Le neutron

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Le neutron de Rutherford

Proton satellite
Structure du noyau selon Rutherford: un coeur d’alphas entouré de protons périphériques

Lors de la Conférence Bakérienne (depuis 1775, une des plus prestigieuses conférences devant la Royal Society à Londres) donnée le 3 juin 1920 avec pour sujet Nuclear Constitution of Atoms, Rutherford avait établi le bilan – et les perspectives – des bombardements de noyaux par des α. Évoquant le noyau d’azote (Z = 7), il estima qu’il devait être formé d’un cœur de 3 alphas, plus un proton isolé «satellite», celui qui, d’après lui, était éjecté dans une collision avec un alpha. La masse de l’azote étant 14, il ajouta un second proton satellite, mais la charge électrique aurait été trop élevée d’une unité, à moins de la compenser par un électron.

Rutherford en vint donc à émettre l’hypothèse d’une paire proton-électron très étroitement liée, une sorte de mini-atome d’hydrogène à l’intérieur du noyau. Cet objet aurait une masse analogue à celle du proton mais il serait neutre, et il permettait à Rutherford d’expliquer (qualitativement) la formation de tous les noyaux à partir de l’hydrogène, malgré la répulsion électrostatique. Dans son idée, il n’était pas question d’une particule fondamentale.

Sous certaines conditions […], il serait possible qu’un électron se combine de façon beaucoup plus proche avec un noyau d’hydrogène, formant une sorte de doublet neutre. Un tel atome aurait des propriétés très originales. Son champ externe serait pratiquement zéro, sauf très près du noyau, et en conséquence il devrait être capable de se déplacer librement à travers la matière. Sa présence serait probablement difficile à détecter par spectroscope, et il pourrait être impossible de le confiner dans un récipient scellé. D’un autre côté, il devrait entrer facilement dans la structure des atomes, ou pourrait sinon s’unir avec le noyau ou être désintégré par un champ intense, résultant peut-être en l’échappement d’un atome d’hydrogène chargé ou d’un électron ou des deux.

Rutherford lança ses élèves, dont Chadwick, à la recherche de cet objet hypothétique (baptisé neutron dès 1921 sur le modèle de proton) sans aucun résultat pendant plusieurs années malgré beaucoup d’ingéniosité dans les méthodes de recherche. Ils ne parvinrent pas à découvrir de matériaux émettant naturellement ces neutrons, et les méthodes de détection habituelles utilisant d’une manière ou d’une autre la charge électrique (ionisation, scintillation…) ne s’appliquaient pas à la recherche d’une particule neutre.

La possibilité d’un «diplon» (→ 2H, futur deutérium) fut envisagée de même que celle d’un «triplon» (→ 3H, futur tritium)

Chadwick envisagea de rechercher le neutron en bombardant le béryllium avec des alphas: on savait déjà que l’on n’obtenait pas de protons de cette manière, mais c’était peut-être parce que c’était des «neutrons» qui étaient produits, et que les méthodes habituelles ne pouvaient pas détecter L’idée fut développée par G. Gamow, W.D. Harkins et d’autres dans les années 1920, sans résultat. La découverte du neutron suivit un chemin inattendu, passant par deux expériences sans rapport avec cette recherche, et qui furent toutes les deux interprétées de manière erronée !

  1. Octobre 1930: Walther Bothe bombardait du béryllium avec des rayons α de 5 MeV à la recherche de rayons gamma. Il découvrit un rayonnement neutre très pénétrant, qu’il interpréta naturellement comme les γ recherchés et supposa que la réaction était 42He + 94Be → 136C* → 136C + γ
  2. Janvier 1932: Irène Curie et Frédéric Joliot montrèrent que le rayonnement de Bothe éjectait des protons d’un matériau hydrogéné comme la paraffine. L’interprétant comme une diffusion Compton, ils attribuèrent au γ une énergie énorme (50 MeV), ce qu’ils ne pouvaient expliquer que si l’énergie n’était pas conservée (idée alors en vogue sous l’impulsion de Bohr)
  3. Février 1932: James Chadwick montra qu’en réalité ce rayonnement neutre était dû à des particules de masse voisine de celle du proton, et que la réaction de Bothe était en fait 42He + 94Be → 126C* + n

L’expérience de Bothe et Becker

Sources et cibles

À la suite des travaux pionniers de Rutherford, le  bombardement de cibles atomiques (puis nucléaires) par des projectiles (rayons alpha, bêta, gamma…) était devenu la méthode privilégiée d’étude de la structure de la matière à très petite échelle. Mais les moyens étaient encore très limités.

