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Atomes - 4

Plan

• 4.1 - Aperçu du noyau
• 4.2 - Petit historique de la physique subatomique

Nous avons vu que la majeure partie de la masse de l'atome était concentrée dans une zone minuscule chargée positivement, le noyau. À quoi ressemble ce noyau ?

Comme précédemment, la première réponse est : personne n'en a jamais vu, nous ne connaissons que ses propriétés. Ceci relève de la «physique subatomique».

On sait que le noyau se décompose lui-même en particules, les «protons» (chargés positivement) et les «neutrons» (de charge nulle) ; protons et neutrons sont appelés les «nucléons». Ils ont à peu près la même masse, env. 1,7.10^-27 kg, à peine moins que la masse d'un atome d'hydrogène : l'atome d'hydrogène est composé d'un proton (noyau) et d'un électron (nuage électronique). Les nucléons se décomposent eux-mêmes en particules nommées «quark».

Les protons étant chargés positivement, ils se repoussent. La force qui les maintient dans le noyau avec les neutrons s'appelle l'«interaction forte».

Les dessins habituels représentent les nucléons comme des petites boules accolées, le noyau ressemble alors à une mûre (le fruit de la ronce). De même que pour l'électron, ceci est une image simple mais fausse, il faut en fait s'imaginer qu'un nucléon est un nuage diffus.

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Voici les principales étapes de découverte du noyau et de sa structure :

• la dichotomie nuage électronique/noyau fut établie par la découverte des électrons (travaux de Geissler et Plücker en 1854, d'Helmholtz en 1881, de Thomson en 1887, de Millikan en 1909) ; on avait réussi à arracher des charges négatives à la matière, mais on ne savait pas comment était répartie la charge positive ;
• l'extraction de particules positives de l'atomes a été constatée par Goldstein en 1876, puis par Wien, à partir de l'expérience de Geissler et Plücker ;
• l'existence d'un noyau minuscule et positif dans l'atome fut établi par l'expérience de Rutherford en 1911 : en bombardant une feuille d'or de particules chargées positivement (particules α obtenues par radioactivité), il remarqua que :
  1. la plupart des particules allaient en ligne droite, donc que la matière était pleine de vide ;
  2. certaines particules rebroussaient chemin, donc qu'il y avait de petites zones où étaient concentrées les charges positives de l'atome ;
• avec la radioactivité, découverte par Henri Becquerel en 1896, on s'aperçoit que les atomes peuvent se transformer, changer de nature chimique ; les énergies en jeu étant bien plus grandes que pour les réactions chimiques, on en déduit que c'est le noyau qui se divise, donc que le noyau est lui-même composé de "briques élémentaires" ;
  • comme indiqué ci-dessus, on connaissait la présence de particules positives formant le noyau, mais on avait remarqué que la masse des atomes n'était pas proportionnelle à leur charge, il devait donc y avoir de la masse non chargée dans l'atome ;
  • Rutherford en 1919 provoque l'émission de proton par désintégration artificielle d'un noyau ;
  • Walter W. Bothe et H. Becker, en bombardant du béryllium avec des particules α, découvrent un rayonnement neutre ;
  • Frédéric Joliot et Irène Curie découvrent les propriétés pénétrantes de ce rayonnement ;
  • c'est James Chadwick en 1932 qui identifie le neutron ;
• pour savoir de quoi est composé un objet, il faut le décomposer, le casser ; on a pu casser les molécules par réaction chimique, on a pu casser les noyaux par radioactivité, pour casser les nucléons, il a fallu utiliser les accélérateurs de particules ; ceci permis à Murray Gell-Man et George Zwieg de découvrir les quarks en 1953.

Parmi les découvertes et inventions fondamentales qui ont permis ces découvertes, citons en plus de celles évoquées ci-dessus :

• la théorie de la relativité générale d'Einstein, et notamment la notion d'équivalence masse-énergie ;
• la théorie quantique, déjà citée ;
• l'invention de la chambre à bulle, puis de la chambre à fil, pour visualiser la trajectoire des particules chargées lors des désintégrations et des chocs.

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