Expériences Geiger-Marsden - Geiger–Marsden experiments

Une réplique de l'un des appareils de Geiger et Marsden

Les expériences Geiger-Marsden (également appelées expérience de feuille d'or de Rutherford ) étaient une série d' expériences marquantes par lesquelles les scientifiques ont appris que chaque atome a un noyau où toute sa charge positive et la majeure partie de sa masse sont concentrées. Ils l'ont déduit après avoir mesuré comment un faisceau de particules alpha est diffusé lorsqu'il frappe une fine feuille de métal . Les expériences ont été réalisées entre 1908 et 1913 par Hans Geiger et Ernest Marsden sous la direction d' Ernest Rutherford aux laboratoires de physique de l' université de Manchester .

Sommaire

Théories contemporaines de la structure atomique

Le modèle du plum pudding de l'atome, tel qu'envisagé par Thomson.

La théorie populaire de la structure atomique à l'époque de l'expérience de Rutherford était le « modèle du plum pudding ». Ce modèle a été conçu par Lord Kelvin et développé par JJ Thomson . Thomson était le scientifique qui a découvert l' électron , et qu'il était un composant de chaque atome. Thomson croyait que l'atome était une sphère de charge positive dans laquelle les électrons étaient distribués, un peu comme des raisins secs dans un pudding de Noël . L'existence de protons et de neutrons était inconnue à cette époque. Ils savaient que les atomes étaient très petits (Rutherford supposait qu'ils étaient de l'ordre de 10 -8 m de rayon). Ce modèle était entièrement basé sur la physique classique (newtonienne); le modèle actuellement accepté utilise la mécanique quantique .

Le modèle de Thomson n'était pas universellement accepté même avant les expériences de Rutherford. Thomson lui-même n'a jamais été en mesure de développer un modèle complet et stable de son concept. Le scientifique japonais Hantaro Nagaoka a rejeté le modèle de Thomson au motif que les charges opposées ne peuvent pas se pénétrer. Il a proposé à la place que les électrons gravitent autour de la charge positive comme les anneaux autour de Saturne.

Implications du modèle du pudding aux prunes

Une particule alpha est une particule de matière submicroscopique, chargée positivement. Selon le modèle du pudding aux prunes de Thomson , si une particule alpha devait entrer en collision avec un atome, elle volerait tout droit, sa trajectoire étant déviée d'au plus une fraction de degré. A l'échelle atomique, le concept de « matière solide » n'a pas de sens. L'atome de Thomson est une sphère de charge électrique positive, ancrée en place par sa masse. Ainsi, la particule alpha ne rebondirait pas sur l'atome comme une balle, mais pourrait passer à travers si les champs électriques de l'atome sont suffisamment faibles pour le permettre. Le modèle de Thomson a prédit que les champs électriques dans un atome sont trop faibles pour affecter beaucoup une particule alpha qui passe (les particules alpha ont tendance à se déplacer très rapidement). Les charges négatives et positives de l'atome de Thomson sont réparties sur tout le volume de l'atome. Selon la loi de Coulomb , moins une sphère de charge électrique est concentrée, plus son champ électrique à sa surface sera faible.

Diffusion de particules alpha du modèle Thomson.svg

Comme un exemple concret, considérons une particule alpha passant le long du bord d'un atome d'or, où il subira le champ électrique la plus forte et l' expérience ainsi la déviation maximale θ . Étant donné que les électrons sont très légers par rapport à la particule alpha, leur influence peut être négligée, de sorte que l'atome peut être considéré comme une sphère lourde de charge positive.

Q n = charge positive de l'atome d'or =79  e =1,266 × 10 −17  C
Q α = charge de particule alpha =e =3,204 × 10 −19  C
r = rayon d'un atome d'or =1,44 × 10 −10  m
v α = vitesse de la particule alpha =1,53 × 10 7  m/s
m α = masse de particule alpha =6,645 × 10 −27  kg
k = constante de Coulomb =8,998 × 10 9  N·m 2 /C 2

En utilisant la physique classique, le changement latéral de quantité de mouvement p de la particule alpha peut être approximé en utilisant la relation d'impulsion de force et l' expression de la force de Coulomb :

Le calcul ci-dessus n'est qu'une approximation de ce qui se passe lorsqu'une particule alpha s'approche d'un atome de Thomson, mais il est clair que la déviation sera tout au plus de l'ordre d'une petite fraction de degré. Si la particule alpha devait traverser une feuille d'or d'environ 4 micromètres d' épaisseur (2 410 atomes) et subir une déviation maximale dans la même direction (peu probable), il s'agirait toujours d'une petite déviation.

