Expérience de Rutherford

L'expérience est réalisée sous vide. De la matière radioactive émettant des particules α (noyaux d'hélium, He²⁺) est placée dans une boîte et le faisceau de particule α est orienté en direction d'une très fine feuille d'or (6 000 Å). Derrière cette couche d'or, un écran est placé ; il est enrichi d'une substance chimique (sulfure de zinc : ZnS) permettant de visualiser, par un scintillement lumineux, la collision par les particules α.

Plusieurs minutes après la disposition du matériel, différents points lumineux apparaissent sur l'écran et ces points ne sont pas tous dans l'orientation du faisceau, mais certains étalés sur de grands angles. Rutherford eut ainsi la surprise d'observer une sorte de rebond des particules alpha : « C'était presque aussi incroyable que si vous aviez tiré un obus de trois cent soixante-quinze kilos sur un morceau de papier de soie et qu'il était revenu vous frapper ! »[1].

La majorité des particules α traversent la feuille d'or sans être déviées, mais une partie de ces particules, de l'ordre de 0,01 %, ont été déviées. De cette expérience, nous pouvons déduire que la matière est une structure lacunaire. Elle est constituée essentiellement de vide, et c'est pour cela que la plupart des particules ne sont pas déviées. Il existe de même des îlots de charge positive qui repoussent les particules α. L'ordre de grandeur de ces îlots est très petit par rapport à l'atome (de l'ordre de 100 000 fois plus petit).

En fait, Rutherford a observé la diffusion inélastique alors qu'il ne s'attendait à trouver que de la diffusion élastique. Le taux de diffusion élastique est exprimé par un facteur de forme qui prend en compte la taille du noyau comme un nuage positif (ou une « pâte »). En réalité, une partie de l'énergie des projectiles est transmise aux atomes liés à celui rencontré, et en excite plusieurs (diffusion inélastique). Seule la somme de tous les différents événements (avec participation des voisins donc) crée l'image d'un noyau ponctuel (cf. Discussion).

À la suite de cette expérience, Ernest Rutherford proposa un modèle « planétaire » de l'atome : les électrons, portant les charges négatives, étaient satellisés autour d'un noyau positif très petit. Ce modèle fut battu en brèche par deux considérations :

• les lois de l'électromagnétisme, et notamment les équations de Maxwell, qui montraient qu'un électron tournant devait rayonner de l'énergie et donc ralentir au point de s'écraser sur le noyau ;
• le fait que les interactions entre les rayonnements électromagnétiques étaient quantifiées (voir Corps noir et Effet photoélectrique).

L'expérience de Rutherford permet d'estimer la taille de l'atome en mesurant l'énergie des particules ayant rebondi sur le noyau, c'est-à-dire ayant été diffusées avec un angle de 180°. Ce sont ces particules qui s'approchent le plus possible du noyau. La conservation de l'énergie dit que :

${\displaystyle {\frac {1}{2}}\mu v^{2}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\cdot {\frac {q_{1}q_{2}}{a_{0}}}}$

où ${\displaystyle a_{0}}$ est l'estimation de la taille du noyau, ou bien la distance minimale d'approche du noyau et ${\displaystyle \mu }$ la masse réduite.

Il est alors possible d'en déduire ${\displaystyle a_{0}}$ :

${\displaystyle a_{0}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\cdot {\frac {2q_{1}q_{2}}{\mu v^{2}}}}$

Dans l'expérience de Rutherford, les valeurs sont :

• la masse réduite ${\displaystyle \mu }$ = 6.7×10⁻²⁷ kg,
• la charge d'une particule alpha q₁ = 2×(1.6×10⁻¹⁹) C,
• la charge d'un noyau d'or q₂ = 79×(1.6×10⁻¹⁹) C
• la vitesse initiale des particules alpha v = 2×10⁷ m/s

Le calcul donne une estimation de 2.7×10⁻¹⁴ m pour la taille d'un noyau d'or.

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