LA DÉCOUVERTE DU NOYAU DE L'ATOME par Ernest RUTHERFORD

LA DÉCOUVERTE DU NOYAU DE L'ATOME par Ernest RUTHERFORD

Les sources utilisées : https://fr.wikipedia.org/wiki/ernest_rutherford http://www.sciencesaco.fr/?l-experience-de-rutherford http://college.lutterbach.free.fr/eise/exposes/rutherford/rutherford.html http://www.laradioactivite.com/site/pages/lexperiencederutherford.htm http://www.physique-chimie-lycee.fr/histoire-sciences/physique-nucleaire.html https://fr.khanacademy.org

Introduction La matière qui nous entoure est constituée de molécules formées par des atomes. Les atomes sont formés par un noyau autour duquel gravitent des électrons chargés négativement. Le noyau est formé de deux types de particules : les neutrons qui n'ont pas de charge et les protons, chargés positivement. Au début du 20ème siècle, l existence de l atome est connue. On sait qu étant électriquement neutre, il est constitué d un mélange de particules de charges négatives (électrons) et positives (plus tard baptisés protons) en nombre égal. Mais on ignore tout de sa taille, de sa structure ainsi que celle de ses constituants. En 1803, d'après les conclusions du Physicien DALTON, on le compare d'abord à une boule de billard En 1901, pour THOMPSON, c'est une sorte de sac «Plum-Pudding» de taille inconnue : la pâte était les charges positives tandis que les charges négatives étaient occupées par les raisins. Evolution de la conception de l atome

En 1911, Rutherford réalise des expériences sur la diffusion de particules alpha émises par une source radioactive à travers une feuille d'or. Il en conclut que la masse et les charges positives de l'atome sont concentrées sur un minuscule noyau. Il a donc établi que chaque atome possède un noyau compact, avec des électrons négatifs "naviguant" autour de lui. En 1897 En 1911 Avec le modèle de Thomson, les particules alpha ne sont pas déviées Avec le modèle de Rutherford, les particules alpha sont déviées Schéma représentant le comportement de la particule alpha au voisinage ou dans un atome d'or, aux différents stades des recherches scientifiques

Nous présenterons d'abord le physicien et chimiste Ernest Rutherford (1) puis nous aborderons la découverte du noyau de l'atome (2) en précisant le contexte scientifique dans lequel a eu lieu cette découverte (a-) puis nous expliquerons la démarche scientifique de Rutherford (b-) Plan 1/ Ernest RUTHERFORD : un physicien aux multiples découvertes 2/ La découverte du noyau de l'atome a - le contexte scientifique dans lequel cette découverte a eu lieu b - la démarche scientifique de Rutherford qui prouve l'existence du noyau

1/ Ernest RUTHERFORD : un physicien aux multiples découvertes E.Rutherford dans son laboratoire Cavendish à Cambridge Ernest Rutherford ( 1871-1937)

Ernest Rutherford est né en 1871 en Nouvelle-Zélande. C'est un physicien et chimiste, considéré comme le père de la physique nucléaire. Il découvrit les rayonnements alpha et les rayonnements bêta. Il découvrit aussi que la radioactivité s'accompagnait d'une désintégration des éléments chimiques, ce qui lui valut le prix Nobel de chimie en 1908. C'est encore lui qui mit en évidence l'existence d'un noyau atomique, dans lequel étaient réunies toute la charge positive et presque toute la masse de l'atome. Si, pendant la première partie de sa vie, il se consacra exclusivement à sa recherche, il passa la deuxième moitié de sa vie à enseigner et à diriger le laboratoire Cavendish à Cambridge, où fut découvert le neutron. Rutherford était respecté par ses étudiants, pour ses découvertes passées et pour sa personnalité attachante, au point qu'il était considéré comme «le professeur» de Cambridge. On le surnommait «le crocodile», parce que comme un crocodile qui ne voit jamais sa queue, il regardait toujours devant lui. Il mourut le 19 octobre 1937 et fut inhumé à l'abbaye de Westminster aux côtés de Newton. Son effigie orne désormais les billets de 100 dollars néo-zélandais.

2/ La découverte du noyau de l'atome a - le contexte scientifique dans lequel a eu lieu cette découverte Dates repères Physique nucléaire et découvertes sur les atomes et les noyaux John Dalton 1803-8 Théorie atomique de la chimie Henri Becquerel 1895 Découverte des rayonnements Becquerel découvre accidentellement qu'un sel d'uranium émet des rayonnements: placés dans un tiroir avec une plaque photographique ils l'impressionnent. J.J. Thomson 1897 Découverte des électrons Marie Curie 1898 Invention du terme "radioactivité" pour désigner les radiations émises par l'uranium. Ernest Rutherford 1911 Découverte des noyaux James Chadwick 1932 Découverte du neutron

