Le noyau atomique et le proton

Depuis l’Antiquité, l’atome était conçu comme l’ultime brique de la matière, indivisible, homogène et stable. Cette vision perdurait encore à la fin du 19^ème siècle, bien qu’elle ne reposait sur aucune observation directe. Mais une série de découvertes expérimentales majeures, en particulier celles liées à la radioactivité, allaient profondément bouleverser cette représentation.

Les phénomènes radioactifs ont révélé que certains atomes pouvaient se transformer spontanément, émettre de l’énergie et se désintégrer en d’autres éléments. Une telle instabilité était inconciliable avec l’idée d’un atome fondamental et immuable. Il devenait donc impératif de comprendre la structure interne de ces entités, jusqu’alors considérées comme indivisibles.

Un premier tournant décisif est survenu en 1897, avec la découverte de l’électron par Thomson. Celui-ci identifie une particule de charge négative, extrêmement légère, présente dans tous les atomes. Cette mise en évidence d’un constituant subatomique prouve que l’atome possède une structure interne, et qu’il n’est pas fondamental. Thomson propose alors un premier modèle dans lequel les électrons sont incrustés dans une masse positive : c’est le modèle du « plum pudding ».

Mais ce modèle ne résistera pas à une expérience décisive. En 1911, Ernest Rutherford montre que l’atome est essentiellement vide, et qu’il contient un noyau central extrêmement dense et chargé positivement. Ce noyau sera ensuite reconnu comme le siège des protons, identifiés par Rutherford en 1919. La structure atomique prend alors une nouvelle forme, un noyau minuscule, autour duquel gravitent les électrons.

Toutefois, une partie de la masse du noyau restait inexpliquée. Il faudra attendre 1932, avec la découverte du neutron par James Chadwick, pour que le puzzle soit complété. Le neutron, électriquement neutre mais presque aussi massif que le proton, permet non seulement d’expliquer la masse manquante, mais aussi la stabilité de nombreux noyaux atomiques.

Ces découvertes successives, directement issues des recherches sur la radioactivité, conduisent progressivement à la formulation du modèle atomique contemporain : un noyau central dense, constitué de protons et de neutrons, autour duquel les électrons s’organisent selon les lois de la mécanique quantique.

Commençons ce cheminement historique par la découverte du noyau atomique et du proton : Au début du 19^ème siècle, l’idée que les atomes puissent être eux-mêmes composés d’éléments plus simples fait son chemin. En 1815, le chimiste britannique William Prout formule une hypothèse audacieuse : tous les atomes seraient constitués d’un nombre entier d’atomes d’hydrogène, ce qui expliquerait que leurs masses atomiques soient des multiples entiers de celle de l’hydrogène. Bien que cette hypothèse ne résiste pas aux mesures de masse plus précises, elle préfigure une idée qui s’avérera juste un siècle plus tard. L’hydrogène joue un rôle fondamental dans la constitution des noyaux atomiques.

La suite de l’histoire est indissociable des travaux du physicien Ernest Rutherford, figure centrale de la physique atomique du début du 20^ème siècle. C’est à lui que l’on doit la mise au jour du noyau atomique en 1911, à travers une série d’expériences de diffusion de particules alpha sur une mince feuille d’or. Cette découverte remet en cause le modèle alors dominant de l’atome comme une sphère de charge positive uniforme traversée par des électrons, et impose l’idée d’un atome essentiellement vide, centré sur un noyau massif et chargé positivement.

Quelques années plus tard, en 1919, Rutherford franchit une nouvelle étape majeure : en bombardant de l’azote avec des particules alpha, il parvient à libérer un noyau d’hydrogène, révélant ainsi la présence de cette particule dans le noyau d’atomes plus lourds. Il baptise ce constituant fondamental proton, du grec protos qui signifie « premier ».

Entre la découverte du noyau atomique, la compréhension progressive des numéros atomiques comme mesure du contenu en protons, et la mise en place d’un nouveau modèle de l’atome, ces avancées vont redéfinir notre compréhension de la matière. Ce chapitre retrace cette trajectoire, depuis les expériences fondatrices jusqu’à la formulation du modèle atomique de Rutherford.

La découverte du noyau atomique (Ernest Rutherford – 1911)

Ernest Rutherford, néo-zélandais d’origine, s’est installé en Angleterre en 1895 au moment où Röntgen découvre les rayons X. Comme on l’a vu dans le chapitre précédent dédié à la radioactivité Rutherford a été, avec Pierre et Marie Curie, un des grands artisans des premières découvertes relatives à la radioactivité naturelle. Rutherford étudiait depuis de nombreuses années les différents types de radiation émises par les atomes radioactifs. Il étudiait notamment l’interaction des rayons alpha (ions hélium) avec la matière. C’est en étudiant la diffusion de ces particules alpha par des plaques métalliques, dans la continuité de ses travaux sur la radioactivité, que Rutherford sera amené à postuler l’existence d’un noyau atomique dans lequel sont concentrées les charges électriques positives des atomes.

Dans certains ouvrages, notamment les manuels scolaires, on peut lire que Rutherford prouva l’existence des noyaux atomiques en 1911 en envoyant des particules alpha émises par du radium sur une mince feuille d’or et en observant leur déviation. En fait cette expérience de déviation par des feuilles d’or ne sera réalisée qu’après 1911 par deux collaborateurs de Rutherford, Hans Geiger (le fameux du compteur Geiger) et Ernest Marsden pour démontrer l’hypothèse du noyau atomique émise au préalable par Rutherford.

