Contenu
- Comment Chadwick a-t-il découvert le neutron?
- L'importance de la théorie atomique de Chadwick
- James Chadwicks Contribution à la bombe atomique
- Neutrons, radioactivité et au-delà
Les scientifiques considèrent aujourd'hui les atomes comme étant composés de noyaux minuscules, lourds et chargés positivement, entourés de nuages d'électrons extrêmement légers et chargés négativement. Ce modèle remonte aux années 1920, mais il a son origine dans la Grèce antique. Le philosophe Démocrite a proposé l'existence d'atomes autour de 400 av. Personne n’a vraiment repris l’idée avec ferveur jusqu’à ce que le physicien anglais John Dalton présente sa théorie atomique au début du XIXe siècle. Le modèle de Daltons était incomplet, mais il a persisté pratiquement inchangé pendant la majeure partie du 19e siècle.
Une série de recherches sur le modèle atomique a eu lieu à la fin du 19e siècle et au cours du 20e siècle, aboutissant au modèle de Schrodinger de l'atome, connu sous le nom de modèle de nuage. Peu de temps après son introduction par le physicien Erwin Schrodinger en 1926, James Chadwick - un autre physicien anglais - ajouta une pièce cruciale au tableau. Chadwick est responsable de la découverte de l’existence du neutron, la particule neutre qui partage le noyau avec le proton chargé positivement.
La découverte de Chadwick a forcé une révision du modèle de nuage et les scientifiques qualifient parfois la version révisée de modèle atomique de James Chadwick. Cette découverte a valu à Chadwick le prix Nobel de physique de 1935 et a rendu possible le développement de la bombe atomique. Chadwick a participé au projet super secret de Manhattan, qui a abouti au déploiement de bombes nucléaires sur Hiroshima et Nagasaki. La bombe a contribué à la reddition du Japon (de nombreux historiens pensent que le Japon se serait rendu de toute façon) et à la fin de la Seconde Guerre mondiale. Chadwick est mort en 1974.
Comment Chadwick a-t-il découvert le neutron?
J.J. Thompson découvrit l'électron à l'aide de tubes cathodiques dans les années 1890 et le physicien britannique Ernest Rutherford, dit père de la physique nucléaire, découvrit le proton en 1919. Rutherford supposait que les électrons et les protons pourraient se combiner pour produire une particule neutre avec à peu près la même chose. la masse en tant que proton, et les scientifiques ont estimé qu'une telle particule existait pour plusieurs raisons. Par exemple, il était connu que le noyau d'hélium avait un numéro atomique de 2 mais un nombre de masse de 4, ce qui signifiait qu'il contenait une sorte de masse mystère neutre. Personne n’avait jamais observé de neutron ni prouvé qu’il existait.
Chadwick était particulièrement intéressé par une expérience menée par Frédéric et Irène Joliot-Curie, qui avaient bombardé un échantillon de béryllium avec un rayonnement alpha. Ils ont noté que le bombardement avait produit une radiation inconnue et, lorsqu'ils l'avaient autorisé à toucher un échantillon de cire de paraffine, ils avaient constaté que des protons de haute énergie étaient projetés du matériau.
Insatisfait de l'explication selon laquelle le rayonnement était constitué de photons de haute énergie, Chadwick dupliqua l'expérience et concluait que le rayonnement devait être composé de particules lourdes et sans charge. En bombardant d'autres matériaux, notamment l'hélium, l'azote et le lithium, Chadwick fut en mesure de déterminer que la masse de chaque particule était un peu supérieure à celle d'un proton.
Chadwick a publié son article «L'existence d'un neutron» en mai 1932. En 1934, d'autres chercheurs avaient déterminé que le neutron était en fait une particule élémentaire et non une combinaison de protons et d'électrons.
L'importance de la théorie atomique de Chadwick
La conception moderne de l'atome conserve la plupart des caractéristiques du modèle planétaire établi par Rutherford, mais avec d'importantes modifications introduites par Chadwick et le physicien danois Neils Bohr.
C'est Bohr qui a incorporé le concept des orbites discrètes auxquelles les électrons étaient confinés. Il a fondé cela sur des principes quantiques qui étaient nouveaux à l'époque mais qui sont devenus des réalités scientifiques. Selon le modèle de Bohr, les électrons occupent des orbites discrètes et, lorsqu'ils se déplacent sur une autre orbite, ils n'émettent ou n'absorbent pas en quantités continues mais en faisceaux d'énergie, appelés quanta.