Les sources de rayons alpha habituellement utilisés à cette époque étaient le radium 226 (alphas de 4.9 MeV) et son descendant le radon 222 (alphas de 5.6 MeV) ou, pour ceux qui pouvaient en disposer, le polonium 210 (alias radium F) émettant des alphas de 5.4 MeV. Le gros avantage du polonium 210 était qu’aucun rayonnement parasite n’accompagnait les alphas, tandis que radium et radon étaient inévitablement accompagnés de leur chaîne de transmutation, dans laquelle se trouvent des bêtas et des alphas d’autres énergies.

Plus rarement, les physiciens employaient des électrons (sous forme de rayons bêtas d’énergie nettement supérieure aux rayons cathodiques), des rayons X ou des rayons gammas, pour lesquels la source privilégiée était le tellure 208 (alias Thorium C ») qui émet des gammas de 2.6 MeV.

Toutes ces sources avaient le double inconvénient d’avoir une énergie limitée à quelques MeV (et non modulable) et une intensité faible dépassant rarement quelques millicuries (le curie est l’activité d’un gramme de radium 226, à l’équilibre avec ses produits de transmutation). L’unité actuelle d’activité est le becquerel, défini comme une transmutation par seconde, et un millicurie correspond à 37 millions de becquerels. 37 millions de transmutations par seconde peut sembler un nombre élevé, mais il faut réaliser que les rayonnements émis (particules alpha, bêta ou gamma) partent dans toutes les directions (et donc très peu en direction de la cible), et que la probabilité que l’une de ces particules interagisse avec un noyau de la cible est très faible.

Les cibles utilisées étaient des feuilles métalliques très minces d’aluminium ou d’or (car les alphas sont facilement absorbés) d’une épaisseur de l’ordre de 100 nm (1/10 de micron). De plus en plus se répandait l’usage de gaz (raréfiés ou sous pression selon l’objectif de l’expérience): hydrogène, azote, fluor, argon, etc. Des écrans de plomb ou de cuivre (absorbant), ou de paraffine (cible) étaient interposés sur le trajet du faisceau.

Du côté des détecteurs de particules, les écrans au sulfure de cadmium (qu’il fallait observer au microscope et dans l’obscurité) commencèrent dans les années 1920 à être remplacés par les chambres de Wilson ou chambres à brouillard, dans lesquelles les trajectoires des particules étaient matérialisées par des traînées de gouttelettes que l’on pouvait photographier, et par des compteurs électroniques dont les premiers prototypes avaient été construits par Geiger et Rutherford en 1908.

Walter Bothe

À la suite de Rutherford, de nombreux physiciens étudiaient à cette époque les collisions de particules alpha sur les noyaux, et des protons étaient souvent éjectés en laissant derrière eux un nouveau noyau :

alpha + noyau 1 → proton + noyau 2

Walther Bothe (1891-1957)
Walther Bothe (1891-1957)

Vers 1927, À l’université de Giessen en Hesse, Walther Bothe eut l’idée que le noyau final était probablement produit dans un état excité. Personne n’avait alors vraiment d’idée de la structure interne d’un noyau, mais il était logique de penser qu’il devait posséder plusieurs états excités par analogie avec la structure de l’atome que la toute neuve mécanique quantique commençait à décrire.

Le noyau excité devait probablement perdre son excès d’énergie par rapport à son état de base (appelé niveau fondamental) en émettant un photon. Compte-tenu des énergies plus élevées à l’échelle nucléaire qu’à l’échelle atomique, ce photon devrait être un photon gamma de quelques MeV.

