Temps de l'atome

 

Le noyau et le neutron

par A.-M. N. et A. R.

Dans notre monde infiniment grand, nos yeux pensent tout voir, mais finalement ceux-ci ne perçoivent qu'une petite quantité de notre réalité. Nous sommes entourés de petites choses que nous croyons inexistantes, car ces structures sont minuscules et invisibles. Ces petites choses ont été difficiles à découvrir, mais maintenant, elles sont plutôt simples à comprendre. Il sera ainsi question du noyau et des neutrons.

Le noyau

Lord Ernest Rutherford naquit en 1871, en Nouvelle-Zélande, et fit ses études dans deux universités différentes pour ensuite commencer sa carrière en enseignement de la physique à l'Université McGill à Montréal de 1898 à 1907. Il continua dans ce domaine pour les douze années qui suivirent, mais dans des universités différentes. C'est en 1919 qu'il fut professeur de physique expérimentale et directeur du laboratoire Cavendish, à l'université Cambridge. En 1920, il occupa également une chaire de professeur, à l'Institution royale de Grande-Bretagne, à Londres. Rutherford fut l'un des premiers et des plus importants chercheurs dans le domaine nucléaire. En 1896, la radioactivité fut découverte par Henri Becquerel. À ce moment, on comprit très vite que les rayonnements émis par l'uranium appartenaient à trois catégories différentes. Rutherford baptisa ces rayons alpha, bêta et gamma, du nom des trois premières lettres de l'alphabet grec. Les rayons gamma étaient semblables aux rayons lumineux, à la différence près que leur longueur d'onde était extrêmement courte. Les rayons bêta étaient des flots très rapides d'électrons. Tandis que les rayons alpha, tant qu'à eux, présentaient une innovation. Ils étaient des courants de particules bien plus massives que les électrons soit de 7000 fois plus massives. Malgré cela, les rayons alpha paraissaient vraiment petits, puisqu'ils pouvaient traverser de fines couches de matière, ce qu'aucun atome ne pouvait exécuter.

C'est pour cela que Rutherford décida de prendre des rayons alpha pour réaliser son expérience. Ernest avait pour but de découvrir la structure de l'atome en observant les trajectoires des rayons alpha à travers la matière. Son expérience était tout simplement de bombarder une feuille d'or avec des rayons alpha. Un écran était placé à l'arrière afin de bien percevoir les résultats. Il pouvait faire cette observation lorsqu'apparaissaient des points brillants qui indiquaient à quel endroit les particules touchaient l'écran. Avec cette expérience, Rutherford s'attendait à une simple petite déviation, mais à sa grande surprise, ce n'est pas du tout cela qu'il a obtenu. Il a obtenu plutôt ceci:

Expérience de Rutherford animée

Plus précisément, cela veut dire qu'une très grande majorité des particules alpha traversaient la feuille d'or (3) , tandis que d'autres déviaient lors du passage dans la feuille (1) et finalement, une très petite quantité de particules rebondissaient fortement en frappant la feuille d'or (2) d'une épaisseur très minime, soit d'un demi-micron. Rutherford fit alors connaître son interprétation en 1911. Le nouveau modèle de l'atome contenait ainsi les cinq caractéristiques que voici:

Bref, selon Rutherford, un atome se composait d'un noyau minuscule qui contenait pratiquement toute la masse de l'atome et qui était entouré d'un nuage d'électrons très légers. Cette théorie relative à la structure atomique et ses travaux en physique nucléaire lui valurent le prix Nobel. Son modèle avait donc l'allure qui suit:

En 1914, le physicien anglais Henry Moseley fit la démonstration que chaque élément possédait un noyau atomique pourvu d'une charge électrique de grandeur bien particulière. Dans tous les cas, la charge était neutralisée par les électrons chargés négativement. La même année, Rutherford émit l'hypothèse que le noyau tirait sa charge électrique positive d'un certain nombre de particules ayant toutes une charge égale à +1. Ces charges se firent donc appelées «protons». Par contre, le noyau ne contient pas seulement des protons.

Le modèle de Rutherford ne pouvait être parfait, car il y a toujours place à l'amélioration. C'est donc son élève, Niels Bohr, qui le rendit conforme aux nouvelles découvertes. En 1932, le physicien James Chadwick découvrit une autre particule subatomique à peine plus massive que le proton, sa masse était en fait 1838 fois plus grande que celle de l'électron. Elle ne portait aucune charge: électriquement neutre, elle se fit donc nommer le «neutron».

Le noyau atomique se compose donc de deux particules: le neutron et le proton et chaque type d'atome présente une combinaison différente. C'est ce que nous allons élaborer dès maintenant.

Le neutron

Le neutron est une très petite particule qui compose le noyau avec le proton. Il assure la stabilité du noyau. Voici comment les physiciens, après plusieurs années de recherches, sont arrivés à la conclusion qu'il y avait cette particule dans l'atome. C'est en 1930 que deux physiciens allemands, Walther Bothe et Herbert Becker, démontrèrent que le noyau dégageait un rayonnement que personne n'avait jamais vu auparavant et qui avait un très grand pouvoir de pénétration. Ils ont provoqué ce rayonnement en bombardant du béryllium avec des particules alpha. Ce bombardement provoquait l'émission des particules neutres qui pouvaient traverser une certaine épaisseur de matière avant de toucher un noyau atomique dont leurs instruments détectaient le mouvement. Ensuite, ce fut en 1932 que James Chadwick, un célèbre chercheur britannique, avança que des particules formaient ce rayonnement. Chadwick reçut le prix Nobel de physique en 1935 pour la découverte du neutron. Par la suite, Niels Bohr a pris l'idée de neutron et a construit un modèle atomique. La charge électrique de cette particule élémentaire de la famille des baryons est nulle. Le neutron est très stable quand il est lié dans un noyau, mais lorsqu'il est libre, il se désintègre. Une fois expulsé du noyau, le neutron est instable et se détruit pour former un proton, un électron et un neutrino.

C'est en quelques lignes seulement que nous avons décrit la découverte du noyau et du neutron. En quelques phrases, nous avons décrit le travail de plusieurs chercheurs qui ont pris des années à découvrir le merveilleux monde de l'atome. Le noyau et le neutron sont donc à la base de toute chose existante. Alors, quand vous regardez votre bureau, ne pensez pas que cette chose est un simple bureau; c'est aussi plein d'atomes réunis!

 

Bibliographie

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