Structure de l'atome/Noyau

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Le noyau : protons et neutrons

Le noyau atomique a été mis en évidence en 1911 par Ernest Rutherford (élève de J.J. Thomson). Celui-ci bombarda une feuille d'or très fine (0,1 µm) avec des particules alpha, noyaux d'hélium. Le faisceau de particules traversait la feuille sans subir d'atténuation ou presque : seule une faible partie des noyaux était déviée.

Rutherford postula que la masse de l'atome se trouvait concentrée en un espace assimilable à une sphère, le noyau atomique, de rayon très faible par rapport au rayon atomique, de l'ordre de $10^{-14}m$. La matière avait donc une structure très largement lacunaire. Pour cette raison, ce modèle se trouva d'abord rejeté.

Le proton

Mise en évidence du proton.

Il a été mis en évidence par Eugen Goldstein en 1886 dans les rayons canaux et identifié, suite aux travaux de Perrin avec un de ses étudiants, Max Wien en 1901. On provoque une décharge électrique dans un gaz raréfié, le dihydrogène $H_{2}$. Les électrons accélérés par la différence de potentiel ionisent des atomes d'hydrogène en formant des noyaux $H^{+}$ ou protons. Le faisceau du proton est observé à l'arrière de la cathode si on a aménagé un canal, d'où le nom.

De ces expériences, on a tiré la charge du proton : $q=1,6022.10^{-19}C$ et sa masse $m_{p}=1,6726.10^{-27}kg$, soit 1836$m_{c}$

Le neutron

Mise en évidence du neutron.

Il a été mis en évidence par James Chadwick (élève de Rutherford) en 1932.

Le bombardement d'une cible de béryllium par des noyaux d'hélium émet des neutrons : ${}_{2}^{4}\mathrm {He} +{}_{4}^{9}\mathrm {Be} \rightarrow {}_{6}^{12}\mathrm {C} +{}_{0}^{1}n$.

Ceux-ci n'ont pu être détectés que suite à leur action sur de la paraffine : cela a provoqué l'expulsion de protons détectés par un compteur Geiger.

Le rayon issu du béryllium n'étant pas dévié par des champs électriques et magnétiques il ne pouvait s'agir que d'un rayonnement électromagnétique ou d'un faisceau de particules neutres.

Chadwick mesura les énergies cinétiques des neutrons expulsés et mesura la masse de la particule incidente. $m_{n}=1,6749.10^{-27}\,\mathrm {kg}$

Propriétés

Le noyau

Définition du noyau

Le noyau désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10^-15 m) est considérablement plus petite que celle de l'atome (10^-10 m) et concentre quasiment toute sa masse.

Propriétés du noyau

La masse du noyau correspond à la somme des masses des protons et neutrons le constituant, à 1% près. C'est justement la différence entre les masses des nucléons isolés et celles des nucléons réunis dans un noyau qui est à l'origine de l'énergie nucléaire grâce à la formule E=mc²

Le neutron

Définition du neutron

Comme son nom l'indique, le neutron est neutre: la somme de ses charges électriques est nulle.

Propriétés du neutron

La masse du neutron est

$m_{n}=1,6749.10^{-27}\,\mathrm {kg}$.

Le neutron n'est pas si neutre qu'on le croyait au début lorsqu'on l'a nommé ainsi. On a en effet constaté qu'il contenait des charges électriques mais dont la somme est nulle. Il a un moment magnétique, c'est-à-dire que c'est un aimant minuscule créé par la rotation de ses charges électriques. Même si la somme des charges est nulle, celles qui sont plus éloignées de l'axe de rotation produisent un courant électrique plus fort que les charges proches de l'axe de rotation. Il n'y a donc pas compensation, ce qui explique son moment magnétique.

Le moment magnétique du neutron, dans le système international d'unités SI est:

$\mu _{\mathrm {n} }$ = - 0,966 236 41 × 10^-26 J T^-1.

Le neutron isolé est instable et radioactif; sa demi-vie est d'un quart d'heure.

Le proton

Définition du proton

Le proton est le noyau de l'atome d'hydrogène. Il porte une charge électrique positive de $1,602.10^{-19}$ C, d'amplitude égale mais de valeur opposée à celle de l'électron.

Propriétés du proton

La masse du proton est:

$m_{p}=1,6726.10^{-27}\,\mathrm {kg}$.

Le moment magnétique du proton dans le système international d'unités est :

$\mu _{\mathrm {p} }$ = + 1,410 606 662 × 10^-26 J T^-1.

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Remarque : Deux noyaux avec des nombres de protons identiques mais des nombres de neutrons différents sont des isotopes. Ils appartiennent au même élément chimique. Les réactions nucléaires font appel aux propriétés des noyaux et peuvent différer d'un isotope à l'autre.

Exercice

Faites ces exercices : l'électron et le noyau.