Le montage de Bothe et Becker

Bothe monta donc en 1930 une expérience pour détecter ces photons gamma de désexcitation en bombardant une cible avec des particules alpha. Un inconvénient des particules alpha est leur charge électrique positive, car elles sont de ce fait repoussées par la charge électrique du noyau cible, d’autant plus fortement que la charge de ce noyau est élevée (on parle de « barrière coulombienne »). Pour vaincre cette répulsion électrique, les alphas doivent avoir une grande énergie cinétique, mais les sources d’alphas sont limitées à quelques MeV. Bothe choisit donc de se focaliser sur les éléments légers comme le lithium (Z=3), le béryllium (Z=4) ou le bore (Z=5), dont la barrière coulombienne plus basse facilite la pénétration de l’alpha.

Le montage de Bothe et Becker
Le montage de Bothe et Becker

Avec son élève Herbert Becker, Bothe les bombarda avec des rayons alpha de 5.2 MeV émis par du polonium. L’intérêt du polonium était ici d’éviter la contamination γ présentée par les autres sources d’alphas, mais l’inconvénient était que Bothe et Becker ne disposaient que d’une source de 5 mCi à peine.

L’expérience était très simple : ils placèrent un compteur à pointe (une variante du compteur Geiger) très sensible aux β et aux γ derrière une fenêtre assez épaisse pour arrêter les alphas et les protons et ne laisser passer (en principe) que les gammas. Le compteur à pointe était relié à un compteur électromécanique d’impulsions (formé de relais téléphoniques) qui comptait les impulsions une par une.

Ils détectèrent comme prévu en octobre 1930 un rayonnement ionisant résiduel, et ils l’interprétèrent naturellement comme celui des gammas attendus. L’énergie des γ était évaluée en interposant des plaques de plomb d’épaisseur variable entre la cible et le compteur et en mesurant l’atténuation du flux de rayons gamma d’énergie connue. Dans ces conditions, ils estimèrent l’énergie du rayonnement neutre observé aux alentours de 5 MeV, car l’intensité du flux diminuait de 30% pour chaque cm de plomb interposé. Cette énergie était supérieure à celle des γ habituels de la radioactivité, plutôt de l’ordre de 1 à 2 MeV. S’agissait-il des γ de désexcitation attendus ?

Le béryllium était un cas particulier. Comme d’autres l’avaient déjà observé, aucun proton n’était émis, mais le rayonnement pénétrant était beaucoup plus intense. Les sections efficaces de production de neutrons sont en effet;

  • σ(α,Li7) ~ 25 mb (Li = Li6 à 8% et Li7 à 92%),
  • σ(α,Be9) ~ 250 mb (Be = Be9 à 100%)
  • et σ(α,B11) ~ 5 mb (B = B10 à 20% et B11 à 80%).

Bothe et Becker annoncèrent ces résultats le 23 octobre 1930 dans la revue Zeischrift für Physik 66-289 (1930) sous le titre «Excitation Artificielle de Rayons γ Nucléaires».

Le début de l’article de Bothe et Becker
Le début de l’article de Bothe et Becker

Noter la phrase « Les rayons γ radioactifs les plus durs constatés » (der härtesten radioaktiven γ-Strahlen befunden) et la référence au modèle nucléaire de Gamow (Gamowschen Kernmodells). Ils les présentèrent en mai 1931 à la conférence de Zürich, mais l’interprétation du cas particulier du béryllium ne fut proposée qu’en octobre 1931, à la conférence de Rome, et l’accueil fut plutôt favorable de la part des autres physiciens. L’absence de proton conduisit Bothe à envisager la formation d’un noyau excité de carbone 13 selon un processus « d’agrégation » (on dirait aujourd’hui fusion)

 42He + 94Be → 136C* → 136C + γ

Bothe devint professeur à Giessen, puis à Heidelberg, malgré ses difficultés avec le nazisme (Lenard lui fit perdre son poste de professeur à Heidelberg). Il travailla sur les désexcitations γ nucléaires et les rayons cosmiques. Il construisit (sur les plans de Lawrence) le premier cyclotron d’Allemagne de 1938 à 1944. Sa mesure d’une forte section efficace d’absorption des neutrons par le carbone en 1941 conduisit le programme nucléaire allemand à miser sur l’eau lourde au lieu du graphite. Il reçut le Prix Nobel de physique en 1954 pour la méthode des coïncidences, mise au point dans les années 1920.

