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Lycée · 15 min

Diffusion de Rutherford : sonder l’atome avec des particules α

Envoyer un faisceau α collimaté sur une feuille d’or et suivre les trajectoires : presque toutes traversent, quelques-unes dévient et de rares particules rebondissent.

Objectif

Reconstituer comment la rétrodiffusion de quelques particules α a forcé la conclusion que presque toute la masse atomique tient dans un minuscule noyau positif.

Matériel et réactifs

Une source α blindée dans un bloc de plomb à canal étroit, une feuille d’or de ~0,4 µm, un écran de sulfure de zinc qui scintille à chaque impact, le tout sous vide.

Procédure

  1. Suivre la ligne de faisceau rouge épaisse de la source à la feuille puis à l’écran — c’est le sort de la plupart des particules α.
  2. Repérer les deux lignes plus fines quittant la feuille en biais — des particules α passées près d’un noyau et déviées.
  3. Repérer la ligne qui repart vers la source — l’événement 1 sur 8000 qui a stupéfié Rutherford.
  4. Comparer l’épaisseur relative des trois sortes de lignes pour juger la fréquence de chaque issue.

À observer

  • L’immense majorité des particules α traverse droit — les atomes sont surtout du vide.
  • Une petite fraction dévie de quelques degrés — des rencontres rapprochées avec quelque chose de petit et chargé.
  • La rétrodiffusion n’existe que si la charge positive et la masse sont concentrées dans une région bien plus petite que l’atome.

Explication

Dans le modèle du plum pudding, la charge positive était répartie sur tout l’atome, donc une particule α lourde et rapide ne pouvait jamais rebondir sur une feuille mince. La fraction rétrodiffusée observée (~1/8000) a imposé le modèle de Rutherford de 1911 : un noyau minuscule (∼10−14\sim10^{-14} m contre ∼10−10\sim10^{-10} m pour l’atome) portant toute la charge positive et presque toute la masse. Cette même image nucléaire a ensuite expliqué les isotopes — noyaux de même charge Z mais de nombres de neutrons différents, comme le couple 235U^{235}\ce{U}/238U^{238}\ce{U} — et a fait des désintégrations α, β et γ des processus internes au noyau.

Chimistes associés

Ernest Rutherford

Sujets liés

Isotopes, désintégrations α, β, γParticules subatomiques, isotopes, numéro atomique, nombre de masse

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