Ce qui conduira Rutherford à postuler l’existence d’un noyau atomique au sein des atomes c’est un ensemble d’expériences de déviation des particules alpha par la matière, dont des feuilles d’or, mais pas seulement. L’ordre des choses est ainsi le suivant : des expériences de déviation des particules alpha par la matière, menées entre 1907 et 1909, avec des résultats inexpliqués ; une théorie proposée par Rutherford en 1911 (l’existence d’un noyau atomique) ; une vérification expérimentale de cette théorie après 1911 par Geiger et Marsden (la fameuse expérience de la feuille d’or dont les résultats seront publiés en 1913). On va détailler tout ceci ci-dessous.

Rutherford et Geiger étudiaient depuis 1907 le comportement des radiations de type alpha dans le cadre d’expériences de diffusion par la matière. Les particules alpha sont un rayonnement émis par des noyaux instables de grande masse atomique (cf. chapitre sur la radioactivité). Elles sont constituées de deux protons et deux neutrons combinés en un noyau d’hélium. Geiger étudiait la déviation des particules alpha lorsqu’elles traversent de fines plaques métalliques. Il produisait un mince faisceau de particules alpha en les faisant passer par une très fine fente. Une fois que le faisceau arrivait sur la plaque métallique il mesurait l’élargissement du faisceau à l’aide d’une feuille de sulfure de zinc qui émet de la lumière visible lorsqu’une particule alpha est absorbée.

En 1909 après différentes expériences de ce type, Geiger publia un article^[1] dans lequel il indiquait que le faisceau était concentré dans la direction d’origine et que le nombre de particules diffusées diminuait très rapidement avec l’augmentation de l’angle de diffusion. Il énonça également qu’il n’avait détecté aucune particule alpha au-delà d’un angle de quelques degrés.

Cette observation n’avait en fait rien de surprenant puisqu’elle était conforme au modèle de Thomson dans lequel aucune particule ne devait être déviée. Mais Rutherford cherchant un travail de recherche pour Marsden qui venait de rejoindre son laboratoire, demanda à Geiger et Marsden de vérifier s’il n’y avait pas de diffusion de particules alpha à des très grands angles. Rutherford lui-même ne croyait pas à cette possibilité. Mais à sa grande surprise quelques jours seulement après le début des expérimentations Geiger et Marsden observèrent des particules alpha revenaient vers l’arrière. Et pour le coup, cette observation était totalement inattendue. La probabilité pour qu’une particule alpha puisse être diffusée vers l’arrière par un atome métallique était infime, alors qu’ils observèrent qu’environ une particule sur 20 000 était diffusée avec un angle de plus de 90 degrés.

Rutherford, Geiger et Marsden mènent alors différentes expériences de diffusion à grand angle pour essayer de caractériser cette découverte. Dans leurs expériences, ils utilisent du radium pour générer les particules alpha, et font en sorte d’envoyer un faisceau d’un rayon alpha avec un angle donné sur une plaque métallique. L’objectif est d’étudier les processus de diffusion des particules alpha. Ils observent le faisceau réfléchi à l’aide d’un microscope pour déterminer le nombre de scintillements obtenus par minute en fonction du type de métal de la plaque. Geiger et Marsden utilisèrent huit types de métal différents pour la plaque sur laquelle ils envoyaient les particules alpha (plomb, or, platine, étain, argent, cuivre, fer, aluminium). Ils constatèrent que plus le métal avait une masse atomique élevée et plus il y avait de scintillements par minute. Par exemple 67 scintillements par minute pour l’or de masse atomique 197, pour seulement 3 scintillements par minute pour l’aluminium de masse atomique 27. Ils constatèrent également que seule une particule alpha sur environ 5 000 était réfléchie par la plaque métallique.

En fait, comme on l’a déjà évoqué, on s’attendrait avec le modèle atomique de Thomson à ce qu’aucune particule alpha ne soit réfléchit avec un grand angle par la plaque métallique. La question était donc de savoir pourquoi on observait ces réflexions. Rutherford étudie alors les différents processus de diffusion susceptibles d’expliquer ces résultats. Cela ne pouvait pas être dû aux atomes eux-mêmes. En effet Rutherford calcula que la distance minimale entre la particule alpha et la particule responsable de la déviation, nécessaire pour obtenir ces déviations aux grands angles, était inférieure à 10^-13 mètres, soit une distance beaucoup plus petite que la taille des atomes eux-mêmes. Cela devait donc être dû à des particules beaucoup plus petites que l’atome et contenues à l’intérieur des atomes. Et ce ne pouvait pas être dû aux électrons qui sont beaucoup trop légers.

Rutherford en conclue finalement en 1911^[2] que la seule façon d’expliquer ces déviations aux grands angles est de supposer que presque toute la matière est concentrée au centre de l’atome dans un noyau chargé positivement et que les particules alpha subissent un processus de diffusion coulombienne du fait de leur charge positive en s’approchant de ces noyaux chargés. Il énoncera ainsi dans les conclusions de son article : « En comparant la théorie exposée dans le présent article avec les résultats expérimentaux, nous avons fait l’hypothèse que l’atome consiste en une charge centrale supposée concentrée en un point et que les grandes déflexions des particules alpha et béta sont principalement dues à leur passage dans le champ central de forte valeur ».

Rutherford proposera alors une formule de diffusion qui permettait d’expliquer les résultats mesurés. Il déduira de sa formule que le platine avait une charge électrique cent fois supérieure à celle d’un électron et que la taille de son noyau devait être 10 000 fois plus petite que celle de l’atome. On sait aujourd’hui que le platine a 78 protons dans son noyau et que la taille du noyau atomique est 100 000 fois plus petite que la taille de l’atome. Rutherford avec son modèle n’était donc pas loin de la réalité.