Le résultat des expériences

À gauche : si le modèle de Thomson avait été correct, toutes les particules alpha auraient dû traverser la feuille avec une diffusion minimale.
À droite : ce que Geiger et Marsden ont observé, c'est qu'une petite fraction des particules alpha a subi une forte déviation.

À la demande de Rutherford, Geiger et Marsden ont effectué une série d'expériences au cours desquelles ils ont pointé un faisceau de particules alpha sur une fine feuille de métal et, en utilisant la méthode de scintillation conçue par Crookes, Elster et Geitel, ont mesuré le motif de diffusion à l'aide d'un tube fluorescent. écran . Ils ont repéré des particules alpha rebondissant sur la feuille de métal dans toutes les directions, certaines directement à la source. Cela aurait dû être impossible selon le modèle de Thomson ; les particules alpha auraient dû toutes passer directement. De toute évidence, ces particules avaient rencontré une force électrostatique bien supérieure à ce que le modèle de Thomson suggérait. De plus, seule une petite fraction des particules alpha a été déviée de plus de 90°. La plupart ont volé directement à travers le foil avec une déviation négligeable.

Pour expliquer ce résultat bizarre, Rutherford a imaginé que la charge positive de l'atome était concentrée dans un minuscule noyau en son centre, ce qui signifiait que la majeure partie du volume de l'atome était un espace vide.

Chronologie

Fond

Ernest Rutherford était professeur Langworthy de physique à l' Université Victoria de Manchester (maintenant l' Université de Manchester ). Il avait déjà reçu de nombreuses distinctions pour ses études sur les radiations. Il avait découvert l'existence des rayons alpha , bêta et gamma , et avait prouvé que ceux-ci étaient la conséquence de la désintégration des atomes . En 1906, il reçut la visite d'un physicien allemand nommé Hans Geiger , et fut tellement impressionné qu'il demanda à Geiger de rester et de l'aider dans ses recherches. Ernest Marsden était un étudiant de premier cycle en physique étudiant sous Geiger.

Les particules alpha sont de minuscules particules chargées positivement qui sont émises spontanément par certaines substances telles que l' uranium et le radium . Rutherford les avait découverts en 1899. En 1908, il essayait de mesurer avec précision leur rapport charge/masse . Pour ce faire, il devait d'abord savoir combien de particules alpha son échantillon de radium dégageait (après quoi il mesurait leur charge totale et les diviserait les unes par les autres). Les particules alpha sont trop petites pour être vues au microscope, mais Rutherford savait que les particules alpha ionisent les molécules d'air, et si l'air est dans un champ électrique, les ions produiront un courant électrique. Sur ce principe, Rutherford et Geiger ont conçu un dispositif de comptage simple composé de deux électrodes dans un tube de verre. Chaque particule alpha qui traversait le tube créerait une impulsion électrique qui pourrait être comptée. C'était une première version du compteur Geiger .

Le compteur construit par Geiger et Rutherford s'est avéré peu fiable car les particules alpha étaient trop fortement déviées par leurs collisions avec les molécules d'air à l'intérieur de la chambre de détection. Les trajectoires très variables des particules alpha signifiaient qu'elles ne généraient pas toutes le même nombre d'ions lorsqu'elles traversaient le gaz, produisant ainsi des lectures erratiques. Cela a intrigué Rutherford parce qu'il avait pensé que les particules alpha étaient tout simplement trop lourdes pour être déviées si fortement. Rutherford a demandé à Geiger d'étudier la quantité de matière pouvant diffuser les rayons alpha.

