Le proton

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Vers une théorie du noyau

De quels éléments disposait-on en 1914 pour élaborer une théorie des noyaux?

  1. Le numéro atomique Z indique la charge positive +Ze du noyau [van den Broek 1911, Moseley 1914]
  2. La masse atomique A (en unités de la masse de l’hydrogène) est à peu près le double du numéro atomique Z (sauf pour l’hydrogène)
  3. Un même élément chimique peut exister sous forme de plusieurs isotopes dont la masse atomique A diffère [Soddy 1911]
  4. Radioactivité alpha → il y a des particules alpha (noyaux d’hélium) dans certains noyaux
  5. Radioactivité bêta → il y a des particules bêta (électrons) dans certains noyaux

Notation: un noyau X de masse atomique A et de numéro atomique Z est noté AZX, où X est le symbole chimique de l’élément. Le noyau d’hélium (particule alpha) est ainsi noté 42He. Comme le symbole chimique de l’élément fait double emploi avec le numéro atomique, on peut se limiter à noter 4He ou He4 si l’on se souvient que He ⇔ Z=2.

Dès 1911, Rutherford, partant des deux observations que pour la plupart des noyaux AZX,  A ~ 2 Z et que certains noyaux émettent des particules alpha 42He, suggéra que tous les noyaux (hormis l’hydrogène bien entendu) étaient peut-être des assemblages de ses chères particules alpha (A=4, Z=2).

Mais beaucoup d’éléments s’opposent à cette suggestion: déjà la moitié des charges électriques Z sont impaires, ensuite les masses de la plupart des éléments lourds sont supérieures au double de leur charge électrique, et l’écart s’accroît avec la masse: par exemple du fer (A=56, Z=26) au plomb (A=207, Z=82)

Cela suggérait un modèle mixte: héliums + autre chose ? Hydrogène (A=1, Z=1) par exemple?

Mais alors pourquoi ne pas former directement tous les noyaux par des assemblages de noyaux d’hydrogène, comme le supposaient de nombreux chimistes depuis un siècle, depuis qu’ils avaient observé que la plupart des masses atomiques étaient des multiples entiers de la masse de l’hydrogène? Les contre-exemples comme le chlore (masse atomique de 35.5) n’en étaient plus après la découverte qu’il existait dans la nature deux isotopes (35 et 37).

Il existait cependant une objection majeure à former un noyau de masse A avec A noyaux d’hydrogène: ce noyau aurait une charge électrique +Ae et non +Ze. Rutherford (et d’autres physiciens à la même période) supposèrent alors que le noyau possédait en plus A-Z électrons, ajoutant A-Z charges négatives. Ceci pouvait paraître un peu bizarre, mais expliquait que les noyaux perdent des électrons dans la radioactivité bêta !

Rutherford_think
Nous n’avons pas d’argent, aussi nous devons réfléchir (Rutherford)

Une pareille théorie du noyau avait deux conséquences:

  1. il devait y avoir des noyaux d’hydrogène dans tous les noyaux
  2. il devait exister un mécanisme séparant les Z électrons « périphériques » des A-Z électrons « nucléaires »

La deuxième conséquence relevait de la théorie, ce qui n’était pas le point fort de Rutherford, mais le premier avait certainement des conséquences expérimentales, et dans ce domaine Rutherford n’avait pas d’égal. Et justement il fit le lien avec une nouvelle bizarrerie expérimentale.

Découverte du proton

Avec Marsden, Rutherford bombardait en 1915 de l’hydrogène avec des particules alpha (avec du radon comme source) → observation de reculs de l’hydrogène, caractérisés par des traces plus fines que celles des alphas.

Montage de Rutherford pour le proton
Schéma de l’appareillage: la chambre est remplie de gaz, une source d’alphas (la plaque sur le pied) les projette sur les noyaux du gaz. Les alphas, les noyaux du gaz et les protons  provoquent des scintillations différentes sur l’écran de sulfure de zinc à droite, observé au microscope

Mais Marsden signala une émission d’hydrogène par le radon avant le remplissage de la chambre en hydrogène. Rutherford ne crut pas à une nouvelle forme de radioactivité, mais plutôt à une contamination de l’appareillage par l’hydrogène. Il nota en 1917-1918 que s’il remplissait la chambre d’oxygène ou de gaz carbonique, le nombre de scintillations attribuables à l’hydrogène diminuait, comme il s’y attendait.

Mais ce nombre augmentait quand la chambre était remplie d’air et plus encore quand elle était remplie d’azote.

