Moseley

Site en travaux

Contenu

Henry Moseley

Le plus brillant de tous les hommes avec qui j’ai pu collaborer (Ernest Rutherford)

Henry Moseley (1887-1915)
Henry Moseley en 1910 au Trinity College d’Oxford (1887-1915)

Diplômé d’Eton et d’Oxford, Henry Moseley (1887-1915) devint en septembre 1910 l’un des assistants de Rutherford à Manchester (avec Niels Bohr, Hans Geiger, Georges de Hevesy, James Chadwick, Kazimierz Fajans). Pendant 2 ans, Rutherford lui confia des tâches que Moseley jugeait «ennuyeuses». En juillet 1912, Moseley découvrit les travaux de Laue sur la diffraction des rayons X, et il parvint (en décembre) à convaincre Rutherford d’équiper le laboratoire des coûteuses sources de rayons X et des instruments nécessaires. En février 1913, Henry Moseley et Charles Galton Darwin publièrent un article dans Nature dans lequel ils retrouvaient les résultats que les Bragg venaient d’obtenir. En octobre, Moseley obtint les spectres de diffraction de toute une série de métaux, confirmant le modèle quantique de Bohr. Il démontra que le rang d’un élément dans le tableau périodique (son numéro atomique) était exactement la charge électrique Z du noyau, qui jouait un rôle bien plus fondamental que la masse atomique.

Noyaux

La mesure de la diffusion des particules alpha par les atomes avait permis à Rutherford et à ses collaborateurs de montrer entre 1908 et 1911 que l’essentiel de la masse atomique A d’un atome était rassemblée dans un noyau extrêmement petit et compact, dix mille fois plus petit que l’atome lui-même. Ce noyau possédait une charge positive, repoussant les particules alpha, et les mesures de diffusion indiquaient qu’elle était à peu près égale à la moitié de la masse atomique (multipliée par l’unité de charge électrique). Barkla avait indépendamment démontré en 1911, par la diffusion de rayons X, que le nombre Z d’électrons autour d’un noyau était voisin de A/2. Cela confirmait les résultats de diffusion des alphas : le noyau était entouré d’électrons, dont la charge électrique négative compensait celle du noyau.

En les rangeant strictement par ordre de masse croissante, certains atomes se seraient cependant retrouvés mal placés au vu de leurs propriétés chimiques. Les chimistes avaient par exemple préféré attribuer le numéro atomique 27 au cobalt et le 28 au nickel alors que la masse atomique du cobalt (58.93 car le seul isotope stable du cobalt est le cobalt 59) est supérieure à celle du nickel (58.69, car le nickel naturel est à 68% du nickel 58 et à 26% du nickel 60).

Le retour des rayons X

Après la découverte de la radioactivité, les physiciens n’avaient pas pour autant abandonné l’étude des rayons X. La principale question portait sur leur nature exacte.

Vitruve aux rayons XLa nature des rayons X

La découverte de la fluorescence X, ou émission X indirecte, stimula l’intérêt des physiciens pour les rayons X. Georges Sagnac montra dès 1896 que les métaux frappés par des rayons X en émettaient à leur tour. Mais la pénétration de ces rayons secondaires était différente de celle des rayons primaires. Cela suggérait que leur énergie était différente et que l’on avait peut-être affaire à une fluorescence X, analogue à la fluorescence dans laquelle des substances absorbent un rayonnement ultra-violet (par exemple) et réémettent de la lumière visible. En ce cas, les rayons X seraient une forme de rayonnement électromagnétique. Mais comment le démontrer?

Sagnac & Curie montrèrent en 1900 qu’une émission d’électrons était associée. Le nombre d’électrons associés augmentait avec la masse atomique du diffuseur. Pouvait-on en déduire que Z était proportionnel à A ?