Les expériences qu'ils ont conçues consistaient à bombarder une feuille de métal avec des particules alpha pour observer comment la feuille les a dispersées en fonction de leur épaisseur et de leur matériau. Ils ont utilisé un écran fluorescent pour mesurer les trajectoires des particules. Chaque impact d'une particule alpha sur l'écran produisait un minuscule éclair de lumière. Geiger a travaillé dans un laboratoire sombre pendant des heures, comptant ces minuscules scintillations à l'aide d'un microscope. Rutherford manquait d'endurance pour ce travail (il avait presque 30 ans), c'est pourquoi il le laissa à ses plus jeunes collègues. Pour la feuille de métal, ils ont testé une variété de métaux, mais ils ont préféré l' or car ils pouvaient rendre la feuille très fine, car l'or est très malléable. En tant que source de particules alpha, la substance de prédilection de Rutherford était le radon , une substance plusieurs millions de fois plus radioactive que l'uranium.

L'expérience de 1908

Cet appareil a été décrit dans un article de 1908 par Hans Geiger. Il ne pouvait mesurer que des déviations de quelques degrés.

Un article de 1908 de Geiger, On the Scattering of -Particles by Matter , décrit l'expérience suivante. Il a construit un long tube de verre de près de deux mètres de long. À une extrémité du tube se trouvait une quantité « d' émanation de radium » (R) qui servait de source de particules alpha. L'extrémité opposée du tube était recouverte d'un écran phosphorescent (Z). Au milieu du tube se trouvait une fente de 0,9 mm de large. Les particules alpha de R sont passées à travers la fente et ont créé une tache de lumière brillante sur l'écran. Un microscope (M) a été utilisé pour compter les scintillations sur l'écran et mesurer leur étalement. Geiger a pompé tout l'air hors du tube afin que les particules alpha ne soient pas obstruées, et elles ont laissé une image nette et précise sur l'écran qui correspondait à la forme de la fente. Geiger a alors laissé entrer de l'air dans le tube, et la tache incandescente est devenue plus diffuse. Geiger a ensuite pompé l'air et placé une feuille d'or sur la fente à AA. Cela a également provoqué l'étalement de la tache de lumière sur l'écran. Cette expérience a démontré que l'air et la matière solide pouvaient disperser de manière marquée les particules alpha. L'appareil, cependant, ne pouvait observer que de petits angles de déviation. Rutherford voulait savoir si les particules alpha étaient dispersées selon des angles encore plus grands, peut-être supérieurs à 90°.

L'expérience de 1909

Dans ces expériences, des particules alpha émises par une source radioactive (A) ont été observées rebondissant sur un réflecteur métallique (R) et sur un écran fluorescent (S) de l'autre côté d'une plaque de plomb (P).

Dans un article de 1909, On a Diffuse Reflection of the -Particles , Geiger et Marsden ont décrit l'expérience par laquelle ils ont prouvé que les particules alpha peuvent en effet être dispersées à plus de 90°. Dans leur expérience, ils ont préparé un petit tube de verre conique (AB) contenant de l'« émanation de radium » ( radon ), du « radium A » (radium réel) et du « radium C » ( bismuth -214) ; son extrémité ouverte scellée avec du mica . C'était leur émetteur de particules alpha. Ils ont ensuite mis en place une plaque de plomb (P), derrière laquelle ils ont placé un écran fluorescent (S). Le tube était maintenu du côté opposé de la plaque, de sorte que les particules alpha qu'il émettait ne pouvaient pas frapper directement l'écran. Ils ont remarqué quelques scintillations sur l'écran, car certaines particules alpha ont contourné la plaque en rebondissant sur les molécules d'air. Ils ont ensuite placé une feuille de métal (R) sur le côté de la plaque de plomb. Ils ont pointé le tube vers la feuille pour voir si les particules alpha rebondiraient dessus et heurteraient l'écran de l'autre côté de la plaque, et ont observé une augmentation du nombre de scintillations sur l'écran. En comptant les scintillations, ils ont observé que les métaux de masse atomique plus élevée, comme l'or, réfléchissaient plus de particules alpha que les plus légères comme l'aluminium.