Appareillage de Rutherford conduisant au proton
Appareillage de Rutherford conduisant au proton

Le phénomène n’apparaissait que pour des alphas d’énergie supérieure à 1.21 MeV. Rutherford supposa d’abord une ionisation des molécules d’eau présentes dans l’air ou l’azote. Mais le phénomène persistait après suppression de l’eau, ce qui suggéra à Rutherford que l’azote se transmutait au cours de la collision avec les alphas, et que les noyaux d’hydrogène appartenaient au noyau d’azote. Notons qu’à cette époque, personne n’imaginait que des particules puissent être créées dans la collision, elles devaient nécessairement être présentes avant la collision et libérées par elle.

En fait, Rutherford pensait observer la réaction

alpha + azote → hydrogène + carbone + alpha

et son interprétation fut la suivante en 1919 :

  • Carbone: masse atomique 12 = 3 alphas
  • Oxygène: masse atomique 16 = 4 alphas
  • Et azote: masse atomique 14 = 3 alphas + 2 hydrogènes périphériques, facilement arrachables par l’alpha servant de projectile, dès qu’il avait une énergie suffisante (les 1.21 MeV requis)
Proton satellite
Hypothèse de Rutherford: des protons périphériques facilement arrachables

We must conclude that the nitrogen atom is disintegrated under the intense force developed in a close collision with a swift alpha particle, and that the hydrogen atom which is liberated formed a constituent part of the nitrogen nucleus. (E. Rutherford, « Collision of alpha particles with light atoms. IV. An anomalous effect in nitrogen », Philosophical Magazine June 1919)

[En réalité, la particule alpha est capturée par le noyau d’azote qu’elle transforme en noyau d’oxygène avec émission d’un noyau d’hydrogène.]

L’expérience conduite par Rutherford, et surtout son interprétation, avaient deux conséquences majeures :

  1. les transmutations nucléaires ne sont pas limitées aux éléments lourds (radioactifs).
  2. les collisions d’alphas permettent de sonder en profondeur les noyaux, pas seulement leur cortège des électrons.

Une nouvelle technique de recherche s’ouvrait, mais elle était limitée par la faible énergie des alphas d’où le développement des accélérateurs, à commencer par le cyclotron inventé par Lawrence.

Lawrence tenant son tout premier cyclotron en 1931
Lawrence tenant dans sa main son tout premier cyclotron en 1931

La taille (et le prix) des accélérateurs a quelque peu augmenté du premier cyclotron de Lawrence au Large Hadron Collider (LHC) au CERN.

L'accélérateur LHC au CERN
L’accélérateur LHC au CERN

En 1919, Rutherford succéda à Thomson comme directeur du laboratoire Cavendish à Cambridge. Il emmena une partie de son équipe de Manchester avec lui (en particulier Chadwick) et il trouva sur place de nouveaux collaborateurs de premier plan comme Wilson ou Aston.

Le laboratoire de physique du Cavendish en 1920
Le laboratoire de physique du Cavendish en 1920

L’utilisation de la chambre de Wilson (ou chambre à brouillard) se révéla bien plus pratique que les écrans au sulfure de zinc, car elle permettait de visualiser, et d’enregistrer, le résultat des collisions sous la forme de traces des particules avant et après collision, et même parfois de mesurer leur charge et leur énergie. En 1920, Chadwick mesura la charge des noyaux Cu, Ag, Pt par diffusion alphas.

Des particules alpha, provenant d’une source sur la gauche, laissent une traînée de gouttelettes dans une chambre à brouillard remplie d’azote. L’une frappe un noyau d’azote en haut à droite, donnant un proton partant vers la gauche et un noyau d’oxygène partant en bas à droite. (Blackett 1925)
Des particules alpha, provenant d’une source sur la gauche, laissent une traînée de gouttelettes dans une chambre à brouillard remplie d’azote. L’une frappe un noyau d’azote en haut à droite, donnant un proton partant vers la gauche et un noyau d’oxygène partant en bas à droite. (Blackett 1925)

 Ayant démontré qu’il y avait bien des noyaux d’hydrogène dans le noyau d’azote, Rutherford les baptisa proton (du grec πρῶτον premier, élémentaire) en 1920. Les expériences de Rutherford validaient – apparemment – l’image du noyau comme un assemblage de A protons avec A-Z électrons « nucléaires », associés pensait-il en sous-structures alpha. De nombreux modèles qualitatifs furent élaborés pour rendre compte des régularités empiriques, mais ils étaient peu prédictifs, et surtout ils entrèrent très vite en conflit avec la nouvelle mécanique quantique.