Dans son article de 1911 Rutherford proposera une méthode expérimentale pour vérifier sa théorie. On va profiter de cette expérience de diffusion des particules alpha et de l’énoncé de la formule de diffusion coulombienne énoncée par Rutherford en 1911 pour s’intéresser au processus d’interaction entre les particules incidentes alpha et les atomes présents dans la plaque métallique.

Ce processus d’interaction en physique des particules s’appelle un processus de diffusion. Il est à la base de la majorité des expériences modernes de physique des particules, en particulier dans les accélérateurs de particules. Le processus de diffusion consiste à envoyer une particule à haute vitesse interagir avec une autre particule et observer le résultat de cette interaction, en termes de particules obtenues pour les expériences modernes, mais aussi en termes de direction de la particule diffusée comme cela a été le cas dans l’expérience de Rutherford, Geiger et Marsden.

La façon la plus simple d’introduire ce concept de processus de diffusion c’est de prendre le cas du choc élastique entre deux sphères, par exemple deux boules de billard. Cela permet d’introduire les deux principales notions, le paramètre d’impact noté b, et l’angle de diffusion θ. Le paramètre d’impact est la distance entre la trajectoire rectiligne du centre de gravité de la boule de billard incidente et le centre de gravité de la boule qu’elle vient impacter. Dans le cas où il n’y a pas d’impact, on peut voir ce paramètre d’impact comme la distance de plus faible approche. L’angle de diffusion est l’angle que fait la trajectoire de la boule après le choc élastique. Cet angle est défini par rapport à la trajectoire incidente. Evidemment s’il n’y a pas d’interaction cet angle de diffusion est nul.

On caractérise alors la probabilité d’interaction entre les particules par une section efficace qui a la dimension d’une surface et qui est proportionnelle à la probabilité d’interaction. Toujours pour notre exemple de la collision entre deux sphères, la section efficace est simplement la section apparente de la sphère. Si la valeur du paramètre d’impact est inférieure au rayon de la sphère il y a collision entre les deux sphères, dans le cas contraire il n’y a pas d’interaction.

Parenthèse mathématique – Section efficace

Venons-en maintenant au phénomène de diffusion observé dans le cadre de l’expérience de Rutherford. Il ne s’agit pas d’une diffusion à la suite d’un choc entre deux particules, mais à une diffusion liée à une interaction électromagnétique entre deux particules chargées. C’est ce qu’on appelle une diffusion coulombienne.

Pour étudier cette diffusion Rutherford considérera que la particule incidente alpha est soumise à un potentiel électrostatique centré sur une cible. Ce potentiel central conduit à un mouvement hyperbolique lors duquel le moment cinétique est conservé.

C’est grâce à cette formule de diffusion, confirmée par l’expérience de Geiger et Marsden dont les résultats ont été publié en 1913^[3] (étude de la déviation des particules alpha par une feuille d’or), que Rutherford confirmera son idée que lorsque la particule incidente est déviée, elle l’est par une charge électrique concentrée en un point. Les feuilles d’or étaient très utilisées à cette époque parce que l’or est très malléable, et cela permettait donc d’obtenir des feuilles très fines. Le scintillement lumineux observé sur l’écran permet de visualiser la collision par les particules alpha avec la feuille d’or.

Au lieu d’un faisceau non dévié attendu avec le modèle du pudding aux raisins proposé par Thomson, l’expérience montre que la plupart des particules traversent la feuille d’or sans déviation, mais que quelques rares particules alpha sont déviées avec un angle important. Cette expérience met en évidence le caractère lacunaire de la matière (majorité des particules non déviées) et montre que les charges positives et la masse de l’atome sont fortement localisées dans l’espace (rares particules déviées avec un angle important), comme l’a postulé Rutherford en 1911.

La découverte du noyau atomique par Rutherford eut pour conséquence de modifier totalement la perception du modèle atomique. Le jeune physicien Niels Bohr qui avait rencontré Rutherford à Cambridge quelques mois après la publication des résultats de Rutherford chercha à expliquer la stabilité de l’atome et les raies spectrales d’absorption et d’émission des atomes. Le fait que les atomes soient stables devenait en effet mystérieux dans ce modèle atomique avec un noyau et des électrons en orbite autour du noyau. Dans le cadre de la physique classique, et en particulier de l’électromagnétisme de Maxwell les électrons devraient perdre progressivement de l’énergie et s’écraser sur le noyau atomique. La proposition de Bohr d’un nouveau modèle atomique, qui permettait d’expliquer cette stabilité, sera une étape fondamentale de la mécanique quantique naissante.

Les numéros atomiques (Henry Moseley – 1913)

Jusqu’à la découverte des noyaux atomiques et des électrons, le numéro atomique d’un atome était pensé comme un nombre plus ou moins arbitraire basé sur la séquence des masses atomiques observée dans le tableau périodique de Mendeleïv. Il n’y avait donc pas de lien entre ce numéro atomique et une caractéristique physique mesurable des atomes. En particulier, on ignorait jusque-là quel était le nombre d’électrons constitutifs des différents atomes.

À la suite de la découverte des noyaux atomiques par Ernest Rutherford, tout se précipite dans la compréhension de la composition des atomes. Le physicien néerlandais Antonius van den Broek^[4] propose ainsi une idée simple mais décisive : la place des éléments dans la table périodique, c’est-à-dire leur numéro atomique, correspond directement à la charge électrique de leur noyau.