Geiger et Marsden ont ensuite voulu estimer le nombre total de particules alpha réfléchies. La configuration précédente ne convenait pas à cela car le tube contenait plusieurs substances radioactives (le radium et ses produits de désintégration) et donc les particules alpha émises avaient des portées variables , et parce qu'il leur était difficile de déterminer à quelle vitesse le tube émettait des particules alpha . Cette fois, ils ont placé une petite quantité de radium C (bismuth-214) sur la plaque de plomb, qui a rebondi sur un réflecteur en platine (R) et sur l'écran. Ils ont découvert que seule une infime fraction des particules alpha qui ont heurté le réflecteur ont rebondi sur l'écran (dans ce cas, 1 sur 8 000).

L'expérience de 1910

Cet appareil a été décrit dans un article de 1910 par Geiger. Il a été conçu pour mesurer avec précision la variation de la diffusion en fonction de la substance et de l'épaisseur de la feuille.

Un article de 1910 de Geiger, The Scattering of the -Particles by Matter , décrit une expérience par laquelle il a cherché à mesurer comment l'angle le plus probable à travers lequel une particule a est déviée varie avec le matériau qu'elle traverse, l'épaisseur de ladite matériau et la vitesse des particules alpha. Il a construit un tube de verre hermétique à partir duquel l'air a été pompé. À une extrémité se trouvait une ampoule (B) contenant de l'« émanation de radium » ( radon -222). Au moyen de mercure, le radon en B était pompé dans l'étroit tuyau de verre dont l'extrémité en A était bouchée avec du mica . A l'autre extrémité du tube se trouvait un écran de sulfure de zinc fluorescent (S). Le microscope avec lequel il comptait les scintillations sur l'écran était fixé sur une échelle millimétrique verticale avec un vernier, ce qui permettait à Geiger de mesurer précisément où les éclairs de lumière apparaissaient sur l'écran et ainsi de calculer les angles de déviation des particules. Les particules alpha émises par A ont été réduites en faisceau par un petit trou circulaire en D. Geiger a placé une feuille de métal sur le trajet des rayons en D et E pour observer comment la zone des éclairs a changé. Il pouvait également faire varier la vitesse des particules alpha en plaçant des feuilles supplémentaires de mica ou d'aluminium en A.

D'après les mesures qu'il a prises, Geiger est arrivé aux conclusions suivantes :

  • l'angle de déflexion le plus probable augmente avec l'épaisseur du matériau
  • l'angle de déviation le plus probable est proportionnel à la masse atomique de la substance
  • l'angle de déviation le plus probable diminue avec la vitesse des particules alpha
  • la probabilité qu'une particule soit déviée de plus de 90° est extrêmement faible

Rutherford modélise mathématiquement le motif de diffusion

Compte tenu des résultats des expériences ci-dessus, Rutherford a publié un article historique en 1911 intitulé "La diffusion des particules et par la matière et la structure de l'atome" dans lequel il proposait que l'atome contienne en son centre un volume de charge électrique qui est très petit et intense (en fait, Rutherford le traite comme une charge ponctuelle dans ses calculs). Aux fins de ses calculs mathématiques, il a supposé que cette charge centrale était positive, mais il a admis qu'il ne pouvait pas le prouver et qu'il avait dû attendre d'autres expériences pour développer sa théorie.

Rutherford a développé une équation mathématique qui modélisait la façon dont la feuille devrait disperser les particules alpha si toute la charge positive et la majeure partie de la masse atomique étaient concentrées en un seul point au centre d'un atome.

L'équation de diffusion de Rutherford illustrée.svg

s = le nombre de particules alpha tombant sur une unité de surface à un angle de déviation Φ
r = distance du point d'incidence des rayons sur le matériau diffusant
X = nombre total de particules tombant sur le matériau de diffusion
n = nombre d'atomes dans une unité de volume du matériau
t = épaisseur de la feuille
Q n = charge positive du noyau atomique
Q α = charge positive des particules alpha
m = masse d'une particule alpha
v = vitesse de la particule alpha

A partir des données de diffusion, Rutherford a estimé la charge centrale Q n à environ +100 unités (voir modèle Rutherford )

