Le noyau / Expérience de Rutherford

Le noyau / Expérience de Rutherford
En bombardant une feuille d'or d'épaisseur 0,6 micromètre par des particules α  (chargées positivement) émises par le radium, Rutherford a constaté que la plupart de ces particules traversent le métal sans subir de déviation et ne rencontrent aucun obstacle sur leur chemin. ll en a déduit que la matière a une structure lacunaire.
Ouelques rares particules subissent une forte répulsion due à I'existence d'une très dense chargée positivement: c'est le noyau de I'atome.

Cette expérience a également permis à Rutherford de déterminer le diamètre moyen du noyau (de l'ordre de
1O-5 Â ) et celui de l'atome (de l'ordre de l'Angstrôm).Si on représente le noyau par une sphère de rayon 1 cm, l'atome serait représenté par une sphèrg de rayon 100m.

La.mesure de la déviation subie par une particule c a permis de trouver que la charge q du noyau est toujours égale, en valeur absolue, à un multiple entier Z de celle de l'électron : q = Z lel.

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Les particules alpha ou rayons alpha sont une forme de rayonnement émis par des noyaux instables de grande masse atomique. Elles sont constituées de deux protons et deux neutrons combinés en une particule identique au noyau d'hélium (hélion); elles peuvent donc s'écrire He²⁺. La masse d'une particule alpha est de 6,644656 × 10^-27 kg, ce qui équivaut à une énergie de masse de 3,72738 GeV.

Les particules alpha sont émises par des noyaux radioactifs comme l'uranium ou le radium par l'intermédiaire d'un processus nommé désintégration alpha. Ce processus laisse parfois le noyau dans un état excité ; l'émission d'un rayon gamma permet au noyau d'évacuer cet excès d'énergie et de retourner à l'état fondamental. Au contraire de la désintégration bêta, la désintégration alpha est soumise à la force nucléaire forte et est caractéristique des noyaux lourds (masse atomique > 200). Dans le cadre de la mécanique classique, les particules alpha ne possèdent pas assez d'énergie pour échapper à l'attraction du noyau mais l'effet tunnel leur permet de le faire. Lorsqu'une particule alpha est émise, la masse atomique d'un élément diminue d'environ 4,0015 unités de masse atomique du fait de la perte de quatre nucléons. Ayant perdu deux protons, l'atome considéré voit son nombre atomique diminuer de deux, se transformant en un nouvel élément. Un exemple est la transformation du radium en gaz radon par désintégration alpha.

L'énergie d'une particule alpha est variable, les plus gros noyaux émettant des particules de plus haute énergie, mais la plupart des particules alpha possèdent une énergie comprise entre 3 et 7 MeV. Ceci représente une quantité d'énergie relativement élevée pour une seule particule, mais leur masse importante implique que les particules alpha ont une vitesse plus faible (typiquement, une énergie cinétique de 5 MeV donne une vitesse de 15 000 km/s pour la particule) que les autres types de radiations courantes (particules bêta, rayonnement gamma, neutrons, etc.). Du fait de leur masse et de leur charge importante, les particules alpha sont facilement absorbées par la matière et ne peuvent parcourir que quelques centimètres dans l'air. Elles peuvent être arrêtées par une feuille de papier ou par la partie externe de la peau et ne sont donc en général pas dangereuses pour la santé sauf si la source est inhalée ou ingérée. Par contre, si une source de rayonnement alpha pénètre dans le corps humain elle est la forme de radiation la plus dangereuse; car c'est la plus ionisante et des doses suffisamment fortes peuvent provoquer tous les symptômes d'empoisonnement radioactif. On estime que les dommages causés aux chromosomes par les particules alpha sont environ 100 fois plus importants que ceux provoqués par une autre radiation en quantité équivalente. Le polonium 210, émetteur de particules alpha, est suspecté de jouer un rôle dans les cancers du poumon et de la vessie liés au tabac.

La plupart des détecteurs de fumée contiennent une petite quantité d'une source de particule alpha : l'américium 241. Cet isotope est extrêmement dangereux s'il est inhalé ou ingéré mais le danger est minime si la source reste scellée.

Le fait que les particules alpha apparaissent naturellement et qu'elles possèdent une énergie suffisamment haute pour participer à une réaction nucléaire a permis, à travers leur étude, certaines avancées dans le domaine de la physique nucléaire. Le physicien Ernest Rutherford utilisa les particules alpha pour prouver que le modèle atomique de type « gâteau aux électrons » (« plum pudding ») était erroné (Voir Expérience de Rutherford).

Dans le domaine de l'informatique, certaines erreurs de DRAM étaient liées à l'émission de particules alpha dans les puces DRAM d'Intel datant de 1978. Cette découverte entraîna un contrôle strict des éléments radioactifs présents dans les matériaux semi-conducteurs et le problème fut considéré comme résolu.