L’expérience des Joliot-Curie

Frédéric Joliot et Irène Curie

Irène Curie (1897-1956,) fille aînée de Pierre et de Marie Curie, fut la principale collaboratrice de sa mère à partir de 1918 sous la direction de qui elle soutint sa thèse en 1926 sur la portée des particules alpha dans la matière. Frédéric Joliot (1900-1958), ingénieur de l’ESPCI, devint en 1925 le préparateur de Marie Curie. Il épousa Irène Curie en 1926 et, ensemble, ils découvrirent en 1934 la radioactivité «artificielle», qui leur valut le prix Nobel de chimie dès 1935. Auparavant, ils avaient manqué le neutron, puis le positron. Frédéric Joliot construisit ensuite les premiers accélérateurs en France, tandis qu’Irène Curie analysait la diffusion de neutrons sur l’uranium, sans oser imaginer la fission. Après la découverte de la fission, Frédéric Joliot étudia la possibilité de réaction en chaîne, et il prit en mai 1939 une série de brevets couvrant la réalisation d’un réacteur et d’une bombe. Après la guerre, il créa le Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) qu’il dirigea jusqu’en 1950, puis, avec Irène, l’Institut de Physique Nucléaire d’Orsay en 1956.

Irène Curie et Frédéric Joliot dans leur laboratoire en 1932
Irène Curie et Frédéric Joliot dans leur laboratoire de l’Institut du Radium en 1932

L’expérience

À l’Institut du Radium de Paris, les résultats de Bothe suscitèrent beaucoup d’intérêt car Irène et Frédéric Joliot-Curie travaillaient justement sur les rayons gammas produits par des alphas. Disposant du radium et du radon médical de l’Institut du Radium, Joliot avait en effet préparé de 1928 à 1931 la source de polonium de très loin la plus intense du monde. Irène Curie et Frédéric Joliot étaient présents à la conférence de Zürich en mai 1931 et Marie Curie à celle de Rome en octobre 1931, et les résultats de Bothe et Becker les intriguaient. Disposant de sources d’alphas bien plus intenses, ils décidèrent de répéter leurs expériences, mais en utilisant à la place du compteur Geiger une chambre d’ionisation, selon la pratique habituelle du laboratoire depuis Pierre et Marie Curie. Le laboratoire disposait de chambres d’ionisation, d’électromètres sensibles, et de chambres de Wilson mais pas (encore) de compteurs Geiger.

Leur montage expérimental en décembre 1931 était formé par :

  • une source de polonium de 100 mCi (20 fois plus intense que celle de Bothe)
  • des cibles de lithium, de béryllium et de bore
  • de la possibilité d’interposer des écrans variés
  • une chambre d’ionisation, sensible aux γ (mais plus encore aux protons) et fermée par une fenêtre d’entrée très mince (5 µm d’aluminium) pour être très peu absorbante aux rayonnements secondaires éventuels.
Le montage des Joliot-Curie : les alpha du polonium frappent le béryllium, qui éjecte le « rayonnement pénétrant » dont ils étudient les effets sur un écran (de paraffine par exemple) en mesurant le courant généré dans la chambre d’ionisation qui suit. Les ions produits sont collectés par l’électrode centrale reliée à l’électromètre Hoffmann ©Belin
Le montage des Joliot-Curie : les alpha du polonium frappent le béryllium, qui éjecte le « rayonnement pénétrant » dont ils étudient les effets sur un écran (de paraffine par exemple) en mesurant le courant généré dans la chambre d’ionisation qui suit. Les ions produits sont collectés par l’électrode centrale reliée à l’électromètre Hoffmann ©Belin

Le courant était proportionnel à l’ionisation au lieu du tout ou rien du compteur à pointe. Le montage des Joliot-Curie était ainsi plus « ouvert » que celui de Bothe, et susceptible de réagir à autre chose que ce qui était prévu.

Ils confirmèrent très vite, en apparence, les résultats de Bothe et Becker. Les Joliot-Curie interposèrent différents types d’écran sur le trajet du rayonnement pour en mesurer les propriétés. Plus un rayonnement était énergique, plus l’épaisseur de l’écran de plomb devait être importante pour obtenir le même courant induit dans l’électromètre, et comme ils disposaient déjà de courbes donnant l’absorption de rayons gamma en fonction de leur énergie, ils pouvaient en déduire l’énergie de leurs « gammas ». Ils pouvaient intercaler différentes cibles sur le trajet des alphas, du lithium, du bore, du béryllium, et comme Bothe et Becker s’en étaient rendu compte, c’est le béryllium qui donnait le rayonnement de loin le plus intense.

