Histoire de la radioactivité : Qu'est-ce qu'un noyau ?

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Qu’est-ce qu’un noyau ?

En ce début des années 1930, on sait que le noyau réside au cœur de l’atome dont il représente l’essentiel de la masse. On sait également qu’il constitue le point de départ des rayonnements issus des corps radioactifs. Mais cette minuscule masse centrale autour de laquelle gravitent les électrons atomiques, quelle est sa structure ?

En se basant sur les particules émises dans les deux grands modes de radioactivité, les chercheurs avaient tout d’abord pensé qu’elle était constituée à partir de noyaux d’hélium et d’électrons. Cependant, cette interprétation s’était rapidement heurtée à plusieurs problèmes.

D’abord, il fallait faire une exception pour l’atome d’hydrogène, dont le noyau, plus léger que celui de l’hélium, se résumait à un seul proton.
Ensuite, la masse de certains noyaux, comme celui de l’azote (A = 14), ne correspondait pas à un nombre entier de noyaux d’hélium.
Enfin, il avait fallu tenir compte d’une nouvelle découverte sensationnelle, faite par Rutherford – toujours lui ! – en pleine guerre de 1914-1918, alors que son laboratoire de Manchester était presque vide.

Avant de repartir pour la Nouvelle Zélande, Marsden, qui avait décidément le sens de l’observation, avait remarqué que lorsque des particules a étaient émises dans l’air, on pouvait observer des corpuscules ayant un parcours beaucoup plus long que la moyenne. Pour éclaircir ce phénomène, Rutherford emploie une méthode très simple. Une source de particules alpha est placée au centre d’une chambre remplie de gaz.

Un détecteur scintillant, pouvant être examiné au microscope depuis l’extérieur de la chambre, est placé au-delà de la distance maximale couverte par les particules α. La simple observation de petits éclairs lumineux dans ce détecteur suffit à montrer qu’il a été atteint par une particule de long parcours. Lorsque le gaz de remplissage est de l’hydrogène, le phénomène est assez fréquent. Rutherford l’attribue à la projection, par les particules α, des protons constituant les noyaux d’hydrogène. Mais lorsque la chambre est remplie d’azote, Rutherford observe aussi l’occurrence de scintillations du détecteur. Leur fréquence est beaucoup plus faible que dans le cas précédent, mais le phénomène est indéniable. Tel Röntgen dans des circonstances analogues, le scientifique vérifie longuement ces résultats avant de poser sa conclusion. Celle-ci est spectaculaire. Rutherford vient d’observer la première transmutation induite expérimentalement par l’homme. En effet, ces éclairs sont dus à des protons, affirme-t-il, mais, comme il n’y a pas d’hydrogène dans l’enceinte, ceux-ci ne peuvent provenir que de collisions entre particules a et noyaux d’azote.

C’est la première réaction nucléaire provoquée par l’homme, et elle conduit à une modification de la nature chimique des partenaires, le couple azote-hélium se transformant en oxygène et hydrogène. C’est donc une double transmutation.

Ces résultats seront maintes fois confirmés par la suite. En particulier, ces protons pourront être observés grâce à un autre type de détecteur, la chambre de Wilson. Cet instrument, littéralement magique, permet de visualiser les trajectoires de particules chargées par les traces qu’elles laissent, sous forme de chapelets de très fines gouttelettes, dans une atmosphère de vapeur saturante (voir encart). Et, effectivement, dans le feu d’artifice des trajectoires rectilignes correspondant aux particules α utilisées comme projectiles, apparaît ici ou là une anomalie, un segment lumineux beaucoup plus long que les autres, et dont la direction est parfois transversale. C’est la marque du passage d’un proton. Fait remarquable, une autre trace beaucoup plus courte surgit alors du point où la première s’est séparée de la trajectoire initiale de la particule a. C’est celle du noyau d’oxygène 17, produit en même temps que le proton, à qui le choc et la réaction nucléaire ont également communiqué une certaine vitesse.