Diffusion de Rutherford

Qu'est-ce que l'expérience de diffusion de Rutherford ?

L'expérience de diffusion de Rutherford a été conçue pour prouver le modèle de l'atome de Thomson. Thomson ayant proposé un modèle dans lequel la matière était constituée d'atomes qui remplissaient presque tout l'espace disponible avec une charge positive, le but de l'expérience de Rutherford était de tirer des particules chargées positivement afin d'étudier la diffusion et de tester le modèle.

Diagramme et description de la diffusion de Rutherford

Voici ce que Rutherford a utilisé lors de l'expérience :

• Une feuille d'or. Pour cette expérience, Rutherford a utilisé une feuille d'or très fine (l'or étant très malléable, il est possible de réduire son épaisseur à 0,00004 cm).
• Un faisceau de particules alpha. Les particules alpha étaient des noyaux d'hélium (deux protons et deux neutrons), dont on savait, dans les années 1910, qu'ils n'avaient qu'une charge positive. Étant donné que Rutherford voulait tester la structure des atomes, il a pensé à de petites particules chargées positivement qu'il pourrait envoyer sur la feuille d'or. En effet, selonlemodèle de Thomson, les atomes étaient des corps relativement gros, chargés positivement, dans lesquels se trouvaient des électrons.
• Un écran détectant les particules alpha. L'objectif de l'écran était de mesurer ce qui arrivait aux particules alpha (leur point d'impact) après avoir été dispersées par la feuille d'or.

Tu trouveras ci-dessous un schéma de l'expérience de diffusion de Rutherford :

Quels ont été les résultats de l'expérience de diffusion de Rutherford ?

Le mécanisme de l'expérience est relativement simple. En tirant des particules alpha contre la feuille d'or et en détectant où elles aboutissent, nous pouvons tirer des conclusions importantes sur la structure atomique del'atome d'or. Lors de cette expérience, il est important de réduire autant que possible l'épaisseur de la feuille car cela permet d'éviter les diffusions multiples qui pourraient compromettre les conclusions de l'expérience. Idéalement, chaque particule alpha est censée interagir avec un seul atome d'or.

Conclusions de l'expérience

Lorsque Rutherford a fait l'expérience, il s'attendait à détecter la plupart des particules alpha du côté le plus proche de l'émetteur alpha. En effet, le modèle de Thomson était basé sur de gros morceaux de charge positive qui repoussaient les particules alpha (vers l'arrière). Cependant, l'expérience a donné les résultats inverses.La plupart des particules alpha ont traversé la feuille d'or et n'ont pas été dispersées, quelques particules étant légèrement dispersées. Seul un petit nombre de particules a été fortement diffusé, et Rutherford a observé que plus l'angle de diffusion était grand, plus le nombre de particules alpha était faible.

Voici les conclusions de l'expérience :

• Lamatière est presque vide. Comme la plupart des particules alpha n'ont pas dévié de leur trajectoire initiale, Rutherford en a déduit que les espaces entre les atomes sont grands par rapport à la taille des atomes eux-mêmes.
• Comme seules quelques particules ont été fortement dispersées (repoussées) par les atomes d'or, Rutherford en a conclu que les atomes doivent avoir une partie où la charge positive est concentrée. Il a appelé cette partie le noyau.
• Comme la fraction des particules alpha fortement dispersées était très faible, Rutherford en a également déduit que la taille du noyau devait être très petite. Il a fondé cette conclusion sur les propriétés électriques des corps chargés et sur les forces qu'ils exercent sur les autres.
• Après plusieurs expériences de diffusion, Rutherford crée un modèle théorique dans lequel la majeure partie de la masse de l'atome est concentrée dans le noyau. Comme ses observations correspondaient aux prédictions de ce modèle, il a pu déduire cette caractéristique des atomes.

En outre, Rutherford est parvenu à la conclusion suivante en utilisant les connaissances antérieures et les résultats de ses expériences :

• Lesélectrons gravitent autour du noyau. Comme les atomes sont de charge neutre, les électrons doivent équilibrer la charge positive du noyau. De plus, les électrons ne peuvent pas être trop proches du noyau, sinon ils ne disperseraient pas les particules alpha. Comme ils ne peuvent pas être proches du noyau, les électrons sont obligés d'orbiter autour de lui (et sont donc en mouvement). S'ils n'étaient pas en orbite autour du noyau, ils tomberaient vers le noyau en raison de l'attraction électrostatique.

Problèmes liés à l'expérience

Ces caractéristiques étaient très différentes de celles du modèle atomique de Thomson, etlemodèle de Rutherford était le premier modèle atomique entièrement basé sur des preuves expérimentales. Cependant, des problèmes liés à la méthode expérimentale et au modèle lui-même devaient être résolus. Voici quelques-uns de ces problèmes :

1. L'épaisseur de la feuille pouvait affecter le modèle de diffusion de manière significative, ce qui permettait de tirer des conclusions biaisées.
2. Après qu'Einstein a élaboré sa théorie de la relativité, on a découvert que les charges en mouvement rayonnent continuellement de l'énergie. Si les électrons gravitent autour du noyau, comment peuvent-ils ne pas perdre toute leur énergie par rayonnement et tomber vers le noyau ?

Le premier problème n'était pas pertinent : les échelles d'épaisseur des feuilles utilisées étaient suffisantes pour obtenir des résultats de diffusion fiables. Cependant, la deuxième question a soulevé de nombreuses inquiétudes, qui ont été résolues plus tard avec l'introduction de la physique quantique, du modèle atomique de Bohr et du modèle atomique quantique.