Inégalité de Heisenberg (1927)

Deux quantités complémentaires (p.e. position x et impulsion p) ne peuvent pas être mesurées simultanément. Cela entraîne une inégalité sur la dispersion des mesures de x et de p: Δx . Δp > ½ ħ. Un électron « enfermé » dans un noyau de taille 10-14 m devrait de ce fait posséder une énergie supérieure à 100 MeV alors que les bêtas ont rarement des énergies de plus de 1 ou 2 MeV.

Moments angulaires

Les moments angulaires sont quantifiés (en unités ħ ≡ h/2π). Les moments orbitaux sont des entiers, et le proton et l’électron ont un moment intrinsèque (spin) ±½ ħ [1927] Donc un nombre impair de protons et d’électrons a nécessairement un moment angulaire total (orbital + intrinsèque) demi-entier. Mais le noyau d’azote 14 a un moment angulaire total égal à 1 [Rasetti 1929], or il est censé être formé de 14 protons et 7 électrons.

Rutherford et les noyaux

En 1920 Il était généralement admis, malgré de graves contradictions, que les électrons, les particules alpha et les protons étaient des constituants majeurs des noyaux, dans la mesure où ces particules étaient émises par radioactivité pour les premières et par réaction nucléaire pour les dernières.

En 1920, Rutherford imaginait un atome comme un arrangement compact de A protons (de charge +1) et de A-Z électrons (de charge 1), formant un noyau de charge totale +Z, entouré au loin d’un nuage beaucoup plus diffus de Z électrons, responsables des propriétés chimiques de l’atome. Des regroupements de 4 protons et deux électrons (particules alpha) formaient apparemment des sous-assemblages dans le noyau. L’origine de la cohésion des noyaux n’était pas connue. La seule interaction alors connue (en dehors de la gravitation, qui est totalement négligeable à l’échelle atomique) était électrique, mais personne ne pouvait expliquer pourquoi A protons se collaient ensemble dans un noyau alors qu’ls auraient dû se repousser violemment du fait de leur charge électrique, ni pourquoi A-Z électrons se collaient étroitement aux protons tandis que les Z électrons restants se tenaient loin du noyau. Le noyau paraissait plus mystérieux encore que l’atome, empiriquement décrit par la théorie quantique de Bohr, qui n’avait d’ailleurs encore aucune justification en 1920.

Les noyaux lourds (au-delà du plomb Z = 82) étaient instables et émettaient des particules alpha, des électrons (particules bêta) ou des photons de haute énergie (particules gamma). Ces émissions se faisaient de manière apparemment aléatoire, quoique suivant des lois statistiques : la probabilité par unité de temps de telle ou telle émission était constante pour un noyau donné, même s’il était impossible de prévoir quel noyau allait subir cette transmutation. Une corrélation avait été observée empiriquement entre l’énergie d’une particule alpha et la probabilité de son émission (loi de Geiger et Nuttall).

Au cours du phénomène de radioactivité, qui à cette époque ne concernait que les atomes les plus lourds, les noyaux éjectaient soit des noyaux d’hélium (radioactivité alpha) soit des électrons (radioactivité bêta). Il était donc logique de penser que les uns et les autres préexistaient à leur émission, et donc que les noyaux — au moins les noyaux lourds, radioactifs — étaient au moins en partie des assemblages d’alphas. Des électrons, de charge négative, devaient aussi être présents, et la charge apparente du noyau n’était que l’excès de charge positive. L’interaction de ces électrons « internes » paraissait bien différente de celle des électrons « externes » responsables des propriétés chimiques de l’atome, et cette différence était attribuée à une « déformation » de l’électron, selon l’expression de Rutherford dans sa Conférence Bakérienne de 1920, dans le champ électromagnétique très intense à très courte distance, l’électron n’étant pas nécessairement ponctuel.

Mais une particule alpha a une charge Z=2 et une masse A=4, et la majorité des noyaux ne pouvait donc pas être une simple association de noyaux d’hélium, leur charge n’était pas systématiquement paire ni leur masse multiple de 4, à commencer par le plus léger d’entre eux, l’hydrogène Z=1 et A=1. D’où l’idée que les noyaux étaient sans doute des assemblages d’électrons et de noyaux d’hydrogène. Les noyaux d’hélium, particulièrement stables, semblaient formés de quatre protons et deux électrons, et pouvaient former des sous-assemblages dans les noyaux lourds.