Charles Barkla
Charles Barkla (1877-1944)

Charles Barkla (1877-1944) mena une étude systématique des rayons X, ce qui lui valut le prix Nobel de physique 1917. Il nota que:

  • Les rayons X diffusés avaient des propriétés identiques aux X incidents, et indépendantes du matériau.
  • Par contre, les rayons X émis avaient des propriétés indépendantes du rayonnement X incident mais dépendant des caractéristiques du matériau (rayonnement plus «dur» pour les éléments lourds).
  • Mais elles ne dépendaient pas de sa chimie, sa densité, ou sa température.
  • Ceci était analogue à la fluorescence et suggérait que les rayons X étaient bien des rayonnements électromagnétiques.

Barkla distingua deux types de rayonnement X émis, l’un (→ type A) bien plus pénétrant que l’autre (→ type B). La nomenclature A, B devint ensuite K et L pour laisser de la place si d’autres types étaient ensuite découverts.

Ces études s’inscrivaient dans le vieux débat de savoir si la lumière était une onde ou une particule. Interférences, diffraction et électrodynamique de Maxwell pointaient vers une onde, alors que l’émission thermique (Planck 1900) et l’effet photoélectrique (Einstein 1905) pointaient vers une particule.

Et les rayons X ? Barkla avait montré leur polarisation en 1904. Sommerfeld se demanda en 1912 s’ils pouvaient interférer ou être diffractés. Un deuxième problème était alors d’actualité : les cristaux. En 1850, Bravais avait suggéré qu’il s’agissait d’un arrangement régulier d’atomes, mais comment le démontrer? Quelles étaient les structures régulières et leurs tailles?

La diffraction des rayons X

Max von Laue
Max von Laue (1879-1960)

Max von Laue eut en février 1912 l’idée de résoudre les 2 problèmes en même temps : diffracter des rayons X sur des cristaux pour en étudier les structures.

Cette diffraction des rayons X par les cristaux, observée peu après par ses assistants Friedrich et Knipping, parut si spectaculaire qu’elle lui valut le prix Nobel de physique dès 1914.

Figure de diffraction obtenue par von Laue en 1912 avec un cristal de sulfate de cuivre (CuSO4)
Figure de diffraction obtenue par von Laue en 1912 avec un cristal de sulfate de cuivre (CuSO4)
Cristal de sulfate de cuivre
Cristal de sulfate de cuivre

Diffraction et interférence des rayons X

Diffraction sur une surface rugueuse
Diffraction sur une surface rugueuse

Onde sur une surface rugueuse :

  • réflexion « spéculaire »
  • diffusion ~ isotrope
  • si la rugosité est un motif répétitif de taille voisine de la longueur d’onde incidente → diffraction (dont l’angle dépend de la longueur d’onde et de la taille du motif)

Rayons X et cristaux: toute onde électromagnétique déforme le nuage électronique des atomes et conduit à la réémission d’une onde (de même fréquence) par chaque atome.

Ondes interférant avec un cristal
Ondes interférant avec un cristal

Les ondes émises par chacun des atomes d’un cristal interfèrent entre elles, et la régularité du cristal fait qu’il apparaît des angles θ d’émission maximale et minimale dépendant des distances interatomiques d et de la longueur d’onde λ du rayonnement X .

Diffraction et interférences sur un réseau périodique
Diffraction et interférences sur un réseau périodique

⇒ loi de Bragg nλ= 2d sinθ

William Henry Bragg (1862-1942) fut professeur à Adelaide (Australie) de 1885 à 1908 où il mena des travaux sur la radioactivité à partir de 1904 (sous l’impulsion de Rutherford) puis devint professeur à Leeds en 1909 où il collabora étroitement avec son fils William Lawrence Bragg (1890-1971). Ils reçurent ensemble le prix Nobel de physique en 1915.