Cette hypothèse est particulièrement audacieuse pour l’époque. En effet, le numéro atomique n’est alors qu’un indice de classement empirique dans le tableau périodique de Mendeleïev, basé principalement sur les masses atomiques et les propriétés chimiques. Rien ne permet encore d’affirmer qu’il possède une signification physique profonde. En suggérant que ce numéro correspond à la charge du noyau, van den Broek établit un lien direct entre la structure interne de l’atome et l’organisation des éléments chimiques.

De son côté Niels Bohr avait établi dans le cadre de son modèle atomique une relation entre les longueurs d’onde des rayonnements électromagnétique absorbés et émis par les atomes et la charge électrique du noyau. D’après Bohr on devait alors pouvoir utiliser les longueurs d’onde des rayonnements électromagnétiques pour mesurer la seule quantité inconnue dans la description de Rutherford, la charge électrique du noyau. Ceci aurait permis de connaître le nombre d’électrons présents dans les atomes puisque par nature les atomes sont neutres et que la charge des noyaux atomiques est donc égale en valeur absolue au nombre d’électrons multiplié par la charge électrique d’un seul électron.

Il ne restait donc plus qu’à mesurer les longueurs d’onde des rayonnements électromagnétiques absorbés et émis par les atomes pour démontrer l’hypothèse de Van den Broeck.

C’est le jeune physicien britannique Henry Moseley qui, en 1913 et 1914^[5], mena différentes expériences de spectroscopie des rayons X sur des éléments métalliques et établit une relation simple entre la fréquence des raies X caractéristiques émises par un élément et son numéro atomique. Cette relation, aujourd’hui connue sous le nom de loi de Moseley, s’écrit sous la forme :

\[\sqrt{\nu} = A\text{ }(Z – b)\]

Où \(\nu\) est la fréquence de la raie X observée, \(Z\ \)le numéro atomique, \(A\ \)une constante, et \(b\ \)un terme correctif lié à l’effet d’écran exercé par les électrons internes. Autrement dit, la racine carrée de la fréquence des rayons X émis varie linéairement avec le numéro atomique.

Cette loi est d’abord empirique : Moseley l’établit à partir de ses mesures. Mais elle reçoit très vite une interprétation théorique grâce au modèle atomique de Bohr. Dans ce modèle, les électrons occupent des niveaux d’énergie quantifiés, et les rayons X caractéristiques sont émis lorsqu’un électron d’une couche interne est arraché, puis remplacé par un électron d’une couche plus externe. L’énergie du photon émis correspond alors à la différence d’énergie entre ces deux niveaux.

Or, dans le modèle de Bohr, les niveaux d’énergie d’un électron autour d’un noyau varient comme le carré de la charge nucléaire effective, c’est-à-dire en première approximation comme \(\left( Z-b)^{2} \right.\ \), le terme \(b\ \)tenant compte du fait qu’une partie de la charge du noyau est masquée par les autres électrons. Comme l’énergie du photon émis vérifie \(E = h\nu\), on en déduit que la fréquence \(\nu\ \)est elle aussi proportionnelle à \(\left( Z-b)^{2} \right.\ \), ce qui conduit directement à une relation linéaire entre \(\sqrt{\nu}\ \)et \(Z\).

La loi de Moseley montre ainsi que le numéro atomique n’est pas un simple rang dans le tableau périodique, mais une grandeur physique fondamentale : il mesure directement la charge positive du noyau, et donc, dans le cadre moderne, le nombre de protons qu’il contient.

Moseley mesura la charge électrique de différents noyaux atomiques en émettant des rayons X à des longueurs d’onde appropriées. Il constata en premier lieu que les charges électriques des noyaux étaient des multiples entiers de la charge électrique des électrons. Ceci n’était pas étonnant en soit, puisque cela confirmait simplement l’idée que la charge électrique du noyau devait compenser la charge électrique de l’ensemble des électrons, l’atome étant neutre. Mais cela permis surtout de conforter le modèle de Bohr qui venait à peine d’être proposé, mais cela permis également à Moseley d’être conforté dans sa démarche expérimentale. On peut citer quelques résultats obtenus par Moseley en donnant respectivement les valeurs arrondies de la charge du noyau (en unités de charge de l’électron) et la masse atomique mesurées par Moseley : Calcium (20, 40), Titane (22, 48), Fer (26, 56), Cuivre (29, 64).

En revanche un résultat de ces expériences était plus inattendu. Moseley constata également que la charge électrique du noyau n’augmentait que d’une seule unité lorsqu’on passait d’un élément de masse atomique à l’élément de masse atomique immédiatement supérieur. Ainsi le rang d’un élément atomique sur la liste des éléments ordonnés par ordre de masse atomique croissante est identique à la charge du noyau atomique exprimée en unités de charge de l’électron. Ce rang dans la liste des éléments est aujourd’hui appelé le numéro atomique. Il caractérise le nombre de protons présents dans le noyau (le proton ne sera découvert qu’en 1919).

Les travaux de Moseley ont ainsi permis de déterminer la charge des noyaux nucléaires de chaque élément atomique, et par voie de conséquence le nombre d’électrons présents dans chacun de ces atomes. Lors d’un discours prononcé au congrès Solvay de 1921, Rutherford dira à propos de ces travaux de Moseley : « Ainsi que Moseley l’a montré, le remplacement du poids atomique par le numéro atomique a fait disparaître les difficultés qui restaient encore dans le système de classification périodique des éléments de Mendeleïev et fait en même temps comprendre la signification de la loi périodique ».