La présence de noyaux d’hydrogène dans les noyaux plus lourds semblait confirmée par les expériences de bombardement de l’azote par des particules alpha menées par Rutherford au cours de la première guerre mondiale et dont les résultats furent annoncés en 1919.

Protons satellites

D’abord observé dans la diffusion d’alpha sur l’hydrogène (le noyau d’hydrogène étant mis en mouvement), puis lors de la diffusion d’alphas sur l’azote et l’oxygène. En bombardant de l’azote avec des particules alpha du polonium 214, Rutherford observa en 1919 l’éjection de particules allant plus loin que les particules alpha initiales. Rutherford et Chadwick les interprétèrent comme des noyaux d’hydrogène. Des résultats similaires furent obtenus avec la plupart des noyaux légers, du bore (Z=5, A=10 à 20% et 11 à 80%) au potassium (Z=19, A=39 à 93% et 41 à 7%).

C’était la première fois qu’il était démontré que des noyaux pouvaient être désintégrés par des collisions de particules. Rutherford en déduisit que l’ion hydrogène (le proton) était un des constituants du noyau d’azote (Z=7, A=14), qu’il imaginait plus ou moins comme un assemblage serré de trois alphas autour duquel orbitait deux protons isolés (protons satellites).

Proton satellite
L’éjection d’un noyau d’hydrogène du noyau d’azote par collision d’un alpha, selon par Rutherford et Chadwick en 1921

Avec Chadwick, Rutherford consacra plusieurs années à tenter de mettre en évidence ces protons satellites du noyau, sans succès. Incidemment, la réaction était

42He + 147N → 11H + 178O

mais ce n’est pas ainsi que Rutherford l’interprétait : il pensait qu’après avoir éjecté le proton satellite, la particule alpha avait continué sa course en laissant derrière elle un noyau de carbone. Ce n’est que quelques années plus tard que Blackett répéta l’expérience avec une chambre de Wilson (ou chambre à brouillard) et qu’il découvrit que la particule alpha était capturée par le noyau d’azote lors de la collision.

Rutherford déduisait aussi de son modèle l’existence possible d’un isotope de l’hydrogène de masse 2 et de charge 1, formé de deux protons liés à un électron. Le deutérium fut découvert en 1931 par Harold Urey par distillation répétée de l’hydrogène liquide.

Rutherford imagina aussi la possibilité qu’un électron soit lié à un seul proton, formant un noyau de masse 1 et de charge zéro, analogue à un atome d’hydrogène mais en beaucoup plus compact. Ce « neutron » fut recherché pendant 14 ans au Cavendish, en particulier par Chadwick. Rutherford pensa déduire aussi de ses expériences de diffusion d’alpha sur l’azote et l’oxygène la libération de noyaux de masse 3 et de charge 2, donc des noyaux d’hélium 3. En associant ces noyaux d’hélium 3 et d’hélium 4 avec des électrons en nombre adéquat, Rutherford imagina aussi la possibilité qu’il existe trois isotopes du lithium (Z=3) de masses 6, 7 et 8. Effectivement, le lithium naturel est à 92.5% du lithium 7 et à 7.5% du lithium 6 (le lithium 8 est très instable).

Rutherford commença en 1924 à étendre son modèle du noyau pour y inclure la radioactivité des noyaux lourds, mais la radioactivité alpha de l’uranium lui posait un problème. D’une part, les alphas produits par la disruption du noyau avaient une énergie de 4.3 MeV, et Rutherford calcula que, si cette énergie venait de la répulsion électrostatique, le point d’émission devait se trouver à 7×10-14 m du centre du noyau. D’autre part, ses propres expériences de diffusion avec Chadwick lui montraient que des alphas de 7.8 MeV (venant du polonium 214) étaient défléchis par un noyau d’uranium quand ils approchaient à 3×10-14 m, sans provoquer de disruption du noyau d’uranium. Rutherford étendit son modèle de protons satellites à des alphas satellites, et il modélisa en 1927 le noyau d’uranium comme un cœur compact entouré d’un nuage d’alphas satellites.

Taille des noyaux

Lors d’un bombardement d’atomes par des particules alpha, la plupart de celles-ci sont déviées par les noyaux, et cela d’autant plus fortement que ces noyaux sont lourds. La force de répulsion diminue comme le carré de la distance, et cette loi en 1/r2 correspond bien à une répulsion électromagnétique par une charge ponctuelle (ce qui signifie donc que les électrons de l’atome ne s’approchent pas aussi près du noyau). Cette loi demeure valide jusqu’à une distance de l’ordre de 3×10-14 m où elle commence à être violée : cela était-il dû à la taille des noyaux ou à l’existence d’une force non-électromagnétique de courte portée, ou aux deux ?