Frédéric Joliot et Irène Curie en 1932 © Kertesz Ministère de la Culture
Frédéric Joliot et Irène Curie en 1932, le montage est encadré en jaune © Kertesz Ministère de la Culture

Le 28 décembre 1931, deux notes furent envoyées à l’Académie des Sciences :

  • une note d’Irène Curie « Sur le rayonnement γ nucléaire excité dans le glucinium [autre nom du béryllium] et le lithium par les rayons α du polonium »
  • et une note de Frédéric Joliot « Sur l’excitation des rayons γ nucléaires du bore par les particules α »

Une erreur d’interprétation

Les Joliot-Curie estimèrent l’énergie des « gammas » entre 5 et 10 MeV, et ils acceptaient l’interprétation de Bothe. Ils voulurent utiliser ces gammas de très haute énergie comme sondes pour plus loin: ils savaient que les gammas conduisaient à l’occasion à l’émission de protons quand ils bombardaient certains noyaux. Ils intercalèrent donc des écrans de différentes substances, et ils mesurèrent l’ionisation due aux protons émis. Ils furent surpris d’obtenir des résultats presque tous négatifs. Seuls les composés hydrogénés (la paraffine en particulier) émettaient des protons.

Pour expliquer ce résultat, les Joliot-Curie raisonnèrent alors de la manière suivante:

  • des protons traversent la chambre d’ionisation
  • le béryllium ne produit pas de proton par bombardement α
  • donc les protons ne viennent pas du béryllium, mais de l’écran
  • mais seule la paraffine produit cet effet
  • donc ce n’est pas une transmutation nucléaire des noyaux de l’écran
  • donc les protons observés sont des noyaux d’hydrogène éjectés de l’écran

Cela signifiait que les protons ne venaient pas de transmutations nucléaires des noyaux de l’écran, mais qu’ils étaient simplement éjectés. En termes plus modernes, ils interprétèrent leur observation comme le résultat de la diffusion Compton d’un gamma énergétique sur un proton de la paraffine. De l’énergie du proton éjecté, ils déduisirent que le gamma avait une énergie d’une cinquantaine de MeV.

Diffusion Compton
Diffusion Compton: un photon de longueur d’onde λ rencontre un proton et il est diffusé selon un angle θ avec une longueur d’onde λ’ différente, le proton subissant un recul par conservation de l’énergie et de l’impulsion

Ces conclusions parurent le 18 janvier 1932 dans une note à l’Académie des Sciences : « Il paraît donc établi par ces expériences qu’un rayonnement électromagnétique de haute fréquence est capable de libérer, dans les corps hydrogénés, des protons animés d’une grande vitesse. »

Les Joliot-Curie répétèrent leur expérience le 20 janvier 1932 avec une chambre de Wilson qui matérialisait la trajectoire des protons, et ils se sentirent confortés dans leur interprétation d’une propriété nouvelle des rayonnements électromagnétiques.

Proton de recul dans une chambre de Wilson © Joliot 1932
Proton de recul dans une chambre de Wilson © Joliot 1932

L’énergie de liaison du béryllium 9 comme celle du carbone 13 étaient mal connues, mais il semblait impossible qu’elles permettent à un alpha de 5 MeV d’éjecter un gamma de 50 MeV sans violer la loi de la conservation de l’énergie. Mais à cette époque d’éminents physiciens, à commencer par Bohr, étaient tout à fait disposés à admettre que l’énergie pouvait ne pas être conservée dans certains processus quantiques comme la radioactivité bêta. Alors pourquoi pas avec les gammas ? Il n’était pas non plus évident que les lois quantiques s’appliquaient aux noyaux aussi bien qu’aux atomes. L’interprétation des Joliot-Curie suscita cependant des réactions négatives:

  • à Rome, Ettore Majorana, le jeune et brillant théoricien qui venait de rejoindre l’équipe d’Enrico Fermi, démontra que l’énergie et l’impulsion étaient parfaitement conservés si le projectile n’avait pas une masse nulle comme un gamma mais une masse proche de celle du proton. Malgré la demande pressante de Fermi, Majorana jugea inutile de publier ses calculs.
  • à Cambridge, Rutherford trouva aussi l’explication des Joliot-Curie invraisemblable et il demanda à Chadwick de revoir la question.