Cette découverte de Moseley permettait de donner une explication simple aux lois de désintégration radioactive mises en évidence par Rutherford et Soddy. Les rayonnements alpha sont des noyaux d’hélium dont la charge électrique correspond à deux électrons. Ainsi quand un atome radioactif émet une particule alpha il perd deux unités de charges atomiques, c’est-à-dire que son numéro atomique perd deux unités. Par ailleurs cet atome perd dans le même temps quatre unité de masse atomique correspondant à la masse atomique de l’hélium. Tout ceci paraît aujourd’hui évident, mais en 1913, on venait à peine de découvrir l’existence du noyau atomique et tous ces résultats corroboraient à la fois l’existence du noyau et le fait que c’était bien le noyau qui était le siège de la radioactivité. Les séries de transformations radioactives, telle que celle de l’uranium présentée dans le chapitre sur la radioactivité, s’expliquaient alors très simplement avec ces règles de modification des numéros atomiques.

La découverte du proton (Ernest Rutherford – 1919)

Rutherford était convaincu dès le début de ses recherches sur la radioactivité de l’existence de particules plus petites que les atomes. C’est ainsi qu’il découvrit dans un premier temps le noyau atomique. Pendant les premières années de la première guerre mondiale, il se détournera provisoirement de ses recherches sur les particules alpha pour étudier les techniques de détection sous-marines (les sonars).

Mais il y reviendra dès 1917, et il écrira en décembre de cette année 1917 une lettre à Niels Bohr dans laquelle il lui fit part de sa volonté de « rompre des atomes en les bombardant de particules alpha ».

Rutherford, toujours avec l’aide de Marsden, avait remarqué que lorsqu’il envoyait un faisceau de particules alpha dans l’air, il observait des scintillements sur un écran de sulfure de zinc, même à une distance supérieure à la portée des particules alpha dans l’air. En appliquant un champ magnétique lors de ces expériences, Rutherford en déduisit que les particules responsables du scintillement étaient des ions hydrogène, c’est-à-dire dans notre vocable moderne des protons. Mais Rutherford ne pouvait pas savoir si ces ions hydrogènes étaient présents dans la source de particules alpha ou s’ils étaient au contraire éjectés par des atomes plus lourds que l’hydrogène.

Pour en avoir le cœur net, Rutherford mena toute une série d’expérimentations où il interposa diverses plaques métalliques et divers gaz entre la source de particule alpha (du radium), et l’écran de sulfure de zinc. Il constata que le nombre de scintillations diminuait lorsqu’il interposait des feuilles métalliques ou des gaz, mais à sa grande surprise il observa que ce nombre de scintillations augmentait lorsque le récipient de gaz qu’il interposait entre la source et l’écran était rempli d’air sec. Il répétera alors cette expérience avec les constituants de l’air et se rendra compte que le phénomène était amplifié avec de l’azote pur. Il en déduira que l’augmentation du nombre de scintillations était dû aux collisions des particules alpha avec les atomes d’azote.

Il en tira la conclusion que cet « hydrogène » ne peut provenir que de l’azote. Ce noyau d’hydrogène est donc présent à l’intérieur d’un autre noyau, celui de l’azote. Il écrit ainsi : « On doit en conclure que les noyaux d’azote se désintègrent … et que les atomes d’hydrogène qui sont libérés forment un constituant des noyaux d’azote ».

Ces résultats seront publiés en 1919^[6] par Rutherford qui prouve ainsi que le noyau de l’atome d’hydrogène est présent dans les autres noyaux. C’est à cette occasion qu’apparaît la dénomination de proton (du grec protos qui signifie premier) formulée pour la première fois par Rutherford, en tant que noyau de l’hydrogène, présent dans l’ensemble des noyaux atomiques.

Cette expérience a été la première réaction nucléaire artificielle. En plus de l’hydrogène, elle conduit à la production d’un isotope de l’oxygène suivant la réaction nucléaire :

\[_{2}^{4}{\ He} +_{7}^{14}{\ N}\ \ \overset{\ }{\rightarrow}\ \ _{8}^{17}{\ O} +_{1}^{1}{\ H}\]

Cette découverte du proton sera confirmée dans les années qui suivirent lors de l’observation des interactions entre les particules alpha et le gaz d’azote dans des chambres à brouillard. Le jeune physicien Patrick Blackett^[7], également disciple de Rutherford, prendra, entre 1921 et 1924, plus de 20 000 photographies dans une chambre à brouillard, et identifiera précisément dans 8 cas le phénomène d’interaction entre la particule alpha et l’atome d’azote conduisant à l’émission d’un proton et d’un isotope de l’oxygène.

Le modèle atomique de Rutherford (Ernest Rutherford – 1920)

A la suite de ces différents travaux de Rutherford, le modèle atomique qui prévaut alors est celui d’un ensemble d’électrons tournant autour d’un noyau (Modèle de Rutherford). Comme on l’a déjà vu dans l’article introductif sur la mécanique quantique, le modèle de Rutherford proposé en 1911 inspirera le modèle proposé par Bohr en 1913. En 1919 Rutherford précisera donc que les noyaux sont composés de protons. Comme les atomes sont neutres, il y a nécessairement autant de protons que d’électrons (qui ont la même charge électrique en valeur absolue).

L’étude de la structure de l’atome peut ainsi se décomposer tout naturellement en deux parties bien distinctes, d’un côté la structure du noyau atomique siège de la radioactivité et d’un autre côté la distribution des électrons autour du noyau atomique, responsables à la fois des propriétés chimiques des atomes et des spectres d’émission ou d’absorption des rayonnements électromagnétiques.