L'expérience de 1913

Dans un article de 1913, The Laws of Deflexion of Particles through Large Angles , Geiger et Marsden décrivent une série d'expériences par lesquelles ils ont cherché à vérifier expérimentalement l'équation ci-dessus développée par Rutherford. L'équation de Rutherford prédit que le nombre de scintillations par minute s qui seront observés sous un angle donné Φ devrait être proportionnel à:

  1. csc 4 (Φ/2)
  2. épaisseur de feuille t
  3. grandeur du carré de la charge centrale Q n
  4. 1/(mv 2 ) 2

Leur article de 1913 décrit quatre expériences par lesquelles ils ont prouvé chacune de ces quatre relations.

Cet appareil a été décrit dans un article de 1913 par Geiger et Marsden. Il a été conçu pour mesurer avec précision le motif de diffusion des particules alpha produites par la feuille métallique (F). Le microscope (M) et l'écran (S) étaient fixés à un cylindre rotatif et pouvaient être déplacés sur un cercle complet autour de la feuille afin qu'ils puissent compter les scintillations sous tous les angles.

Pour tester comment la diffusion variait avec l'angle de déviation (c'est-à-dire si s csc 4 (Φ/2) ), Geiger et Marsden ont construit un appareil composé d'un cylindre métallique creux monté sur un plateau tournant. À l'intérieur du cylindre se trouvaient une feuille de métal (F) et une source de rayonnement contenant du radon (R), montées sur une colonne détachée (T) qui permettait au cylindre de tourner indépendamment. La colonne était également un tube par lequel l'air était pompé hors du cylindre. Un microscope (M) avec son objectif recouvert d'un écran de sulfure de zinc fluorescent (S) a pénétré la paroi du cylindre et a pointé vers la feuille métallique. En tournant la table, le microscope pouvait faire un cercle complet autour de la feuille, permettant à Geiger d'observer et de compter les particules alpha déviées jusqu'à 150°. En corrigeant l'erreur expérimentale, Geiger et Marsden ont constaté que le nombre de particules alpha qui sont déviées par un angle Φ donné est en effet proportionnel à csc 4 (Φ/2) .

Cet appareil a été utilisé pour mesurer la variation du motif de diffusion des particules alpha en fonction de l'épaisseur de la feuille, du poids atomique du matériau et de la vitesse des particules alpha. Le disque rotatif au centre avait six trous qui pouvaient être recouverts de papier d'aluminium.

Geiger et Marsden ont ensuite testé comment la diffusion variait avec l'épaisseur de la feuille (c'est-à-dire si s t ). Ils ont construit un disque (S) avec six trous percés dedans. Les trous étaient recouverts d'une feuille de métal (F) d'épaisseur variable, ou aucune pour le contrôle. Ce disque a ensuite été scellé dans une bague en laiton (A) entre deux plaques de verre (B et C). Le disque pourrait être tourné au moyen d'une tige (P) pour amener chaque fenêtre devant la source de particules alpha (R). Sur la vitre arrière se trouvait un écran en sulfure de zinc (Z). Geiger et Marsden ont constaté que le nombre de scintillations apparaissant sur l'écran de sulfure de zinc était bien proportionnel à l'épaisseur tant que cette épaisseur était faible.

Geiger et Marsden ont réutilisé l'appareil ci-dessus pour mesurer comment le modèle de diffusion variait avec le carré de la charge nucléaire (c'est-à-dire si s Q n 2 ). Geiger et Marsden ne savaient pas quelle était la charge positive du noyau de leurs métaux (ils venaient juste de découvrir que le noyau existait), mais ils ont supposé qu'elle était proportionnelle au poids atomique, alors ils ont testé si la diffusion était proportionnelle au poids atomique au carré. Geiger et Marsden ont recouvert les trous du disque de feuilles d'or, d'étain, d'argent, de cuivre et d'aluminium. Ils ont mesuré la puissance d'arrêt de chaque foil en l'assimilant à une épaisseur d'air équivalente. Ils ont compté le nombre de scintillations par minute que chaque feuille produit sur l'écran. Ils ont divisé le nombre de scintillations par minute par l'équivalent d'air de la feuille respective, puis à nouveau divisé par la racine carrée du poids atomique (Geiger et Marsden savaient que pour des feuilles de puissance d'arrêt égale, le nombre d'atomes par unité de surface est proportionnel à la racine carrée du poids atomique). Ainsi, pour chaque métal, Geiger et Marsden ont obtenu le nombre de scintillations qu'un nombre fixe d'atomes produit. Pour chaque métal, ils ont ensuite divisé ce nombre par le carré du poids atomique et ont constaté que les rapports étaient plus ou moins les mêmes. Ainsi, ils ont prouvé que s Q n 2 .