Deux difficultés se présentaient en effet. D’une part, le calcul de la probabilité d’un effet Compton était devenu banal en mécanique quantique, et il donnait une probabilité de plusieurs ordres de grandeur trop faible. Les Joliot-Curie en étaient parfaitement conscients et ils invoquaient une nouvelle forme d’interaction. Et d’autre part, attribuer une énergie de 50 MeV au γ non seulement violait la conservation de l’énergie, mais cela contredisait aussi l’existence de sous-structures α dans le noyau comme Rutherford l’avait supposé. En effet, même si l’énergie de liaison du béryllium 9 est inconnue, elle est nécessairement négative (puisqu’il s’agit d’une énergie de liaison). En la supposant nulle, on obtient une limite supérieure sur l’énergie d’un gamma émis par le carbone 13 dans la réaction  42He + 94Be → 136C + γ. Cette limite est Eγ < 14 MeV, si Be9 = 2α + p + e  et Eγ < 70 MeV si Be9 = 9p + 5e.

L’expérience de Chadwick

James Chadwick

James Chadwick (1891-1974)
James Chadwick (1891-1974)

Étudiant à Manchester, James Chadwick se passionna pour la radioactivité dans le laboratoire de Rutherford, aux côtés de Geiger, Marsden, Moseley, Bohr… Il obtint son MSc en 1913 et reçut une bourse pour aller à Berlin au Reichsanstalt, l’Institut de métrologie alors dirigé par Geiger. Chadwick y découvrit que le spectre bêta était continu: les électrons sont émis avec tout un éventail d’énergies, à la différence des transmutations alpha ou gamma où les énergies des particules émises sont bien définies. Chadwick se retrouva bloqué en Allemagne par la déclaration de guerre, et il fut interné pendant quatre ans dans un camp de prisonniers civils. Il y poursuivit des recherches dans des conditions invraisemblables, tout en correspondant avec Rutherford. À son retour en Angleterre en 1919, il fut nommé professeur à Cambridge au Gonville and Caius College.

La découverte du proton par Rutherford, corrigée par Chadwick
La découverte du proton par Rutherford, corrigée par Chadwick montrant que l’alpha était absorbé par le noyau d’azote

Il collabora à nouveau étroitement avec Rutherford, devenu directeur du laboratoire Cavendish, sur des expériences de transmutation par rayons alpha pour étudier la structure du noyau atomique. Nommé directeur-adjoint du laboratoire Cavendish en 1923, il y supervisait toutes les recherches ce qui réduisit le temps dont il disposait pour ses propres recherches. Il y découvrit l’effet photoélectrique nucléaire (en même temps que Maurice de Broglie, le frère de Louis de Broglie). Il devint membre de la Royal Society en 1927. Sa découverte du neutron en 1932 lui valut en 1935 le prix Nobel de physique. Il fut alors nommé professeur à Liverpool et il y créa son propre laboratoire, où il construisit le premier cyclotron britannique. En 1940, à la suite du mémorandum de Frisch et Peierls, il participa au comité MAUD puis dirigea de 1943 à 1945 la mission britannique à Los Alamos (dans le cadre du programme Manhattan).

La découverte du neutron

Chambre de Chadwick
Chambre de Chadwick

Pour étudier la structure des noyaux, Chadwick menait depuis plusieurs années des expériences de bombardement de différents éléments par les particules alpha du polonium. Pour cela, il avait mis au point au Cavendish une petite chambre d’ionisation reliée à un amplificateur (cascade de triodes), un oscillographe et un enregistreur photographique. Le montage, et plusieurs résultats sont décrits dans Artificial Disintegration by α-Particles (J. Chadwick, J. E. R. Constable and E. C. Pollard, Proc. R. Soc. Lond. A 1931 130, 463-489).