Une difficulté apparaît très rapidement dans ce modèle de Rutherford, concernant la masse du noyau atomique. En effet, du fait de la neutralité électrique des atomes, il y a nécessairement autant de protons que d’électrons dans un atome. Or on sait que la masse atomique des noyaux est un multiple entier de la masse d’un noyau d’hydrogène, mais on se rend compte aussi qu’elle est au moins deux fois supérieure à la somme des masses des protons. Pour l’illustrer, on présente ci-dessous un tableau des premiers éléments du tableau périodique avec leur numéro atomique Z (nombre d’électrons) et leur nombre de masse A :

Elément	H	He	Li	Be	B	C	N	O
Numéro atomique (Z)	1	2	3	4	5	6	7	8
Nombre de masse (A)	1	4	7	9	11	12	14	16

Rutherford^[8] introduit alors dans les modèles, au sein des noyaux, une nouvelle brique composée d’un ensemble composite proton plus électron, qui permet d’augmenter la masse du noyau tout en conservant la neutralité électrique, en conformité avec les constatations expérimentales. Il écrivait : « Actuellement, l’atome d’hydrogène neutre est vu comme un noyau de charge unité avec un électron attaché à distance … cependant, il pourrait être possible pour un électron de se combiner d’une façon beaucoup plus proche avec le noyau d’hydrogène, formant alors une sorte de doublet neutre ».

L’hypothèse de Rutherford est donc que le noyau est composé au total de A protons et (A-Z) électrons. A titre d’exemple, avec cette hypothèse, le noyau de Carbone serait ainsi composé de 12 protons et de 6 électrons, 6 autres électrons étant en rotation autour du noyau. Cette idée que des électrons puissent être présents dans les noyaux atomiques était également étayée par le fait que lors des processus de désintégration radioactifs des électrons étaient émis (rayonnements de type béta). Le nom de neutron en tant que particule composite proton / électron a été proposé par Rutherford. Mais il ne s’agissait pas à ce stade d’une nouvelle particule, mais d’un assemblage d’un proton et d’un électron.

La confusion était grande au début des années 1920 sur la constitution réelle des noyaux atomiques. Pour illustrer cette confusion, on peut citer les propos de Marie Curie dans « L’isotopie et les éléments isotopes » paru dans le Journal de physique en 1924 : « 4. Le noyau d’hélium et l’électron sont des éléments de structure du noyau. — La relation très particulière de l’hélium avec les radioéléments conduit à penser que l’atome d’hélium est un sous-atome dont sont formés les éléments. Dans l’ancienne hypothèse de Prout ce rôle appartenait aux atomes d’hydrogène dont on n’a encore constaté l’émission dans aucune transformation radioactive. Si, cependant nous admettons comme un fait expérimental que des atomes ou noyaux d’hélium sont des éléments de structure des atomes en général, il en sera nécessairement de même pour les atomes ou noyaux d’hydrogène, car sans le secours de cette unité plus petite on ne pourrait obtenir tous les poids atomiques. Comme la transformation radioactive porte sur le noyau de l’atome, c’est ce noyau même qui doit être construit à l’aide de noyaux d’hydrogène et d’hélium… L’émission de rayons apporte de même la preuve que le noyau contient des électrons ; car si le départ d’un électron détermine la transformation radioactive de l’atome, cet électron doit provenir du noyau et non de l’enveloppe extérieur ». Même les plus grands physiciens peuvent se tromper.

La découverte du noyau atomique et du proton a constitué une révolution majeure dans la compréhension de la structure de la matière. En mettant fin au modèle de l’atome indivisible et en révélant un noyau central chargé positivement, Rutherford a posé les bases d’une nouvelle physique atomique. L’identification du proton comme brique élémentaire des noyaux a permis d’expliquer les numéros atomiques et la diversité des éléments chimiques, ouvrant la voie à une exploration plus fine du monde nucléaire.

Ces avancées ont jeté les fondations indispensables pour les découvertes ultérieures, notamment celle du neutron, qui compléteront le tableau de la structure nucléaire. Elles ont également permis le développement d’un modèle atomique plus précis, capable d’expliquer non seulement la stabilité des atomes, mais aussi leurs réactions et transformations.

Rutherford : l’architecte de la physique nucléaire moderne

Au terme de cette histoire de la découverte du noyau atomique et du proton, une figure apparaît comme absolument centrale : celle d’Ernest Rutherford. Bien au-delà d’une simple découverte isolée, Rutherford a profondément transformé notre compréhension de la matière en introduisant une nouvelle manière d’explorer l’atome, fondée sur l’expérimentation quantitative et l’analyse des interactions entre particules et matière.

Avant Rutherford, l’atome restait essentiellement une entité théorique héritée de la chimie du 19^ème siècle. Même après la découverte de l’électron par Thomson, la structure interne de l’atome demeurait largement spéculative. Rutherford va changer radicalement cette situation en faisant entrer l’étude de l’atome dans une véritable physique expérimentale des particules.

Son apport majeur réside d’abord dans l’introduction des méthodes de diffusion comme outil d’exploration du monde microscopique. En étudiant systématiquement la déviation des particules alpha par la matière, Rutherford comprend qu’il est possible de déduire la structure interne des atomes à partir de la manière dont des particules incidentes interagissent avec eux. Cette idée est fondamentale : au lieu d’observer directement l’atome (ce qui est impossible), il devient possible d’en reconstruire l’organisation interne à partir des trajectoires et des collisions observées expérimentalement.

