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

Dans ce chapitre, nous allons voir comment la science a progressivement découvert la structure de l'atome et a découvert le noyau atomique. Le sujet en question déborde un petit peu de la simple étude du noyau atomique (nous verrons un petit peu de chimie dans ce chapitre), mais cela donnera une bonne base pour la suite du cours. Nous allons commencer notre périple au début des années 1900.A À cette époque, la physique savait que la matière était composée d'atomes, mais elle ne savait ce qu'il avait dedans.

Grâce à Prout et quelques autres scientifiques, les chimistes prirent l'habitude de mesurer la masse d'un atome par rapport à la masse de l'hydrogène. Par exemple, le Carbone a une masse égale à 12 atomes d'hydrogène, l'Oxygène 8 fois, etc. Le coefficient de proportionnalité est appelé le '''nombre de masse''', noté A. Par exemple, le nombre de masse du Carbone est de 12 (A = 12), celui de l'oxygène 8, etc. Les chimistes utilisaient aussi le '''nombre atomique''' Z, qui indique la position de l’élément chimique dans le tableau périodique de Mendeleïev. Certaines relations entre Z et A laissaient penser que le noyauxnoyau n'est pas d'un seul tenant et donnent des indices sur ce qui se trouve à l'intérieur d'un atome.

Dès 1903, Philipp Lenard supposait que les charges des électrons étaient compensées par des particules chargées positivement. Il avait établitétabli un modèle où chaque électron était lié par des interactions électrostatiques à une particule positive. L'ensemble était neutre et il était logique que des charges opposées s'attirent au point de se lier. Mais il fallait expliquer pourquoi chaque couple électron-particule s'assemblait pour former un noyau. Les forces électrostatiques auraient pûpu servir à cela, mais les calculs ne collaient pas à certaines observations.

Le problème principal était que certaines particules rebondissaient avec un angle de plus de 90° : elles revenaient en arrière. Les règles de la mécanique, appliquées aux collisions entre deux corps, nous disent que cela n'est possible que si l'impacteur est plus léger que le corps impacté. La seule explication au rebond des particules alpha est donc qu'elles cognent sur quelque chose de plus lourd qu'elles. Mais les électrons sont bien plus légers que les particules alpha, ce qui fait qu'il doit y avoir autre chose dans l'atome... Le faible nombre de particules renvoyées donne quelques contraintes sur la taille de cet autre chose : il doit être très petit. Plus cet objet massif est gros, plus les particules alpha ont de chances de cogner dessus et plus il devrait y en avoir qui rebondissent vers l'arrière. Le faible nombre de particules alpha renvoyées implique que c'est un petit objet, à peine un pourcent du volume de l'atome, voir moins. En clair : l'atome contient un petit objet très petit mais très massif, vraisemblablement de charge positive.

Rutherford établi alors une formule qui relie le pourcentage de particules qui rebondissent avec un angle de rebond <math>\omega</math>. Nous la démontrerons dans le chapitre sur les diffusions nucléaires et l'étudierons plus en détail. Pour le moment, contentons-nous de dire qu'elle suppose ceci : la particule alpha ne rebondit pas vraiment sur le noyau, mais est en réalité repoussée par répulsion électrostatique. Cette répulsion dévie la particule et peut même la renvoyer si elle arrive avec la bonne trajectoire. La formule de Rutherford collait parfaitement avec les résultats de ses assistants, sauf pour des valeurs d'angle particulièrement élevées. Ils ne le savaient pas à l'époque, mais ces déviations entre formule de Rutherford et résultats permettent d'étudier la structure interne du noyau. Mais revenons à nos moutons... Rutherford utilisa cette formule pour calculer la taille du noyau et l'appliqua sur les expériences de ses assistants. Il puput ainsi déterminer la taille du noyau atomique, qui se révéla extrêmement petite. Le noyau ne fait que 1% du volume de l'atome, alors qu'il concentre la majorité de sa masse. Environ 99% de l'atome est intégralement composé de vide, électrons et noyau compris.

En 1919, Rutherford fi une nouvelle expérience qui lui permis de découvrir le premier composant du noyau. Il voulait vérifier les résultats d'une expérience de Mardsen, qui avait observé l'émission d'hydrogène lors de la désintégration du Radium. Mardsen avait observé l'émission de particules alpha d'un morceau de radon dans une chambre remplie d'Hydrogène gazeux. Les particules alpha émises entraient en collision avec des atomes d'Hydrogène, les envoyant sur un écran scintillant (comme dans l'expérience de Rutherford, sauf que l'écran était sensible aux atomes d'Hydrogène). Il observait bien des points scintillant quand la chambre était remplie d'Hydrogène, preuve que le dispositif marchait parfaitement. Mais, quand il vida la chambre et  la rempliremplit d'air, il vit que des points scintillants apparaissaient toujours, bien que moins souvent. Il en déduit, on sait aujourd'hui à tordtort, que le radon émettait de l'Hydrogène.

Il fallut laLa découverte du neutron en 1932 par Chadwick pour changerchangea 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.