Par application de la loi de Bragg [nλ= 2d sinθ] on peut mesurer la distance interatomique d si la longueur d’onde λ du rayonnement X est connue et, inversement, la longueur d’onde λ si la distance interatomique d est connue. Cela permet donc de faire la spectroscopie des rayons X, et la fluorescence X est désormais un puissant outil d’analyse:

Analyse par fluorescence X
Analyse par fluorescence X

Moseley entre en scène

En juillet 1913, Moseley publia un article présentant ses résultats avec les spectres de fluorescence X du platine. Sa méthode était d’effectuer la spectroscopie des rayons X par diffraction : des rayons X primaires émis par une source, bombardaient la cible que Moseley voulait étudier, le platine par exemple. Cette cible réémettait des rayons X secondaires dont la longueur d’onde était caractéristique de la cible (fluorescence X).

Diffraction des rayons X
Diffraction des rayons X sur un alliage fer-molybdène-chrome-nickel

Ces rayons X secondaires étaient ensuite diffractés par un cristal (connu !) et arrivaient sur une plaque photographique qui les enregistrait. L’angle de diffraction donnait la longueur d’onde des rayons X émis par la cible, identifiant la nature de l’atome réémetteur.

Analyse par diffraction de rayons X
Analyse par diffraction de rayons X

Moseley pouvait ainsi étudier le spectre des rayons X émis par les atomes qu’il plaçait dans la cible. En octobre 1913, Moseley obtint les raies Kα and Kβ du cuivre, du nickel, du cobalt, du fer, du manganèse, du chrome, du vanadium, du titane et du calcium. Les raies se décalaient légèrement d’un élément à l’élément suivant du tableau périodique. Voici ce qu’il obtint pour les raies Kα et Kβ des les éléments 20 à 29, donc du calcium au cuivre:

Trous dans les échelles de Moseley

Manifestement, il y avait un trou entre le titane et le calcium. L’élément situé entre ceux-ci dans le tableau périodique est le scandium, et il s’intercala bien à l’emplacement attendu quand Moseley l’examina ensuite. Il y avait donc une bonne corrélation entre la longueur d’onde d’une raie et la masse atomique de l’élément sondé, mais une corrélation meilleure encore entre la longueur d’onde et le numéro atomique: la longueur d’onde variait plus régulièrement du calcium au scandium et au titane en suivant la suite des numéros atomiques 20, 21, 22 que la suite des masses atomiques 40, 45, 48. En fait la corrélation était encore meilleure avec le carré du numéro atomique.

La corrélation observée par Moseley pour les spectres de rayons X
La corrélation observée par Moseley pour les spectres de rayons X

Ce n’était pas totalement inattendu: le modèle de Bohr, précisément élaboré à Manchester quelques mois plus tôt, prédisait que l’énergie des électrons dans un atome (et donc l’énergie des photons émis, qu’ils soient dans le domaine visible, ultraviolet ou X) variait comme le carré de la charge électrique du noyau. La formule de Bohr pour l’hydrogène E0 = Me4/2ħ2 devenait Esub>0 = e2/2rsub>0= MZ2e4/2ħ2 pour une charge Ze. La raie Kα, dans la notation de Barkla (K,L,M,N) modifiée par Mannes Siegbahn (Kα, Kβ…), est l’équivalent pour un noyau plus lourd de la raie Lyman α de l’hydrogène. Elle se trouve dans le domaine des rayons X plutôt que l’ultraviolet comme la raie Lyman α tout simplement parce que l’énergie de l’électron, et donc celle des photons émis, est multipliée par Z2, qui peut vite devenir grand (pour Z~30 on passe des électrons-volts du domaine visible aux kilo-électron-volts du domaine X).

Niveaux d'énergie de l'atome de cuivre
Niveaux d’énergie de l’atome de cuivre

En réalité, le modèle de Bohr ne s’applique pas très bien aux atomes plus lourds que l’hydrogène parce qu’ils ont plusieurs électrons, qui s’affectent mutuellement et « écrantent » partiellement la charge centrale. En première approximation, l’énergie des électrons varie plutôt proportionnellement non à Z2 mais approximativement comme (Z-a)2, avec la constante empirique a~1, ce qui exactement ce que Moseley observa. Le modèle de Bohr était ainsi validé (provisoirement) de même que le modèle atomique de Rutherford qui était à sa base.

