(LS-7A)   La découverte des atomes et de leurs noyaux

Voici un résumé des repères et des découvertes de nos idées sur les atomes et les noyaux. Il complète la leçon Lsun7erg, dans la section S-7 "l'énergie du soleil de " dans "Des observateurs aux explorateurs de l' espace"

• á La notion d'atome est partie d'un problème fondamental en chimie (# 1) : Pour quelle raison un gramme d'hydrogène est - il toujours combiné avec 8 grammes d'oxygène, ni plus, ni moins ? parce que les molécules du résultat -- l'eau - contiennent des atomes en nombre fixe. En comparant différentes réactions, Dalton conclut que (par exemple) 2 atomes d'hydrogène se combinent avec un d'oxygène, pour créer H₂O.

• á Avogadro (# 2, # 5), en Italie, avait noté une relation simple entre le volume et le poids d'un gaz : en chimie les quantités contenues pour un même volume, semblaient fixes : 1 gr. d'hydrogène, 16 gr d'oxygène, 35.5 gr. de chlore etc. Avogadro pensait donc qu'elles contenaient la même nombre de molécules ou d'atomes.

  (Du fait des propriétés du facteur deux , il a également indiqué que les atomes des gaz étaient souvent accouplés en molécules comme H₂, O₂ et Cl₂, ,. Nous devrions parler ainsi en nombre de molécules pour 2gr d'hydrogène, 32 grammes d'oxygène, 71 grammes de chlore, etc... Ce nombre est connu maintenant comme nombre d'Avogadro, et est vraiment très important.)

  Le travail d'Avogadro a été négligé pendant plusieurs années, bien que les chimistes essayaient de comprendre comment se combinaient les atomes. Lors d'un congrès de chimistes en 1860, Cannizzaro (# 5) rappela les résultats d'Avogadro, et ensuite les progrès furent rapides.

• á Entre temps, s'accumulaient les preuves de la charge électriques des atomes. Humphrey Davy (#3) avait utilisé le courant électrique pour séparer de nouveaux éléments à partir du sel en solution (procédé de l'électrolyse ). Il a obtenu du sodium et du potassium, de très combustibles métaux malléables.

• Faraday, au début assistant de Davy, établit en1833 les lois de l'électrolyse (# 4), qui voulaient que dans une solution d'eau (avec une solution de sel ), chaque atome ou chaque fragment moléculaire ait une charge électrique fixe.

• D'autres chercheurs avaient étudié la circulation du courant électrique dans les gaz raréfiés, sous haute tension (les lampes fluorescentes en sont dérivées). Il est devenu clair que ces courants sont portés par les particules positives et négatives du gaz. Joseph ("J.J.") Thompson en a isolé une variété, une particule négative très légère, dont il a mesuré les propriétés et qu'il a appelée électron. (#7).

• á Les gaz conducteurs contiennent également des "ions" positifs (des "vagabonds" (wanderers)) que J.J. Thompson a également étudiés. Ces ions ("particules 'alpha," en fait noyaux d'hélium) sont également émis par les éléments radioactifs lourds, découverts en 1895 (#6).

• Ernest Rutherford, natif de Nouvelle Zélande, montra en 1911 que les particules alpha sont parfois très fortement dispersées par les charges positives de l'atome, d'une façon qui ne peut s'expliquer que si ces charges étaient concentrées en un très petit volume, pratiquement un point de l'espace. Il a donc établi que chaque atome possède un noyau compact, avec des électrons négatifs "naviguant" autour de lui (#8).

  Rutherford comparait le noyau à un soleil miniature, avec des électrons en orbite comme des planètes. Si les lois de Newton étaient valables à l'échelle atomique, ce pourrait en effet être vrai, mais la recherche ultérieure a montré, qu'à cette échelle atomique les lois de Newton prenaient d'autres formes. Avec ces nouvelles lois de "mécanique quantique," les électrons ne se déplacent pas sur leurs orbites avec une précision absolue, mais se distribuent dans l'espace avec seulement la probabilité de les trouver là où leurs localisation a été calculée. De même, les atomes activés ne peuvent que présenter un certain nombre de niveaux énergétiques.

• á Il restait un problème : les noyaux étaient trop lourds. Les noyaux d'hélium ont deux fois la charge du proton mais 4 fois sa masse. Un temps, les scientifiques se sont demandés si les noyaux d'hélium étaient constitués de 4 protons et 2 électrons. Puis en 1932 Chadwick découvrit le neutron et réalisa que les noyaux d'hélium comprenaient deux protons, deux neutrons et pas d'électrons.

• á En 1938 Hans Bethe pensa que l'énergie du soleil était due à la transformation des noyaux d'hydrogène en hélium. Il montra également que la fusion pouvait s'effectuer selon un cycle impliquant des noyaux de carbone et d'azote ; Ceux ci sont reconstitués avec finalement comme seul changement la combinaison de 4 atomes d'hydrogène pour former de l'hélium. Aujourd'hui le cycle de Bethe est réputé s'appliquer principalement aux étoiles légèrement plus chaudes que le soleil.

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