Backgroundmodifier

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 de rayons alpha, bêta et gamma, et avait prouvé que ceux-ci étaient la conséquence de la désintégration des atomes. En 1906, il reçoit la visite d’un physicien allemand nommé Hans Geiger, et est tellement impressionné qu’il demande 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 spontanément émises par certaines substances telles que l’uranium et le radium. Rutherford les avait découverts en 1899. En 1908, il essayait de mesurer précisément leur rapport charge-masse. Pour ce faire, il devait d’abord savoir combien de particules alpha son échantillon de radium dégageait (après quoi il mesurerait leur charge totale et diviserait l’une par l’autre)., Les particules Alpha sont trop minuscules pour être vues au microscope, mais Rutherford savait que les particules alpha ionisent les molécules d’air, et si l’air se trouve 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 passait à travers le tube créerait une impulsion d’électricité qui pourrait être comptée. C’était une première version du compteur Geiger.,

Le compteur construit par Geiger et Rutherford s’est révélé peu fiable car les particules alpha étaient trop fortement déviées par leurs collisions avec les molécules d’air dans la chambre de détection. Les trajectoires très variables des particules alpha signifient qu’elles ne génèrent pas toutes le même nombre d’ions lorsqu’elles traversent le gaz, produisant ainsi des lectures erratiques. Cela a intrigué Rutherford parce qu’il avait pensé que les particules alpha étaient trop lourdes pour être déviées si fortement. Rutherford a demandé à Geiger d’étudier à quel point la matière pouvait disperser 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 dispersait par rapport à leur épaisseur et à 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 petit 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 était à la fin des années 30), c’est pourquoi il l’a laissé à ses jeunes collègues., Pour la feuille de métal, ils ont testé une variété de métaux, mais ils ont préféré l’or parce qu’ils pourraient rendre la feuille très mince, car l’or est très malléable. En tant que source de particules alpha, la substance de choix de Rutherford était le radon, une substance plusieurs millions de fois plus radioactive que l’uranium.

l’expérience de 1908modifier

Un article de Geiger de 1908, sur la diffusion des particules α par la matière, décrit l’expérience suivante. Il a construit un long tube de verre, 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 ont traversé la fente et ont créé une tache lumineuse sur l’écran., Un microscope (m) a été utilisé pour compter les scintillations sur l’écran et mesurer leur propagation. Geiger a pompé tout l’air hors du tube afin que les particules alpha soient dégagées, et elles ont laissé une image nette et serrée sur l’écran qui correspondait à la forme de la fente. Geiger a ensuite laissé un peu d’air dans le tube, et la tache rougeoyante est devenue plus diffuse. Geiger a ensuite pompé l’air et placé une feuille d’or sur la fente à AA. Cela a également causé la tache de lumière sur l’écran pour devenir plus étalé., Cette expérience a démontré que l’air et la matière solide pouvaient disperser nettement les particules alpha. L’appareil, cependant, ne pouvait observer que de petits angles de déviation. Rutherford voulait savoir si les particules alpha étaient dispersées par des angles encore plus grands—peut-être supérieurs à 90°.,

L’1909 experimentEdit

Dans un article de 1909, sur une réflexion Diffuse des particules α, 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 « l’émanation de radium » (radon), « radium A » (radium réel) et « 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 sur le 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 métallique (R) sur le côté de la plaque de plomb. Ils ont pointé le tube en aluminium pour voir si les particules alpha va rebondir et frapper l’écran de l’autre côté de la plaque, et ont observé une augmentation dans le nombre de scintillations à l’écran. En comptant les scintillations, ils ont observé que les métaux ayant une masse atomique plus élevée, tels que l’or, réfléchissaient plus de particules alpha que les plus légers tels que l’aluminium.

Geiger et Marsden ont ensuite voulu estimer le nombre total de particules alpha qui étaient réfléchies., La configuration précédente ne convenait pas pour cela car le tube contenait plusieurs substances radioactives (radium plus ses produits de désintégration) et donc les particules alpha émises avaient des plages 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 constaté que seule une infime fraction des particules alpha qui ont frappé le réflecteur rebondissait sur l’écran (dans ce cas, 1 sur 8 000).,

Le 1910 experimentEdit

un article de Geiger de 1910, the Scattering of the α-Particles by Matter, décrit une expérience par laquelle il a cherché à mesurer comment l’angle le plus probable par lequel une particule a est déviée varie avec le matériau qu’elle traverse, l’épaisseur dudit matériau et la vitesse des particules alpha. Il a construit un tube de verre hermétique à partir duquel l’air était pompé. À une extrémité se trouvait une ampoule (B) contenant une « émanation de radium » (radon-222). Au moyen de mercure, le radon en B était pompé dans le tuyau de verre étroit dont l’extrémité en A était bouchée avec du mica., À l’autre extrémité du tube se trouvait un ou plusieurs écrans fluorescents en sulfure de zinc. Le microscope qu’il utilisait pour compter les scintillations sur l’écran était fixé à 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 de calculer ainsi les angles de déviation des particules. Les particules alpha émises par A ont été rétrécies à un faisceau par un petit trou circulaire à D. Geiger a placé une feuille métallique dans le trajet des rayons à D et E pour observer comment la zone de flashes a changé., Il pourrait également faire varier la vitesse des particules alpha en plaçant des feuilles supplémentaires de mica ou d’aluminium à A.,e particules alpha