Avec la découverte du noyau de l'atome, nous nous situons dans l'exploration de l'infiniment petit et la naissance de la physique nucléaire. La physique nucléaire est la science qui étudie le noyau atomique et la façon dont il interagit lorsqu'une particule arrive à proximité du noyau. L'ordre de grandeur est 10-15 m. La découverte du noyau de l'atome par Rutherford a lieu en 1911. Elle s'inscrit dans une succession de découverte scientifique qui débute : en 1803 avec John Dalton, qui élabore la théorie atomique de la chimie. Puis viendra la découverte de la radioactivité en 1895 par Henri Becquerel, les travaux de Pierre et Marie Curie, la découverte des électrons par J.J Thompson en 1897. Avec ces découvertes, on commence à envisager que les atomes étaient peut-être eux-mêmes des objets composés. Les premières années du 20e siècle, les chercheurs tâtonnent et n'arrivent pas à trouver la structure de l'atome. En 1908, Rutherford reçoit le prix Nobel pour l'identification des particules alpha à l'hélium. Il ne s'en tient pas là et il poursuit ses recherches sur les propriétés des rayonnements radioactifs.

b - la démarche scientifique de Rutherford qui prouve l'existence du noyau Schéma de l'expérience réalisée par Rutherford en 1911

Il a travaillé sur la radioactivité et s'est intéressée à la réactivité des particules alpha. Ceux sont des noyaux d'hélium auxquels on a arraché les 2 électrons. Ce noyau d hélium contient 2 protons chargés positivement et des neutrons. Rutherford demande à ses élèves Hans Geiger et Ernest Marsden de réaliser l'expérience suivante dans une chambre fermée, dont l air a été évacué afin que les particules se propagent dans le vide, car l atmosphère aurait perturbé leurs trajectoires. Ils ont placé dans une boite en plomb un morceau de radium qui émet des particules alpha, en laissant un petit trou sur l'un des côtés de la boite. Une grande partie des particules alphas émises par le radium sont absorbées par la boite en plomb, mais une partie s'échappent par le trou et prennent une direction précise. Ce faisceau de particules alpha est envoyé sur une feuille d'or très fine. Ils ont choisi une feuille d'or car elle a un nombre d'atomes très petit au niveau de l'épaisseur. Cette feuille est frappée par ces particules. Autour de cette feuille d'or, Rutherford a placé un écran de détection (un écran de sulfure de zinc scintillant qui émet de la lumière en cas de contact avec les particules alpha). Il voulait savoir ce que cela pourrait lui apprendre sur la structure de l'atome : > s'il était constitué comme le modèle de Thomson, alors les particules alpha devraient traverser les atomes de la feuilles d'or, sans être déviés de leur trajectoire ou très faiblement de manière à peine observable.

"C'était la chose la plus incroyable qui me soit jamais arrivée. Imaginez que vous tiriez un obus de 15 pouces (40cm) sur un mouchoir en papier tendu au milieu de la pièce et que l'obus rebondisse et revienne vers vous."

Dans cette expérience, Rutherford a été intuitif car il ne s'est pas contenté de placer un détecteur pour recueillir les particules alpha juste derrière la feuille. Il a placé un écran de détection tout autour de la feuille en laissant un peu d'espace pour que le faisceau de particules alpha puisse passer. Il a observé les impacts dans l obscurité au microscope sur un écran: La majorité des particules alpha ont traversé la feuille d'or sans être déviées pour frapper l'écran. Mais il a observé qu'une particule sur 20.000 a frappé la feuille d'or et a rebondi sur l'écran tant elle a été dévié à plus de 90. Rutherford dit à propos de son expérience que «tout se passe comme si vous bombardiez une feuille de papier avec un obus et que le projectile rebondit parfois vers vous.» Il en conclut que l atome contenait un cœur massif, de charge électrique positive, capable de repousser les particules alpha. La charge positive des atomes se trouve dans un noyau massif et compact. Ce noyau concentre presque toute la masse de l'atome, mais n'occupe qu'une centaine de millionième de millionième de son volume. L'atome est vide, quasiment à cent pour cent. Rutherford imagina alors un atome constitué d'un noyau chargé positivement et contenant la majorité de la masse de l'atome, et séparé par du vide, des électrons tournant autour comme des planètes autour du Soleil. C'est le modèle planétaire de l'atome.

Conclusion L existence d un noyau atomique ne suscita sur le moment que peu d'intérêt. Rutherford lui-même ne sembla pas avoir pris immédiatement conscience de l importance de sa découverte. Il la mentionne à peine dans son traité de radioactivité en 1912. Avant la découverte du noyau de l atome par Rutherford, on se représentait l atome comme une sorte de plum-pudding. Les électrons porteurs de charges électriques négatives avaient été découverts en 1896, et on imaginait ces charges navigant dans un magma de charges positives dont on ignorait la nature et l agencement. A la suite de cette découverte, Rutherford propose le modèle atomique ou modèle planétaire de l'atome. C'est un modèle physique proposé pour décrire la structure d'un atome. Tous les électrons sont à la même distance du noyau étant donné leur charge électrique. On parle de modèle planétaire parce qu'on le compare à une planète tournant autour du soleil. interaction électromagnétique électron noyau modèle atomique ou modèle planétaire de l'atome