Enregistrement photographique de l'oscilloscope
Enregistrement photographique de l’oscilloscope de Chadwick

Quand les nouvelles de Paris furent connues à Cambridge, Rutherford n’y crut pas un instant. Bien sûr, il n’avait aucun doute sur la qualité de l’expérience des Joliot-Curie mais, comme Chadwick, il doutait de leur interprétation. Chadwick disposait de tous les éléments pour reproduire leur expérience, mais en l’améliorant fortement. Sa source de polonium était beaucoup moins intense que celle des Joliot-Curie (5 mCi au lieu de 100 mCi) mais son montage était beaucoup plus sensible. Il refit les expériences de bombardement de béryllium par des particules alpha avec divers types d’écrans placés devant une chambre d’ionisation, et il observa que le rayonnement pénétrant éjectait aussi des noyaux plus lourds que le proton, tels que l’hélium, le lithium, le béryllium, le carbone, l’air ou l’argon.

Expérience de Chadwick
Expérience de Chadwick menant à la découverte du neutron

Il montra que les reculs de tous ces éléments n’étaient pas compatibles avec le choc d’un gamma de 50 MeV, mais qu’ils s’expliquaient très bien si le projectile n’était pas un photon gamma, de masse nulle, mais une particule (neutre elle aussi) de masse comparable à celle du proton et d’énergie inférieure à 5 MeV. Et dans ce cas, aucune violation de l’énergie n’était requise. Plus précisément, quand la particule inconnue frappait un noyau d’hydrogène, il ne connaissait ni la masse, ni la vitesse initiale ni la vitesse finale de cette particule, et il avait donc sept inconnues pour quatre équations (la conservation des 3 composantes de l’impulsion et celle de l’énergie). Mais en répétant l’expérience avec d’autres cibles, chaque expérience lui donnait trois nouvelles inconnues (la vitesse finale) et quatre nouvelles équations (conservations de l’impulsion et de l’énergie), et avec plusieurs cibles, Chadwick put montrer que la masse de la particule inconnue était à quelques pour cent près celle du proton.

Article de Chadwick annonçant la découverte d'UN neutron
Article initial de Chadwick annonçant la découverte d’UN neutron

Chadwick avait trouvé le neutron qu’il cherchait depuis 12 ans. Il est porter à son crédit et à sa rigueur expérimentale de ne pas avoir trouvé le neutron là où il n’était pas, et de l’avoir trouvé là où il était. Il annonça ses résultats dans une brève note « Possible Existence of a Neutron » à la revue Nature le 17 février (publiée le 27) et il détailla ses expériences dans un article plus long — et plus affirmatif — « The Existence of a Neutron » le 10 mai, publié le 1° juillet dans les Proceedings of the Royal Society. Noter qu’il ne parle pas de « the » neutron mais de « a » neutron.

Le neutron est-il une particule élémentaire?

En attribuant au neutron un spin ½, on résolvait tous les problèmes de spin (et de statistique) rencontrés avec l’azote 14. Le noyau d’azote – formé de 7 protons (de spin ½) et 7 neutrons – a un spin total de 1 ⇒ le spin du neutron est nécessairement demi-entier. Mais si le neutron était un état lié d’un proton (spin ½) et d’un électron (spin ½), son spin serait entier ⇒ le neutron est élémentaire. Et le problème des électrons ultra-relativistes disparaissait également (inégalité de Heisenberg ⇒ un électron dans un noyau de taille 10-14 m ⇒ énergie > 100 MeV).

Il ne fut cependant pas admis immédiatement par tous qu’il s’agissait d’une particule réellement aussi fondamentale que le proton ou l’électron, et Chadwick se demandant pendant un an s’il s’agissait d’une particule élémentaire ou d’un état très fortement lié d’un proton et d’un électron. Dans ce cas, disait-il, sa masse devrait être inférieure à la somme de ces deux constituants (p+e=1.007 unités de masse atomique), en raison de l’énergie de liaison (négative), et donc inférieure à celle de l’atome d’hydrogène. Les mesures, délicates, étaient contradictoires :

  • Chadwick 1932: mneutron ~ 1.006 uma ⇒ état lié
  • Joliot 1933: mneutron ~ 1.012 uma ⇒ particule
  • Lawrence 1933: mneutron ~1.001 uma ⇒ état lié