Rutherford modélise mathématiquement le modèle de diffusionmodifier

compte tenu des résultats des expériences ci-dessus, Rutherford a publié un article de référence en 1911 intitulé « La diffusion des particules α Et β structure de l’atome » dans lequel il a proposé que l’atome contient en son centre un volume de charge électrique très faible et intense (en fait, Rutherford le traite comme une charge ponctuelle dans ses calculs)., Dans le but 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 devait attendre d’autres expériences pour développer sa théorie.

Rutherford a développé une équation mathématique qui modélisait comment la feuille devrait disperser les particules alpha si toute la charge positive et la majeure partie de la masse atomique était concentrée en un seul point au centre d’un atome.,r d’atomes dans une unité de volume du matériau t = épaisseur de la feuille Qn = charge positive du noyau atomique Qa = charge positive des particules alpha m = masse d’une particule alpha v = vitesse de la particule alpha

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

l’expérience de 1913modifier

dans 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 observées à un angle Φ donné devrait être proportionnel à:

1. csc4(Φ/2)
2. épaisseur de la feuille t
3. Grandeur du carré de la charge centrale Qn
4. 1/(mv2)2

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

pour tester comment la diffusion variait avec l’angle de déviation (c’est-à-dire si s ∝ csc4(Φ / 2)) Geiger et Marsden ont construit un appareil qui consistait en un cylindre métallique creux monté sur une plaque tournante., À l’intérieur du cylindre se trouvaient une feuille métallique (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 sa lentille d’objectif recouverte d’un écran (s) fluorescent (s) de sulfure de zinc a pénétré la paroi du cylindre et a pointé la feuille métallique. En tournant la table, le microscope pourrait être déplacé d’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 déviées par un angle Φ donné est en effet proportionnel à csc4(Φ/2).

Geiger et Marsden ensuite testé comment la dispersion varie avec l’épaisseur de la feuille (c’est à dire si s ∝ t). Ils ont construit un (des) Disque (s) avec six trous percés dedans. Les trous étaient recouverts d’une feuille métallique (F) d’épaisseur variable, ou aucune pour le contrôle. Ce disque a ensuite été scellé dans un anneau 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 au sulfure de zinc (Z)., Geiger et Marsden ont constaté que le nombre de scintillations qui apparaissaient sur l’écran de sulfure de zinc était en effet proportionnel à l’épaisseur tant que ladite épaisseur était faible.

Geiger et Marsden ont réutilisé l’appareil ci-dessus pour mesurer comment le motif de diffusion variait avec le carré de la charge nucléaire (c’est-à-dire si s ∝ Qn2)., Geiger et Marsden ne savaient pas quelle était la charge positive du noyau de leurs métaux (ils venaient de découvrir que le noyau existait), mais ils ont supposé qu’il était proportionnel au poids atomique, ils ont donc testé si la diffusion était proportionnelle au poids atomique au carré. Geiger et Marsden couvert les trous du disque avec des feuilles d’or, d’étain, d’argent, de cuivre et d’aluminium. Ils ont mesuré la puissance d’arrêt de chaque feuille en l’assimilant à une épaisseur d’air équivalente. Ils ont compté le nombre de scintillations par minute que chaque feuille produisait sur l’écran., Ils ont divisé le nombre de scintillations par minute par l’équivalent air du foil respectif, puis divisé à nouveau par la racine carrée du poids atomique (Geiger et Marsden savaient que pour les foils 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 produites par un nombre fixe d’atomes. Pour chaque métal, ils ont ensuite divisé ce nombre par le carré de la masse atomique, et ont constaté que les rapports étaient plus ou moins les mêmes. Ainsi, ils ont prouvé que s Q Qn2.,

enfin, Geiger et Marsden ont testé comment la diffusion variait avec la vitesse des particules alpha (c’est-à-dire si s ∝ 1/v4). 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 effectivement proportionnel à 1/v4.,

Rutherford détermine que le noyau est chargé positivementmodifier

dans son article de 1911 (voir ci-dessus), Rutherford a supposé que la charge centrale de l’atome était positive, mais une charge négative aurait tout aussi bien adapté son modèle de diffusion. Dans un article de 1913, Rutherford a déclaré que le « noyau » (comme il l’appelait maintenant) était en effet chargé positivement, basé sur le résultat d’expériences explorant la diffusion de 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 l’hydrogène, les particules alpha ont frappé les noyaux d’hydrogène vers l’avant dans la direction du faisceau, pas vers l’arrière. Dans une expérience où ils ont tiré des particules alpha à travers l’azote, il a découvert que les particules alpha ont frappé des noyaux d’hydrogène (c’est-à-dire des protons) hors des noyaux d’azote.