En reprenant les travaux de Bohr et Chadwick, l’image moderne de l’atome ressemble à ceci: La plupart de l’atome est un espace vide. Des électrons chargés négativement gravitent autour d'un noyau petit mais lourd composé de protons et de neutrons. Parce que la théorie quantique, qui repose sur le principe d'incertitude, considère les électrons à la fois comme des ondes et des particules, ils ne peuvent pas être localisés de manière définitive. Vous ne pouvez parler que de la probabilité qu'un électron se trouve dans une position particulière, de sorte que les électrons forment un nuage de probabilité autour du noyau.
Le nombre de neutrons dans le noyau est généralement le même que le nombre de protons, mais il peut être différent. Les atomes d'un élément ayant un nombre différent de neutrons sont appelés isotopes de cet élément. La plupart des éléments ont un ou plusieurs isotopes et certains en ont plusieurs. L'étain, par exemple, a 10 isotopes stables et au moins deux fois plus d'isotopes instables, ce qui lui confère une masse atomique moyenne significativement différente de deux fois son numéro atomique. Si James Chadwicks n'avait jamais découvert le neutron, il serait impossible d'expliquer l'existence d'isotopes.
James Chadwicks Contribution à la bombe atomique
La découverte du neutron par Chadwick a directement conduit au développement de la bombe atomique. Comme les neutrons n'ont aucune charge, ils peuvent pénétrer plus profondément que les protons dans le noyau des atomes cibles. Le bombardement neutronique de noyaux atomiques est devenu une méthode importante pour obtenir des informations sur les caractéristiques des noyaux.
Les scientifiques n’ont cependant pas tardé à découvrir que bombarder de l’uranium 235 extrêmement lourd avec des neutrons était un moyen de briser les noyaux et de libérer une énorme quantité d’énergie. La fission de l'uranium produit davantage de neutrons de haute énergie qui fragmentent les autres atomes d'uranium, ce qui entraîne une réaction en chaîne incontrôlable. Une fois que cela était connu, il ne restait plus qu'à trouver un moyen d'initier la réaction de fission à la demande dans une enveloppe livrable. Fat Man et Little Boy, les bombes qui ont détruit Hiroshima et Nagasaki, étaient le résultat de l'effort de guerre secret connu sous le nom de Manhattan Project et mené à cette fin.
Neutrons, radioactivité et au-delà
La théorie de Chadwick Atomic permet également de comprendre la radioactivité. Certains minéraux naturels - ainsi que ceux d'origine humaine - émettent spontanément des rayonnements, en raison du nombre relatif de protons et de neutrons dans le noyau. Un noyau est le plus stable quand il a un nombre égal, et il devient instable quand il en a plus d'un. Dans le but de retrouver sa stabilité, un noyau instable libère de l’énergie sous forme de rayonnement alpha, bêta ou gamma. Le rayonnement alpha est composé de particules lourdes composées chacune de deux protons et de deux neutrons. Le rayonnement bêta est constitué d'électrons et de rayons gamma de photons.
Dans le cadre de l'étude des noyaux et de la radioactivité, les scientifiques ont disséqué les protons et les neutrons pour découvrir qu'ils sont eux-mêmes composés de particules plus petites appelées quarks. La force qui maintient les protons et les neutrons ensemble dans le noyau s'appelle la force forte, et celle qui maintient les quarks ensemble est connue sous le nom de force de couleur. La force forte est un sous-produit de la force de couleur, qui dépend elle-même de l'échange de gluons, qui constituent un autre type de particule élémentaire.
La compréhension rendue possible par le modèle atomique de James Chadwick a ouvert le monde à l'ère nucléaire, mais la porte d'un monde beaucoup plus mystérieux et complexe est grande ouverte. Par exemple, les scientifiques pourraient un jour prouver que l'univers entier, y compris les noyaux atomiques et les quarks à partir desquels ils sont fabriqués, est composé de chaînes infinitésimales d'énergie vibrante. Quoi qu'ils découvrent, ils le feront sur les épaules de pionniers comme Chadwick.