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1.2. Brèves considérations historiques
ions) par un champ magnétique et à les trier en fonction de leur masse (d'où le nom
de la technique). Il montre d'une part que les masses des noyaux sont (approximativement) quantifiées en multiples entiers de la masse du proton (le noyau de l' atome
d'hydrogène), et d'autre part que la masse du noyau d' un même élément chimique
peut fluctuer de quelques unités. L'existence de différents isotopes est derrière cette
observation
4 .
• La radioactivité
Une découverte importante, en 1896, est le phénomène de radioactivité par Henri
Becquerel (1852-1908, prix Nobel 1903). Trois types de radioactivité furent observés : l'émission œ (un noyau d'hélium), l' émission f3 (un électron) et l'émission y
(un photon). Le phénomène de radioactivité est une transition entre deux états du
noyau atomique (émission y) ou la transmutation d'un noyau (émission œ et {3). La
découverte de la radioactivité était donc annonciatrice de la découverte du noyau atomique et son occurrence stochastique de la nature probabiliste de la théorie quantique
(cf. chapitre 2 de l'ouvrage [3])
b) Impasse n° l : L'instabilité classique des atomes
Le problème qui paraît le plus grave est relatif à la question de la stabilité de la
matière. L'expérience de Geiger-Marsden-Rutherford fournit donc une image claire
pour la structure de l'atome: des électrons tournant autour d' un noyau chargé positivement. Or l'électron accéléré dans le champ électrique du noyau devrait émettre un
rayonnement électromagnétique et voir son énergie (mécanique) diminuer. Le rayon
de l' orbite de l' électron devrait alors diminuer et l' atome s'effondrer sur lui-même.
Dans le cas de 1' atome d' hydrogène, on trouve une durée de vie de 10- 11 s (cf. exercice 15.5) ! La physique classique prédit donc que les atomes ont une durée de vie
finie, extrêmement courte, ce qui est (heureusement pour nous) contredit par l' expénence.
c) Impasse n° 2 : Absorption et émission de lumière
L' absorption et l'émission de lumière par la matière révèlent un caractère discontinu
qui ne s'explique pas dans le cadre classique.
4. Le nombre de neutrons dans le noyau varie d'un isotope à l'autre, par exemple dans le carbone
12 (6 protons et 6 neutrons) et le carbone 14 (6 protons et 8 neutrons) . Les propriétés chimiques des
isotopes sont identiques, puisqu'elles dépendent de la structure électronique, i.e. du nombre de protons, seule la masse varie. Pour éviter tout anachronisme, notons que le neutron, dont l'existence a été
conjecturée par Rutherford en 1920, ne sera découvert qu'en 1932 par Chadwick.
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1.2. Brèves considérations historiques
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de la technique). Il montre d'une part que les masses des noyaux sont (approximativement) quantifiées en multiples entiers de la masse du proton (le noyau de l' atome
d'hydrogène), et d'autre part que la masse du noyau d' un même élément chimique
peut fluctuer de quelques unités. L'existence de différents isotopes est derrière cette
observation
4 .
• La radioactivité
Une découverte importante, en 1896, est le phénomène de radioactivité par Henri
Becquerel (1852-1908, prix Nobel 1903). Trois types de radioactivité furent observés : l'émission œ (un noyau d'hélium), l' émission f3 (un électron) et l'émission y
(un photon). Le phénomène de radioactivité est une transition entre deux états du
noyau atomique (émission y) ou la transmutation d'un noyau (émission œ et {3). La
découverte de la radioactivité était donc annonciatrice de la découverte du noyau atomique et son occurrence stochastique de la nature probabiliste de la théorie quantique
(cf. chapitre 2 de l'ouvrage [3])
b) Impasse n° l : L'instabilité classique des atomes
Le problème qui paraît le plus grave est relatif à la question de la stabilité de la
matière. L'expérience de Geiger-Marsden-Rutherford fournit donc une image claire
pour la structure de l'atome: des électrons tournant autour d' un noyau chargé positivement. Or l'électron accéléré dans le champ électrique du noyau devrait émettre un
rayonnement électromagnétique et voir son énergie (mécanique) diminuer. Le rayon
de l' orbite de l' électron devrait alors diminuer et l' atome s'effondrer sur lui-même.
Dans le cas de 1' atome d' hydrogène, on trouve une durée de vie de 10- 11 s (cf. exercice 15.5) ! La physique classique prédit donc que les atomes ont une durée de vie
finie, extrêmement courte, ce qui est (heureusement pour nous) contredit par l' expénence.
c) Impasse n° 2 : Absorption et émission de lumière
L' absorption et l'émission de lumière par la matière révèlent un caractère discontinu
qui ne s'explique pas dans le cadre classique.
4. Le nombre de neutrons dans le noyau varie d'un isotope à l'autre, par exemple dans le carbone
12 (6 protons et 6 neutrons) et le carbone 14 (6 protons et 8 neutrons) . Les propriétés chimiques des
isotopes sont identiques, puisqu'elles dépendent de la structure électronique, i.e. du nombre de protons, seule la masse varie. Pour éviter tout anachronisme, notons que le neutron, dont l'existence a été
conjecturée par Rutherford en 1920, ne sera découvert qu'en 1932 par Chadwick.
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