Cette approche constitue l’ancêtre direct de la physique des particules moderne. Les expériences menées aujourd’hui dans les grands accélérateurs, comme le CERN, reposent exactement sur le même principe conceptuel : sonder la structure intime de la matière en analysant les produits de diffusion entre particules de haute énergie.

La découverte du noyau atomique en 1911 marque alors une rupture intellectuelle majeure. Rutherford montre que l’atome n’est pas une sphère homogène de matière positive, comme le supposait le modèle de Thomson, mais une structure essentiellement vide, au centre de laquelle est concentrée presque toute la masse et toute la charge positive. Cette idée bouleverse entièrement la représentation classique de la matière. Pour la première fois, l’existence d’une structure nucléaire extrêmement compacte est mise en évidence.

Quelques années plus tard, Rutherford franchit une nouvelle étape décisive avec la découverte du proton. En montrant qu’un noyau d’hydrogène peut être extrait d’un noyau d’azote par bombardement alpha, il établit que les noyaux atomiques sont eux-mêmes composés d’éléments plus fondamentaux. Cette expérience de 1919 constitue également la première réaction nucléaire artificielle de l’histoire, ouvrant la voie à toute la physique nucléaire du 20ème siècle.

L’importance de Rutherford ne se limite cependant pas à ses découvertes personnelles. Son laboratoire de Manchester puis de Cambridge devient l’un des centres majeurs de la physique mondiale. De nombreux physiciens essentiels de la physique moderne y sont formés ou influencés : Hans Geiger, Ernest Marsden, Niels Bohr, James Chadwick ou encore Patrick Blackett. Rutherford joue ainsi un rôle de catalyseur scientifique exceptionnel dans l’émergence de la physique atomique et nucléaire.

Son influence s’étend également au niveau conceptuel. Le modèle nucléaire de Rutherford servira directement de point de départ au modèle quantifié de Bohr en 1913, puis, plus largement, au développement de la mécanique quantique. Sans noyau atomique, il n’y aurait pas de niveaux électroniques, pas de structure atomique moderne, et donc pas de compréhension des propriétés chimiques et spectroscopiques de la matière.

Enfin, Rutherford incarne une période charnière de la physique, où les découvertes expérimentales bouleversent progressivement les représentations héritées du 19ème siècle. Avec lui, l’atome cesse définitivement d’être indivisible. La matière révèle une structure interne complexe, hiérarchisée, et accessible à l’investigation scientifique.

À bien des égards, Rutherford apparaît ainsi comme le véritable fondateur de la physique nucléaire moderne. Ses travaux ont non seulement permis de découvrir le noyau atomique et le proton, mais ils ont aussi introduit les méthodes, les concepts et l’esprit expérimental qui allaient dominer toute la physique subatomique du 20^ème siècle.

Le proton aujourd’hui

Depuis sa découverte par Ernest Rutherford en 1919, le proton a longtemps été considéré comme une particule élémentaire, constituant fondamental du noyau atomique. Dans le modèle atomique du début du 20^ème siècle, il représentait la charge positive de l’atome, en équilibre avec les électrons négatifs, et sa masse dominait largement celle de ces derniers.

Cependant, à partir des années 1950, le développement des accélérateurs de particules et des expériences de diffusion à haute énergie va profondément modifier cette vision. En étudiant la diffusion d’électrons sur des protons, les physiciens mettent en évidence une structure interne : le proton n’est pas une particule ponctuelle, mais un objet composite.

C’est dans ce contexte que se développe le modèle des quarks, proposé dans les années 1960 par Murray Gell-Mann et indépendamment par George Zweig. Dans ce modèle, le proton est constitué de trois quarks dits « de valence » : deux quarks up et un quark down, liés entre eux par l’interaction forte, médiée par des particules appelées gluons. Cette interaction est décrite aujourd’hui par la chromodynamique quantique (QCD), une des composantes fondamentales du modèle standard.

Mais cette description reste elle-même simplifiée. Le proton n’est pas un système figé de trois particules : il est le siège d’une activité quantique intense. Autour des quarks de valence se forme une « mer » de quarks et d’antiquarks virtuels, ainsi qu’un champ dynamique de gluons. La masse du proton ne provient d’ailleurs que très partiellement de la masse de ses quarks constituants : elle est en grande partie issue de l’énergie de liaison associée à l’interaction forte, conformément à la relation d’Einstein entre masse et énergie.

Le proton possède également des propriétés subtiles encore activement étudiées aujourd’hui. Sa distribution de charge et de magnétisation, son rayon effectif, ou encore la répartition du spin entre ses constituants internes font l’objet de recherches expérimentales et théoriques approfondies. Par exemple, la question du « rayon du proton », mesuré différemment selon les méthodes expérimentales, a donné lieu à ce que l’on a appelé une « crise du rayon du proton », révélant des tensions entre différentes approches de mesure.