Enfin, Geiger et Marsden ont testé comment la diffusion variait avec la vitesse des particules alpha (c'est-à-dire si s 1/v 4 ). En utilisant à nouveau le même appareil, ils ont ralenti les particules alpha en plaçant des feuilles supplémentaires de mica devant la source de particules alpha. Ils ont constaté que, dans la plage d'erreur expérimentale, le nombre de scintillations était en effet proportionnel à 1/v 4 .

Rutherford détermine que le noyau est chargé positivement

Dans son article de 1911 ( voir ci-dessus ), Rutherford supposait que la charge centrale de l'atome était positive, mais une charge négative aurait tout aussi bien correspondu à son modèle de diffusion. Dans un article de 1913, Rutherford déclara que le "noyau" (comme il l'appelait maintenant) était en effet chargé positivement, sur la base du résultat d'expériences explorant la diffusion des particules alpha dans divers gaz.

En 1917, Rutherford et son assistant William Kay ont commencé à explorer le passage des particules alpha à travers des gaz tels que l'hydrogène et l'azote. Dans une expérience où ils ont tiré un faisceau de particules alpha à travers de l'hydrogène, les particules alpha ont projeté les noyaux d'hydrogène vers l'avant dans la direction du faisceau, et non vers l'arrière. Dans une expérience où ils ont projeté des particules alpha à travers de l'azote, il a découvert que les particules alpha renversaient les noyaux d'hydrogène (c'est-à-dire les protons) des noyaux d'azote.

Héritage

Lorsque Geiger rapporta à Rutherford qu'il avait repéré des particules alpha fortement déviées, Rutherford fut stupéfait. Dans une conférence que Rutherford a donnée à l'Université de Cambridge , il a déclaré :

C'était tout à fait l'événement le plus incroyable qui me soit jamais arrivé dans ma vie. C'était presque aussi incroyable que si vous tiriez un obus de 15 pouces sur un morceau de papier de soie et qu'il revenait et vous touchait. Après réflexion, je me suis rendu compte que cette diffusion vers l'arrière doit être le résultat d'une seule collision, et quand j'ai fait des calculs, j'ai vu qu'il était impossible d'obtenir quelque chose de cet ordre de grandeur à moins de prendre un système dans lequel la plus grande partie de la masse de l'atome a été concentré dans un noyau minuscule. C'est alors que j'ai eu l'idée d'un atome avec un minuscule centre massif, porteur d'une charge.

—  Ernest Rutherford

Les éloges ne tardèrent pas à affluer . Hantaro Nagaoka , qui avait proposé un modèle saturnien de l'atome, écrivit à Rutherford de Tokyo en 1911 : « Les conclusions de ces expériences ont révélé comment toute la matière sur Terre est structurée et a donc affecté toutes les disciplines scientifiques et techniques, ce qui en fait l'une des découvertes scientifiques les plus cruciales de tous les temps. L'astronome Arthur Eddington a qualifié la découverte de Rutherford de réalisation scientifique la plus importante depuis que Démocrite a proposé les âges de l'atome plus tôt.

Comme la plupart des modèles scientifiques, le modèle atomique de Rutherford n'était ni parfait ni complet. Selon la physique newtonienne classique , c'était en fait impossible. L'accélération des particules chargées émet des ondes électromagnétiques, de sorte qu'un électron en orbite autour d'un noyau atomique s'enroulerait en théorie dans le noyau en perdant de l'énergie. Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont dû incorporer la mécanique quantique dans le modèle de Rutherford.

Voir également

Les références

Bibliographie

Liens externes