La réponse fut obtenue en 1933 quand Chadwick photodissocia avec Goldhaber le deutéron. Le deutéron, découvert en 1931 par Harold Urey, était manifestement formé d’un proton et un neutron. En le bombardant de rayons gammas de 2.6 MeV, Chadwick et Goldhaber mesurèrent l’énergie des protons ainsi libérés et déterminèrent que l’énergie de liaison du deutéron était de 2.2 MeV. Par différence avec les masses du proton et du du deutéron, cela donnait une estimation de la masse du neutron :

mneutron = mdeutéron – mproton + Eliaison = 1876.1 – 938.3 + 2.2 = 940 MeV

qui était de plus de 1 MeV supérieure à celle de l’atome d’hydrogène, mH = 938.8 MeV.

Le neutron était donc une particule fondamentale. Des mesures plus précises indiquèrent que la masse du neutron était de 939.6 MeV et l’écart n’est que de 0.8 MeV, mais cela ne changea rien à la conclusion.

Si le neutron était une particule fondamentale, pouvait-on alors inverser la proposition, et considérer le proton comme formé d’un neutron et d’un anti-électron (pour avoir une charge positive) très fortement liés (mais par quelle interaction?). Pendant deux ans encore fleurirent des modèles du noyau contenant des électrons, mais cette fois enfouis à l’intérieur du neutron. Ce fut le cas de modèles de l’interaction nucléaire suggérés en 1932 par Heisenberg.

La question disparut quand il fut admis que proton et neutron sont deux états de la même particule élémentaire, le nucléon, différant par un nombre quantique interne, l’isospin (terme dû à Wigner en 1937). Et plus encore avec la théorie de Fermi de la transmutation bêta comme annihilation d’un neutron et création simultanée d’un proton, d’un électron et d’un neutrino.

Théorie de Fermi de la transmutation bêta
Théorie de Fermi de la transmutation bêta

La masse élevée du proton et du neutron permit de traiter la question de la structure des noyaux quantiquement mais de manière non relativiste, en partant de l’équation de Schrödinger avec un potentiel décrivant, empiriquement, des forces nouvelles entre les nucléons. Heisenberg, Majorana, Wigner et bien d’autres s’attaquèrent au problème, chacun avec une approche, et un potentiel, légèrement différent. Le premier objectif fut d’expliquer la saturation nucléaire, c’est-à-dire le fait que l’énergie de liaison des noyaux était à peu près proportionnelle au nombre A de nucléons (et donc que l’énergie de liaison par nucléon est à peu près constante et de l’ordre de 8 MeV).

Entretemps, Bothe avait monté une nouvelle expérience pour mesurer l’énergie des gammas et il leur avait trouvé une énergie maximale de 5 MeV. Parce qu’il y a bien des gammas aussi ! Plusieurs réactions nucléaires sont en effet possibles, dont :

42α + 94Be → 126C* + neutron suivie de 126C* → 126C + γ

Ces complexités nucléaires expliquent les difficultés d’interprétation rencontrées par Bothe et par les Joliot-Curie, auxquelles s’ajoutait le fait que leurs détecteurs respectifs avaient des sensibilités différentes aux différents types de particules.

Pourquoi Bothe et les Joliot-Curie ont-ils manqué le neutron? Tous travaillaient sur les réactions nucléaires induites par les α. Mais avec de notables différences d’instrumentation : le compteur Geiger est presque insensible aux neutrons, tandis que la chambre d’ionisation est plus sensible aux protons qu’aux gammas. Et l’amplification du courant fut cruciale pour la réussite de Chadwick. Et il y avait surtout des différences d’environnement scientifique: Bothe s’intéressait aux gammas, et il les a trouvés [il y a réellement des gammas de désexcitation], les Joliot-Curie avaient alors peu de contacts avec d’autres physiciens, et la non-conservation de l’énergie dans les réactions nucléaires jouissait d’une vogue certaine parmi des théoriciens prestigieux comme Bohr ou Heisenberg. Par contre, l’idée du neutron de Rutherford ne fut jamais perdue de vue au Cavendish, dont les physiciens discutaient beaucoup entre eux (tea seminars). Et il faut admirer Chadwick d’avoir cherché avec ténacité le neutron pendant 12 ans sans aucune fausse alerte !


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