Développement
de la bombe nucléaire|
Développement
de la bombe nucléaire |
Depuis
la découverte de la radioactivité en 1896, l'atome est un sujet
de recherche populaire. En 1907, Rutherford effectua une expérience qui
fit avancer l'état des connaissances sur la structure de l'atome. L'expérience
avait pour but de découvrir la structure de l'atome; il voulait savoir
comment s'organisaient les électrons et les protons pour faire des atomes.
Son but était d'observer la trajectoire de particules passant à travers la matière. Il bombarda une mince feuille d'or avec des particules alpha. Il utilisa des écrans pour voir le point d'arrivée des particules. Les résultats obtenus furent inattendus. En fait, la majorité des particules n'étaient pas déviées et quelques-unes revinrent vers le point de départ.
Rutherford conclut donc que l'atome était principalement vide et qu'il y avait un noyau très dense et infiniment petit rempli de particules positives. Autour de ce noyau gravitaient les électrons à très grande vitesse.
En 1919, Rutherford fit une expérience importante en physique nucléaire: il envoya des particules alpha, émises par une source radioactive, sur un échantillon d'azote pur. Si on l'explique en détail, ça va comme suit: dans un tube de 20 centimètres, il inséra une tige qui supportait du radium (source radioactive) et l'extrémité du tube fut scellée par une mince feuille métallique sur laquelle il mit un écran tapissé de sulfure de zinc, un détecteur de particules alpha. La feuille métallique arrêta la plupart des particules alpha émises par le radium mais quelques-unes réussirent à passer au travers et allèrent frapper le détecteur, restituant ainsi leur énergie sous forme de petites étincelles.
Quand Rutherford remplit le tube avec de l'oxygène ou du dioxyde de carbone, le nombre d'étincelles diminua, car ces deux gaz ont la propriété d'arrêter les particules alpha. Quand il y mit de l'air, les étincelles devinrent plus nombreuses. Rutherford émit l'hypothèse que ce phénomène était dû à la présence d'azote dans la composition atmosphérique. Il confirma cette hypothèse en utilisant de l'azote pur. Il imagina alors que les particules alpha, en heurtant les atomes d'azote, les désintégraient en suivant une réaction qui émettrait des noyaux d'hydrogène: ce sont les particules à énergie puissante passant à travers la feuille métallique. Le physicien les nomma protons, qui vient du grec protos et qui veut dire "premier". "Nous devons conclure, écrivit-il dans un article scientifique, que l'atome d'azote s'est désintégré." C'est pourquoi la presse à sensation titra: "Rutherford pulvérise l'atome".
Les expériences qu'il fit ultérieurement confirmèrent ses conclusions. "Les particules alpha qui frappent un noyau d'azote se combinent avec lui, et l'ensemble se désintègre pour produire non seulement les protons que Rutherford a vus sur son écran, mais encore des atomes d'un élément complètement différent, l'oxygène". Ce que Rutherford réussit, les alchimistes du Moyen-Âge l'avaient vraiment tenté; la transmutation d'un élément en un autre. Suite à cette expérience, Rutherford en vint à une formule chimique représentant les produits initiaux et finaux observés dans l'expérience:
42He + 147N --> 178O + 11H
Rutherford réussit ainsi à produire des substances différentes en bombardant des noyaux. C'est cette expérience qui marqua le début d'une longue série d'expériences sur la transmutation artificielle. C'est à partir de ce temps que les scientifiques purent réaliser en laboratoire le vieux rêve des alchimistes.En 1932, Sir James Chadwick, découvrit l'une des particules fondamentales de la matière en interprétant les résultats des expériences faites par les physiciens français Irène et Frédéric Joliot-Curie: le neutron. Ils avaient constaté l'émission d'un rayonnement produit par l'interaction des particules alpha avec des noyaux de béryllium. Ce rayonnement provoquait l'éjection de protons en dehors d'un bloc de paraffine. Chadwick découvrit que ce rayonnement était fait de neutrons.
Les constituants de la matière sont des atomes comprenant un noyau et des électrons qui tournent autour. Le noyau est un assemblage de protons et de neutrons concentrés dans un petit volume et soumis à deux forces différentes: la force nucléaire et la force électrique. C'est après la découverte du neutron, par Sir James Chadwick en 1932, que plusieurs physiciens eurent l'idée d'utiliser cette particule pour créer de nouveaux éléments chimiques. Le travail d'Enrico Fermi sur la production de nouveaux isotopes à l'aide de neutrons lents fut une étape menant au contrôle de l'énergie nucléaire.En 1939, deux savants allemands, Otto Hahn et Fritz Strassmann, poursuivant les travaux de Fermi, découvrirent qu'ils pouvaient faire éclater des noyaux d'uranium en fragments beaucoup plus petits. La réaction s'accompagnait de la libération d'une grande quantité d'énergie. L'éclatement d'un gros noyau en noyaux beaucoup plus petits fut appelé "fission nucléaire".
L'uranium est couramment utilisé dans les réactions de fission nucléaire. Les noyaux d'uranium-238 ne se prêtent pas facilement aux réactions de fission. Par contre, le noyau d'un autre isotope, l'uranium-235, peut donner lieu à une réaction de fission lorsqu'il est bombardé par un neutron.
En 1932, Otto Hahn et Lise Meitner découvrirent et démontrèrent que le neutron est absorbé par l'uranium-235, produisant un isotope instable qui se divise immédiatement en deux noyaux plus petits libérant alors des neutrons et de l'énergie. Les trois neutrons libérés peuvent se joindre à d'autres noyaux d'uranium-235; chaque fois qu'un noyau absorbe un neutron, il se brise et émet trois autres neutrons, chacun étant capable de produire une nouvelle réaction de fission. Rapidement, ce sont des milliers puis des millions de noyaux qui éclatent produisant ce qu'on appelle une réaction en chaîne. Il n'est pas difficile d'imaginer la quantité d'énergie dégagée par une telle réaction en chaîne. La réaction prend rapidement de l'ampleur et la quantité d'énergie libérée devient alors une explosion! Par exemple, une sphère de la taille d'une orange constituée d'uranium, produit une explosion équivalant à la détonation d'environ 20 000 tonnes de trinitrotoluène (TNT), le produit utilisé dans la fabrication de bâtons de dynamite.
La fission, découverte vers la fin de l'année 1938 prit une importance primordiale dans la vie internationale aussi bien que dans la science et dans l'industrie puisqu'elle devenait la source d'énergie du futur. Dans un futur plus immédiat, cette énergie assurerait la fin de la Seconde Guerre mondiale. Encore fallait-il être en mesure de contrôler la réaction de fission nucléaire, et ce, avant les Allemands…
