{"id":788,"date":"2024-10-27T08:51:45","date_gmt":"2024-10-27T07:51:45","guid":{"rendered":"http:\/\/www.sciences-aco.fr\/?page_id=788"},"modified":"2024-10-27T09:47:52","modified_gmt":"2024-10-27T08:47:52","slug":"la-premiere-experience-de-collisions-avec-des-particules-accelerees-lexperience-de-rutherford-1909-1911-2","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.sciences-aco.fr\/index.php\/la-premiere-experience-de-collisions-avec-des-particules-accelerees-lexperience-de-rutherford-1909-1911-2\/","title":{"rendered":"La premi\u00e8re exp\u00e9rience de collisions avec des particules acc\u00e9l\u00e9r\u00e9es : l\u2019exp\u00e9rience de Rutherford (1909-1911)"},"content":{"rendered":"\n

Comment est structur\u00e9 l’atome ?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Au d\u00e9but du 20i\u00e8me si\u00e8cle l\u2019existence de l\u2019atome est connue, mais non sa structure. On sait seulement qu\u2019\u00e9tant \u00e9lectriquement neutre, il est constitu\u00e9 d\u2019un m\u00e9lange de corpuscules de charges n\u00e9gatives (\u00e9lectrons) et positives (plus tard baptis\u00e9s protons) en nombre \u00e9gal, mais on ignore tout de sa taille, de sa structure ainsi que de celle des constituants et l\u2019on pense que ces derniers sont m\u00e9lang\u00e9s dans une sorte de sac (mod\u00e8le humoristiquement baptis\u00e9 \u00ab Plum-Pudding \u00bb) de taille inconnue.
Le seul moyen d\u2019\u00e9lucider cette structure est de \u00ab bombarder \u00bb les atomes avec des particules d\u2019au moins d\u2019aussi petite taille. Il faut que ces particules aient une vitesse suffisante pour \u00e9merger de la mati\u00e8re qu\u2019elles percutent de mani\u00e8re \u00e0 ce que l\u2019on puisse observer la mani\u00e8re dont leur trajectoire a \u00e9t\u00e9 perturb\u00e9e.<\/p>\n\n\n\n

Or au d\u00e9but du si\u00e8cle se produit une d\u00e9couverte majeure : la d\u00e9couverte de la radioactivit\u00e9 par H. Becquerel et la s\u00e9paration et la production d\u2019\u00e9l\u00e9ments radioactifs par P. et M. Curie : le Radium et le Polonium. Ces \u00e9l\u00e9ments \u00e9mettent des rayonnements appel\u00e9s : \u03b1, \u03b2, \u03b3.<\/p>\n\n\n\n

En particulier, les particules \u03b1 (alpha) sont des atomes H\u00e9lium ayant perdu leurs \u00e9lectrons, donc de charge positive. Elles sont de tr\u00e8s petite taille et sont \u00e9ject\u00e9es de la source radio-active avec des vitesses de l\u2019ordre de 10 km\/s, correspondant \u00e0 une acc\u00e9l\u00e9ration de plusieurs millions de Volts. Avant d\u2019\u00eatre remplac\u00e9es par des acc\u00e9l\u00e9rateurs, elles vont permettre pendant environ 30 ans d\u2019effectuer toutes sortes d\u2019exp\u00e9riences de collisions qui vont r\u00e9soudre compl\u00e8tement la structure de l\u2019atome. F. et I. Joliot Curie d\u00e9couvriront \u00e9galement la radioactivit\u00e9 artificielle avec ces sources.<\/p>\n\n\n\n

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L’exp\u00e9rience de Rutherford : 3 conclusions d\u00e9terminantes<\/strong><\/p>\n\n\n\n

E. Rutherford avait r\u00e9ussi \u00e0 \u00e9lucider la nature de ces particules \u03b1, ce pourquoi il obtient le prix Nobel en 1908. L\u2019ann\u00e9e suivante, il a l\u2019intuition que par collision, elles pourront lui donner des informations sur la structure de la mati\u00e8re. Avec H. Geiger et E. Marsden, il envoie ainsi des particules \u03b1, sur une feuille d\u2019or et mesure leur distribution spatiale \u00e0 la sortie. L\u2019exp\u00e9rience a lieu dans une chambre ferm\u00e9e dont l\u2019air a \u00e9t\u00e9 \u00e9vacu\u00e9 afin que les particules se propagent dans le vide, sans quoi l\u2019atmosph\u00e8re aurait perturb\u00e9 leurs trajectoires.<\/p>\n\n\n\n

Cette exp\u00e9rience a men\u00e9 \u00e0 3 conclusions absolument \u00ab sensationnelles \u00bb pour l\u2019\u00e9poque :<\/p>\n\n\n\n

1 – <\/strong>\u00ab\u00a0la mati\u00e8re est vide\u00a0\u00bb, car la plupart des particules passent \u00e0 travers sans interaction, ce qui signifie qu\u2019elle est concentr\u00e9e dans des petits volumes.<\/p>\n\n\n\n

2 \u2013<\/strong> Certaines particules sont n\u00e9anmoins diffus\u00e9es de mani\u00e8re \u00ab\u00a0violente\u00a0\u00bb, jusqu\u2019\u00e0 faire demi-tour parfois : ceci montre que les particules ont \u00e9t\u00e9 soumises au champ des charges positives des atomes (les protons), qui les repoussent, beaucoup plus qu\u2019aux charges n\u00e9gatives (\u00e9lectrons). Il s\u2019ensuit que les charges n\u00e9gatives sont \u00ab dilu\u00e9es \u00bb et qu\u2019il existe au centre des atomes un \u00ab\u00a0noyau\u00a0\u00bb extr\u00eamement petit et de charge exclusivement positive.<\/p>\n\n\n\n