Au terme d’une décennie d’expériences de diffusion des alphas sur des feuilles minces de différentes matières, Rutherford et ses collaborateurs concluent à la présence d’une force

  • attractive
  • plus intense que la force électromagnétique, et
  • de très courte portée, devenant insensible au-delà de 10-14 m. Rutherford en conclut que cette valeur était la valeur du rayon nucléaire.

Le rayon R d’un noyau est approximativement (un noyau a une surface diffuse) R = (1.25×10-15 m)A1/3. Le rayon des noyaux s’étage donc de 1.25×10-15 m pour l’hydrogène (A=1) à 7.74×10-15 m pour l’uranium (A=238).

Harkins

William Draper Harkins (1873-1951)
William Draper Harkins (1873-1951)

Rutherford n’était pas le seul à jouer à ce genre de jeu de construction En 1915, Harkins commença à s’intéresser à la structure des noyaux, en partant de l’observation que la plupart des éléments ont des masses qui sont à peu de choses près des multiples de la masse de l’hydrogène, et en attribuant l’écart à une conséquence de l’énergie de liaison (électromagnétique à l’époque). Harkins et son élève E.D. Wilson supposèrent même que la conversion d’hydrogène en hélium pouvait être la source d’énergie des étoiles. Harkins nota la forte décroissance de l’abondance d’un élément dans la croûte terrestre et dans les météorites avec la masse atomique.

Harkins remarqua surtout que les éléments contenant un nombre pair de protons et d’électrons (dans un modèle où les noyaux étaient formés de A protons et A-Z électrons) étaient plus abondants que ceux contenant un nombre impair de protons et un nombre pair d’électrons, eux-même plus abondants que ceux contenant un nombre pair de protons et impair d’électrons, ceux contenant un nombre impair aussi bien de protons que d’électrons étant les plus rares de tous. Il imagina aussi que certains des éléments légers parmi les plus abondants, comme le carbone 12, l’oxygène 16 ou le néon 20, pouvaient être formés de particules alpha (imaginées comme des associations particulièrement stables de 4 protons et 2 électrons).

En 1920, dans son article « The Nuclei of Atomes and the New Periodic System », il mentionna l’existence possible d’associations analogues de 2 protons et d’un électron (le deutéron découvert en 1931 par Harold Urey) ou d’un proton et un électron (le neutron). Cet article est cité par Rutherford dans sa Conférence Bakérienne de 1920. Dans un article de 1921 (communiqué par Rutherford au Philosophical Magazine), Harkins introduisit le mot neutron pour « a term representing one negative electron and one hydrogen nucleus. » Le mot avait été utilisé auparavant (par W. Sutherland en 1899 et par W. Nernst en 1903) mais pour des concepts différents.

Points à éclaircir :

  • Rutherford parle en 1911 de « concentration de charge » pas de noyau concentrant aussi la masse, quand cela devient-il clair pour tous ? N’est-ce pas implicite dans le modèle de Bohr de l’atome ? À l’époque, Bohr était à Manchester chez Rutherford, il a donc dû reprendre les idées de celui-ci. Ou a-t-il eu l’idée seul ? Mais le point est-il important si son modèle repose plus sur la distribution de charges électriques que des masses ?
  • Y a-t-il eu un moment où les physiciens pensaient que chaque noyau était différent (92 objets différents) ? Dans ce cas, à quel moment ont-ils pensé qu’ils étaient composés de sous-ensembles ? Rôle des transmutations alpha (=il y a des alphas dans les noyaux radioactifs) et bêta (=il y a des électrons dans les noyaux radioactifs) dans ces réflexions ? Pensait-on que les noyaux radioactifs étaient différents des noyaux non-radioactifs (la majorité) ?
  • Quand le noyau d’hydrogène est-il considéré comme un composant des autres noyaux ? Lors des expériences de Rutherford d’éjection de protons des noyaux d’azote par bombardement d’alphas ? o Si une particule éjectée est supposée présente avant la collision, cela conduit à un noyau « lourd » formé de protons, d’électrons et d’alphas ?
  • Quand a-t-on cessé de supposer la pré-existence des particules éjectées dans les noyaux ? Après le modèle de Fermi de la transmutation bêta, en 1933, ou avant ?

Contact: lettreani
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