Expérience de Rutherford : comment les particules alpha ont-elles révélé le noyau atomique ?

Qu’a montré l’expérience de Rutherford ?

À cette époque, les scientifiques se représentaient l’atome selon le modèle de Thomson, dit du « plum pudding » : la charge positive est répartie dans tout l’atome, et les électrons se trouvent à l’intérieur. Dans un tel atome, on s’attendait à ce que les particules alpha soient très peu déviées.

En 1909, Rutherford et ses collègues Geiger et Marsden ont envoyé des particules alpha sur une mince feuille d’or. Une particule alpha est une particule positive formée de 2 protons et 2 neutrons. C’est un noyau d’hélium, He²⁺.

Le rayon d’un noyau est plus de 10 000 fois plus petit que le rayon de son atome. La plupart des particules passent donc sans s’approcher d’un noyau.

Pourquoi les particules sont-elles déviées ?

Le noyau positif repousse la particule alpha positive selon la loi de Coulomb. Plus une particule passe près du noyau, plus la répulsion est forte et plus la déviation est grande. Une particule qui se dirige droit sur le noyau s’arrête et fait demi-tour. Plus le noyau a de protons, plus la répulsion est forte. Plus l’énergie de la particule est élevée, plus la déviation est faible.

Comment utiliser le simulateur ?

1. Des particules alpha partent sans arrêt vers le haut depuis la source brune en bas. Le noyau est au centre, et le cercle en pointillés autour de lui est la couche électronique.
2. Avec le curseur Protons du noyau, change le nombre de protons de 20 à 100. La valeur de départ, 79, correspond à un noyau d’or.
3. Avec le curseur Énergie alpha, change l’énergie des particules : faible, moyen ou élevé.
4. Le bouton Trajectoire affiche ou masque les trajectoires des particules.

Exercices à essayer dans le simulateur

• Avec les réglages de départ, observe une particule qui se dirige droit sur le noyau. Elle s’arrête avant de l’atteindre et fait demi-tour. Une particule qui passe sur le côté est déviée selon une trajectoire courbe.
• Règle Protons du noyau sur 20 et Énergie alpha sur élevé. Les trajectoires deviennent presque droites, et peu de particules font demi-tour.
• Règle Protons du noyau sur 100 et Énergie alpha sur faible. La plupart des particules sont fortement déviées et repartent d’où elles viennent.
• Garde le nombre de protons à 79 et fais glisser le curseur Énergie alpha de gauche à droite. La déviation diminue.

Comment le modèle de l’atome a-t-il évolué ?

Rutherford a découvert le noyau, mais il n’a pas expliqué comment les électrons sont disposés. Bohr a poursuivi le travail sur cette question.

Sources

• BBC Bitesize: Early ideas about atoms
• OpenStax Chemistry 2e: Evolution of Atomic Theory
• PhET: Rutherford Scattering