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Sch\u00e9ma de l\u2019exp\u00e9rience de Geiger, Marsden et Rutherford<\/em><\/p>\n\n\n\n

3 \u2013<\/strong> Le fait que les \u00e9lectrons ne sont pas m\u00e9lang\u00e9s avec les protons et sont situ\u00e9s \u00e0 des distances de ce noyau beaucoup plus grandes que sa taille est une surprise. E. Rutherford y r\u00e9fl\u00e9chira pendant 2 ans avant de proposer ce mod\u00e8le ! Il faudra de nombreuses ann\u00e9es pour que cette structure soit admise et comprise par la communaut\u00e9 scientifique. En effet, en m\u00e9canique classique, seule connue \u00e0 cette \u00e9poque, les \u00e9lectrons devraient tourner autour du noyau, rayonner de l\u2019\u00e9nergie \u00e9lectromagn\u00e9tique et finir par \u00ab\u00a0tomber\u00a0\u00bb sur le noyau aboutissant ainsi \u00e0 une contradiction compl\u00e8te avec les observations de l\u2019exp\u00e9rience. Cette contradiction va obliger \u00e0 consid\u00e9rer les particules comme des ondes et contribuer \u00e0 fonder la m\u00e9canique quantique, ce qui va demander une quinzaine d\u2019ann\u00e9es suppl\u00e9mentaires (\u00e9quation de Schr\u00f6dinger, 1925).<\/p>\n\n\n\n

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Repr\u00e9sentation artistique de l\u2019atome d\u2019Oxyg\u00e8ne avec son cort\u00e8ge d\u2019\u00e9lectrons qui occupent l\u2019espace \u00e0 la mani\u00e8re d\u2019un nuage diffus. Ce nuage a une taille environ 105 fois et, donc, un volume 1015 fois plus grand celui du noyau !<\/em><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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Des premi\u00e8res exp\u00e9riences de collisions aux acc\u00e9l\u00e9rateurs de particules<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Cette exp\u00e9rience peut \u00eatre consid\u00e9r\u00e9e comme l\u2019anc\u00eatre et l\u2019arch\u00e9type de toutes celles qui ont suivi. On y remarque la plupart des \u00e9l\u00e9ments des exp\u00e9riences de collisions :<\/p>\n\n\n\n

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  • un faisceau issu d’une source<\/li>\n\n\n\n
  • un acc\u00e9l\u00e9rateur (confondu avec la source ici)<\/li>\n\n\n\n
  • des chambres \u00e0 vide pour que les particules puissent se propager<\/li>\n\n\n\n
  • un espace de glissement et de pr\u00e9paration du faisceau (iris non montr\u00e9 ici, focalisation par la suite)<\/li>\n\n\n\n
  • une cible (feuille d’or)<\/li>\n\n\n\n
  • un d\u00e9tecteur (scintillateur + microscope)<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n

    Afin d\u2019explorer des d\u00e9tails de plus en plus fins de la structure de la mati\u00e8re, tels la structure du noyau, il faut disposer de faisceaux de particules beaucoup plus intenses et d\u2019\u00e9nergies de plus en plus \u00e9lev\u00e9es (jusqu\u2019\u00e0 1 million de fois celle des particules alpha au LHC au CERN \u00e0 Gen\u00e8ve). Ceci a entrain\u00e9 la construction d\u2019acc\u00e9l\u00e9rateurs \u00e0 partir des ann\u00e9es 1930. Ces derniers ont \u00e9volu\u00e9 vers des machines de plus en plus diversifi\u00e9es, dont ACO constitue une des \u00e9tapes dans leur histoire.<\/p>\n\n\n\n

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    Acc\u00e9l\u00e9rateur \u00e9lectrostatique invent\u00e9 par E. Walton et J. Cockroft (de part et d\u2019autre d\u2019E. Rutherford sur la photo)<\/em><\/p>\n\n\n\n

    ACO appartient \u00e0 une g\u00e9n\u00e9ration de machines qui r\u00e9alisent des collisions faisceau-faisceau plut\u00f4t que sur cible fixe, l\u2019anneau de stockage, rempli par un premier acc\u00e9l\u00e9rateur, permettant d\u2019atteindre de fortes intensit\u00e9s. Par la suite, il a servi de source de rayonnement synchrotron appliqu\u00e9e \u00e0 de tous autres usages.
    Mais ceci est une autre histoire !<\/p>\n\n\n\n

    <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Comment est structur\u00e9 l’atome ? Au d\u00e9but du 20i\u00e8me si\u00e8cle l\u2019existence de l\u2019atome est connue, mais non sa structure. On sait seulement qu\u2019\u00e9tant \u00e9lectriquement neutre,…<\/p>\n","protected":false},"author":9,"featured_media":0,"parent":0,"menu_order":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"footnotes":""},"class_list":["post-788","page","type-page","status-publish","hentry"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.sciences-aco.fr\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/788","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.sciences-aco.fr\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/pages"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.sciences-aco.fr\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/page"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.sciences-aco.fr\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/9"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.sciences-aco.fr\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=788"}],"version-history":[{"count":32,"href":"https:\/\/www.sciences-aco.fr\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/788\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":827,"href":"https:\/\/www.sciences-aco.fr\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/788\/revisions\/827"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.sciences-aco.fr\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=788"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}