L’apport de Moseley

Le résultat le plus important des travaux de Moseley était que le rang d’un élément dans le tableau périodique (numéro atomique) était identique à la charge Z du noyau (en unités de charge élémentaire). Le nombre d’électrons orbitant autour de ce noyau était nécessairement égal à Z pour assurer la neutralité électrique de l’atome, et ce nombre d’électrons était responsable des propriétés chimiques de l’atome, ce qui expliquait le lien entre la charge Z du noyau et les propriétés chimiques de l’élément qui lui avaient valu initialement sa place dans le tableau.

  • le numéro atomique Z était le paramètre essentiel;
  • la masse atomique A avait une signification bien moins fondamentale;
  • Z et A étaient deux quantités indépendantes.

Ceci avait plusieurs conséquences majeures:

  • on pouvait remplir le tableau périodique sans hésitation puisque chaque case correspondait à un nombre entier, Z, et non un nombre presque entier comme A, et il suffisait de faire la liste des entiers de 1 à 92.
  • la spectroscopie X donnait sans ambiguïté la valeur de Z, donc la place de l’élément en question dans le tableau. Moseley plaça ainsi l’argon (Z=18, m=39,9) avant le potassium (Z=19, m=39,1) en meilleur accord avec leurs propriétés chimiques (gaz inerte et métal alcalin) et il confirma que le cobalt était bien le 27° élément et le nickel le 28°, justifiant les inversions que Mendéléiev s’était permis un demi-siècle plus tôt.
  • les éléments 43, 61, 72, 75, 85 et 87 devaient exister, et ils furent effectivement découverts de 1923 à 1940.
  • mais aucun autre élément ne manquait de l’hydrogène (Z=1) à l’uranium (Z=92)
  • il y avait exactement 15 lanthanides (Z=57 à 71), ces « terres rares » aux propriétés chimiques si voisines qu’il était difficile de les séparer chimiquement.
  • il n’y avait pas d’indication expérimentale d’éléments au-delà de l’uranium, mais pas d’interdiction non plus.
Tableau périodique après Moseley
Le tableau périodique après les travaux de Moseley, indiquant en rouge les éléments restant alors à découvrir (avec la date de leur découverte), et en bleu les lanthanides

La mort de Moseley

À la fin de novembre 1913, Moseley déclina une offre de bourse de la part de Rutherford et il quitta Manchester et retourna à Oxford dans l’espoir d’un poste de professeur. En août 1914, il s’engagea dans l’armée comme lieutenant du génie (dans le corps des transmissions) et il partit au printemps 1915 pour la campagne des Dardanelles, où il fut tué au combat le 10 août 1915.

Si l’on songe à ce que Moseley aurait pu encore accomplir, sa mort a peut-être été la mort la plus coûteuse de l’histoire des guerres de l’humanité (Isaac Asimov)

Théâtre d'opération des Dardanelles
Théâtre d’opération des Dardanelles

Van den Broek

Les idées de Moseley furent d’autant mieux accueillies que A. van den Broek avait déjà suggéré (le 20 juillet 1911 dans la revue Nature) que la charge électrique Z du noyau était nettement plus faible que la masse atomique A, d’un facteur 2 à peu près: son argument reposait sur la diffusion des particules alphas par le noyau, car l’angle de diffusion dépend de la charge du noyau et permet donc de l’estimer. L’année suivante, il suggérait qu’à chaque élément chimique devait correspondre une et une seule « charge intra-atomique » et il conclua en 1913 que le numéro atomique et la charge électrique du noyau devait être identiques.

Que la masse atomique A soit plus du double du numéro atomique Z (sauf pour l’hydrogène bien entendu) allait poser un gros problème aux physiciens, jusqu’à la découverte du neutron en 1932, et compliquer leurs modèles du noyau pour parvenir à rendre compte de la différence entre A et Z.


Contact: lettreani
Publicités

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s