modèle de Thomson modèle atomique de Rutherford
"le pudding aux raisins"
observations
+5e
e
NB si on applique les lois de la physique classique,
l'atome est instable par émission continue d'éner
g
ie
e
• la masse des noyaux légers sont des multiples de la masse du proton (à qqs % près)
• désintégration β = émission d'électrons à partir du noyau radioactif
@ fausse piste Noyau d'un atome de nombre atomique Z et nombre de masse A =
système lié de A protons et (A-Z) électrons. @ Qno
y
au = Z e
@ Après réflexion, Rutherford suggère la présence d'une autre particule, neutre, (@ le neutron), qui
permettrait la stabilité du noyau atomique. En 1912, Niels Bohr se joint à son groupe de recherche.
Chadwick est également un de ses élèves.

Chp2 Historique §1 Premières particules H1 - 4
H1.3. Le photon 1900 - 1924
quand et par qui le photon a été découvert est difficile à préciser …
1900 Planck (PN 1918) : théorie des quanta
Planck essaie d’expliquer le spectre du corps noir, c’est-à-dire le rayonnement électromagnétique
émis par un objet chaud. Il pose que l’émission de rayonnement électromagnétique est quantifiée :
émission de paquets d’énergie ou quanta hν @ Eh==ν
ω
h
avec ν la fréquence de la radiation & h = constante de Planck.
fin 19e : mise en évidence de l'effet photoélectrique : lumière envoyée sur cathode produit un
courant si sa fréquence dépasse un certain seuil.
1905 Einstein : explication de l'effet photoélectrique
(Einstein obtient le prix Nobel de physique pour cela en 1921)
@ le rayonnement électromagnétique lui-même est quantifié, lumière = particules d'énergie hν
1923 Compton (PN 1927) étudie la diffusion de rayonnement EM (λ= v/ν) par un électron peu
lié et observe un changement de longueur d’onde (λ’) suivant la loi :
Avec : λ = longueur d’onde incidente
λ’ = longueur d’onde diffusée
= longueur d’onde de Compton :
λc
λc=h
mc
e
(me = masse de la particule cible)
θ= angle de diffusion
Cette équation (*) s'obtient si
Effet photoélectrique: quand un rayonnement
électromagnétique frappe la surface d’un
métal, des électrons sont émis avec énergie
cinétique : Eh
θ
e−
λ'
λ
λ
λ
λ
θ
'(cos)
=
+
−
c1 (*)
→ l’énergie des e
−
est indépendante de
l’intensité du rayonnement.
Il faut : hν > WA = seuil
W
cin ≤−ν
WA =
travail d’arrachement
f(matériau)
A
- on traite le rayonnement comme une particule de masse au repos nulle, d’énergie donnée
par la relation de Planck E = hν = mc2 @ d'impulsion ph
=⋅=
h
cc
ν
λ
2
- on considère une collision élastique γ/e−, c’est-à-dire si on applique les lois de conservation
de l’énergie cinétique et de l’impulsion (relativistes)
@ on appelle cette particule le PHOTON (symbole γ en référence au rayonnement nucléaire γ).

Chp2 Historique §1 Premières particules H1 - 5
H1.4. Système lié électron – proton (quantification): Bohr
1914 : Niels Bohr quantifie l’atome d’hydrogène système lié électron – proton
@ PN 1922
E = 0
E3 M n = 3
E2 L n = 2
−13,6 eV E1 K n = 1
Bohr va appliquer la théorie des quanta à l'atome d'hydrogène. L'électron circule
autour du proton comme une planète autour du soleil maintenu en orbite par la
force électrique (attractive) de charges électriques opposées, mais :
 1er postulat, les états stationnaires : l'électron peut se trouver dans certains
états stationnaires pour lesquels il n'y a aucune émission de rayonnement
électromagnétique, en dépit de l'accélération centripète qu'il subit.
 2ième postulat, la quantification des orbites : Le moment cinétique d'un
électron sur une orbite stationnaire est un multiple entier de h :
L
r
m
nn
nnen
=
=
⋅
=
vh123, , ,...
avec rn le rayon de l'orbite, vn la vitesse de l'électron.
@ l'électron ne peut se trouver que sur des orbites de rayon défini
FF e
rmrrm n
coulomb centripète
n
e
n
n
nen
==⋅ =
2
0
2
2
4πε
vv& h
@ rme nrn nA
n
e
=⋅=⋅≈⋅
L
N
MO
Q
P
°
4053
0
2
2
2
1
22
πε h, pour H (Z=1)
correspondant à un niveau d'énergie bien déterminé (état stationnaire)
@ E pour H
me
n
E
nn
eV
n
e
=− =− ≈−
4
0
22
1
22
24
13 6
πε
bg
h
,
@ 0,53Å =rayon de la 1ère orbite de Bohr −13,6 eV = énergie du fondamental
n = nombre quantique principal n = 1, 2 … entier
 3ième postulat, les fréquences : un atome n'émet (n'absorbe) de rayonnement
EM (photon) que lorsqu'un de ses électrons passe d'une orbite stationnaire de
nombre m vers une orbite stationnaire de plus petit (grand) nombre n.
l'énergie du photon correspondant : E = hν = Em − En.
@ Bohr calcule le spectre de l'hydrogène.