« Le noyau atomique/Introduction historique : la découverte du noyau atomique » : différence entre les versions

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Au début des années 1900, la physique savait que la matière était composée d'atomes, mais elle ne savait ce qu'il avait dedans. La structure de l'atome était presque inconnue et beaucoup de savants pensaient que celui-ci est une particule indivisible, insécable, bref : que l'atome était une particule élémentaire.
 
Mais dès le 19ème19ᵉ siècle, certains scientifiques avaient l'intuition que l'atome était composé de particules plus simples, sans toutefois réussir à le prouver. L'un d'entre eux était le médecin anglais William Prout, qui émis cetcette hypothèse dans un article paru en 1815. Prout étudiait la masse des atomes et il fit une remarque intéressante : la masse d'un atome est proportionnelle à la masse du noyau d'hydrogène. Une conclusion naturelle de cette observation était que l'atome était composé de plusieurs atomes d'hydrogènes reliés entre eux par une force encore inconnue à l'époque. Seule l'atome d'hydrogène était une particule fondamentale, les autres atomes en étant simplement des dérivés. Mais cette hypothèse a finitfini par être mise en défaut suite à des mesures plus précises, ce qui réfuta l'idée de Prout. La proportionnalité entre masse atomique et masse de l'hydrogène était simplement approximative. Cette approximation a d'ailleurs été nommée '''règle de Prout''' en son honneur.
 
==Le modèle de Thomson==
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La science fît un grand bond en avant suite à la découverte de l'électron, une particule chargée négativement et de faible masse. C'est alors que commença la découverte de la structure atomique, qui mena finalement à la découverte du noyau atomique. Les savants découvrirent que l'atome n'est pas une entité élémentaire, mais qu'il est composé de plusieurs particules individuelles, dont les électrons, qui s'assemblent pour former un atome. Thomson, qui avait découvert l'électron en 1903, a rapidement deviné que l'atome contient des électrons. Mais les électrons sont des particules chargées négativement, alors que les atomes sont neutres : l'atome doit contenir des charges positives pour compenser la charge électronique. Thomson supposa que l'atome est d'une partie négative formée d'électrons et d'une partie positive mal définie. Il supposait cependant que la partie positive était une sorte de gelée dans laquelle les électrons nageaient, chose qui a été décrit comme des raisins dans du pudding.
 
Les électrons étaient, dans ce modèle, libres de se déplacer dans la gelée positive, leur trajectoire étant grossièrement elliptique, mais cependant très irrégulière. Les électrons ont peu de chances de quitter l'atome, du moins, sans qu'on leur apporte d'énergie. Si un électron s'éloigne trop du centre, la répartition des charges se déséquilibre et fait naitre une charge positive au centre de l'atome. La charge induite attire alors l’électron fugueur vers le centre de l'atome, ce qui l'empêche de fuir. Thomson compris rapidement que la trajectoire des électrons avait un lien avec le phénomène des raies atomiques, mais ne puput le démontrer formellement. Il fallufallut attendre le modèle de Bohr pour que ce lien deviennentdevienne plus clair. Mais laissons cela à un cours de chimie.
 
==Les modèles planétaires de Nagoya et de Rutherford==
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[[File:Rutherford atom.svg|vignette|Modèles planétaires de l'atome.]]
 
En 1904, le scientifique japonais Hantarō Nagaoka proposa un modèle alternatif à celui de Thomson. Il considérait que celui-ci était incorrect, pour diverses raisons, la principale étant que des charges opposées en peuvent pas s'interpénétrer (ce qui est le cas dans le modèle de Thomson). Son modèle de l'atome était basé sur le fait que la charge positive était localisée au centre de l'atome, dans un petit espace : le noyau atomique. Les électrons tournaient autour du noyau atomique, sur des orbites elliptiques ou circulaires. La ressemblance de cette configuration fait que sa théorie a été appelée le '''modèle planétaire''' de l'atome. Il supposait que le noyau était très massif comparé aux électrons, afin de garantir la stabilité de l'ensemble. Les électrons étaient maintenus sur leurs orbites par les forces électrostatiques, à savoir l'attraction du noyau positif. Ces deux prédictions furent confirmées par la suite, mais divers éléments plus précis du modèle furent cependant réfutés par la suite. Le modèle exact était correct dans les grandes lignes, mais ses détails et sa formulation mathématique avaient quelquequelques soucis sur lesquels nous ne nous attarderons pas.
 
===L'expérience de Rutherford-Geiger-Mardsen===
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[[File:The dynamid atomic model, by Philipp Lenard, 1903.gif|vignette|Le modèle atomique dynamique de Philipp Lenard, 1903.]]
 
Après la découverte du noyau, les physiciens ont établitétabli que le noyau était chargé positivement et de petite taille. Sa charge est de plus égale à la charge des électrons, mais de signe contraire. Certains scientifiques supposèrent que le noyau était lui-même composé de particules élémentaires, chargées positivement et de même masse que le noyau d'hydrogène. Parmi ces raisons, on peut citer la règle de Prout, mais celle-ci est loin d'être la seule. Dès 1903, Philipp Lenard avait établit un modèle où chaque électron était associé à une particule positive (le futur proton), l'ensemble des couples électron-proton étant lié par des interactions électrostatiques. Mais la découverte du noyau atomique avait réfuté ce modèle. Peu après, Antonius van den Broek suppose que la place de chaque élément dans la classification périodique est égale à la charge de son noyau, ce qui est confirmé par les expériences d'Henry Moseley en 1913.
 
De nos jours, on sait que ces particules existent bel et bien et on leur a même donné un nom : ce sont les protons. Ce sont des particules chargées électriquement. Leur charge est positive, de même valeur absolue que celle de l’électron. Il a une masse de <math>1,67262 \times 10^{-27}</math> kg, ce qui est presque égal à 1836,15 fois celle de l’électron.
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Avec la découverte du proton, on a enfin une particule qui permet de rendre compte de la composition du noyau. En effet, la masse du noyau semble approximativement proportionnelle à la masse du proton. Mais cette hypothèse a un défaut : elle ne rend pas compte de la charge du noyau. En effet, si on suppose que le noyau atomique est composé de protons, alors la charge calculée ne correspond pas. Si on mesure la masse en unité d'atomes d'hydrogène et la charge électrique, il y a un facteur 2 entre ces deux valeurs : il doit y avoir deux fois plus de protons que d’électrons du point de vue de la masse, mais autant de protons que d’électrons du point de vue de la charge. Prenons l'exemple de l'atome de carbone 12, qui contient 6 électrons : son noyau a une charge de 6 (ce qui correspond à 6 protons), mais sa masse est de 12 fois celle du proton. Et ce problème se rencontre pour tous les noyaux, excepté pour l'hydrogène (et plus précisément pour son isotope appelé le protium). Pour résoudre ce problème, les physiciens ont postulé que le noyau contenait des électrons qui compensaient la charge de la moitié des protons. Cette théorie des électrons nucléaires avait cependant de nombreux problèmes techniques et expliquait mal certaines données expérimentales.
 
Il fallufallut la découverte du neutron en 1932 par Chadwick pour changer la donne. Les scientifiques ont rapidement compris que le noyau contenait à la fois des protons et des neutrons, suite à diverses observations qui montrèrent que le neutron est un constituant du noyau. Le neutron a une charge électrique nulle, contrairement au proton et à l’électron. Sa masse est très légèrement supérieure à celle du proton (un neutron est 1,0014 fois plus lourd que le proton) et vaut <math>1,67493 \times 10^{-27}</math> kg.
 
: Ceux qui veulent en savoir plus à ce sujet peuvent lire le lien suivant :