Cette « crise du rayon du proton » trouve son origine dans une divergence inattendue entre deux types de mesures expérimentales. Historiquement, le rayon du proton était déterminé soit par diffusion d’électrons sur des protons (on mesure alors comment la charge est distribuée à l’intérieur du proton), soit par spectroscopie de l’atome d’hydrogène, en étudiant très finement les niveaux d’énergie de l’électron, sensibles à la taille du noyau. Ces deux méthodes donnaient des résultats cohérents, avec un rayon d’environ 0,88 femtomètre. Mais en 2010, une expérience de spectroscopie utilisant de l’hydrogène « muonique » (où l’électron est remplacé par un muon, une particule environ 200 fois plus massive) a conduit à une valeur significativement plus petite, autour de 0,84 femtomètre. Cette différence, bien que minuscule en valeur absolue, est très significative au regard de la précision des mesures, et dépasse largement les incertitudes expérimentales. Depuis, de nombreuses expériences ont été menées pour résoudre cette contradiction, certaines confirmant l’une ou l’autre des valeurs, sans qu’un consensus définitif ne soit encore totalement établi. Cette situation met en lumière soit des effets physiques encore mal compris dans la structure du proton, soit des limites dans les modèles théoriques utilisés pour interpréter les données expérimentales. Cette situation est d’autant plus remarquable que ces mesures constituent également des tests de très haute précision de l’électrodynamique quantique (QED) : toute divergence persistante pourrait ainsi révéler soit un effet encore mal compris dans la structure du proton, soit, plus intriguant encore, une limite de nos théories actuelles des interactions fondamentales.

Au-delà de la physique fondamentale, le proton joue un rôle central dans de nombreux domaines. Il est un constituant stable de la matière ordinaire, mais aussi une particule clé dans les accélérateurs de particules, comme ceux du CERN, où des faisceaux de protons sont utilisés pour sonder la structure de la matière à des énergies toujours plus élevées. En astrophysique, les protons constituent une grande partie des rayons cosmiques et participent aux réactions nucléaires au cœur des étoiles.

Enfin, malgré sa stabilité apparente, le proton pourrait ne pas être éternel. Certaines théories au-delà du modèle standard, notamment les théories de grande unification, prédisent une désintégration du proton sur des échelles de temps extrêmement longues (supérieures à 10³⁴ ans). Bien qu’aucune désintégration n’ait encore été observée, cette question reste un enjeu majeur de la physique contemporaine.

Ainsi, plus d’un siècle après sa découverte, le proton demeure un objet d’étude fondamental. D’abord perçu comme une brique élémentaire de la matière, il apparaît aujourd’hui comme un système complexe, dynamique, et encore partiellement mystérieux, au cœur des recherches les plus avancées en physique des particules.

Conclusion

La découverte du noyau atomique et du proton marque une rupture dans l’histoire de la physique. En quelques années, l’atome passe du statut d’entité ultime et indivisible à celui d’édifice structuré, essentiellement vide, organisé autour d’un centre minuscule, massif et chargé positivement. Avec Rutherford, la matière cesse d’être pensée comme une substance homogène : elle devient un système hiérarchisé, dont la compréhension exige de distinguer clairement le noyau et les électrons.

L’importance de cette transformation est double. D’un point de vue expérimental, elle montre la puissance des méthodes de diffusion pour sonder la structure intime de la matière. En observant la déviation de particules incidentes, Rutherford inaugure une méthode qui deviendra l’un des outils majeurs de toute la physique des particules moderne. D’un point de vue conceptuel, il fait apparaître que les propriétés fondamentales des atomes (leur charge, leur masse, leur place dans la classification périodique) trouvent leur origine dans la structure du noyau.

Les travaux de Moseley viennent alors donner à cette nouvelle image une assise quantitative décisive. Le numéro atomique cesse d’être un simple rang dans une classification chimique : il devient une grandeur physique mesurable, directement liée à la charge du noyau. Quant à l’identification du proton par Rutherford, elle révèle qu’au-delà de la diversité des éléments chimiques, il existe une brique commune présente dans tous les noyaux. Cette idée est fondamentale : elle fait apparaître une unité cachée derrière la multiplicité apparente de la matière.

Mais cette avancée laisse aussi subsister une difficulté majeure. Si le proton explique la charge du noyau, il n’en explique pas toute la masse. Très vite, le modèle nucléaire se heurte donc à une nouvelle énigme : de quoi est faite la masse manquante des noyaux ? Les hypothèses formulées dans les années 1920, mêlant protons et électrons nucléaires, témoignent de cette période de transition où les physiciens ont désormais découvert la structure interne de l’atome, sans encore en posséder tous les constituants.

Ainsi, la découverte du noyau atomique et du proton n’achève pas l’exploration de la matière : elle l’ouvre au contraire sur un niveau plus profond encore. Après avoir montré que l’atome n’est pas indivisible, elle conduit naturellement à la question suivante : quelle est la véritable composition du noyau lui-même ? C’est cette question qui trouvera un premier élément de réponse avec la découverte du neutron, dernière grande pièce du modèle nucléaire classique.

1. Hans Geiger, “On a diffuse reflection of alpha particles”, Proceedings of the Royal society, A82, 1909 ↑
2. Ernest Rutherford, “The scattering of alpha and beta particles by matter and the structure of the atom”, Philosophical magazine, 21, 1911 ↑
3. Hans Geiger and Ernest Marsden, “The laws of deflection of alpha particles through large angles”, Philosophical magazine, 25, 1913 ↑
4. Antonius Van den Broeck, “Die Radioelemente, das periodische System und die Konstitution das Atom”, Physikalische Zeitschrift, 14, 1913 ↑
5. Henri Moseley, “The high frequency spectra of the elements. Part II”, Philosophical magazine, 27, 1914 ↑
6. Ernest Rutherford, “Collision of alpha particles with light atoms IV. An anomalous effect in nitrogen”, Philosophical magazine, 37, 1919 ↑
7. Patrick Blackett “The Transformation of Nitrogen into Oxygen”. Proceedings of the Royal Society A, 107 (742), 349–360, 1925 ↑
8. Ernest Rutherford, “Nuclear constitution of Atoms”, Nature, 105, 1920 ↑