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La première expérience de collisions avec des particules accélérées : Lexpérience de Rutherford (1909-1911) Au début du 20 ième siècle lexistence de latome.

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1 La première expérience de collisions avec des particules accélérées : Lexpérience de Rutherford ( ) Au début du 20 ième siècle lexistence de latome est connue, mais non sa structure. On sait seulement quétant électriquement neutre, il est constitué dun mélanges de corpuscules de charges négatives (électrons) et positives (plus tard baptisés protons) en nombre égal, mais on ignore tout de sa taille, de sa structure ainsi que celle des constituants et lon pense quils sont mélangés dans une sorte de sac (modèle de Thomson humoristiquement baptisé « Plum-Pudding ») de taille inconnue. Pudding de Thomson, la charge positive est répartie dans tout le volume de latome et elle est parsemé d'électrons Le seul moyen délucider une structure est de la « bombarder » avec des particules dau moins aussi petite taille. Il faut que ces particules aient une vitesse suffisante pour émerger de la matière quelles percutent de manière à ce que lon puisse observer la manière dont leur trajectoire a été perturbée. Or au début du siècle se produit une découverte majeure : la découverte de la radioactivité par H. Becquerel et la séparation et la production déléments radioactifs par P. et M. Curie : Radium et Polonium. Ces éléments émettent des rayonnements appelés :. En particulier, les particules (alpha) sont des atomes Hélium ayant perdu leurs électrons, donc de charge positive. Ils sont de très petite taille et sont éjectés de la source radio-active avec des vitesses, de lordre de 10 km/s, correspondant à une accélération de plusieurs millions Volts. Avant dêtre remplacés par des accélérateurs, ils vont permettre pendant environ 30 ans deffectuer toutes sortes dexpériences de collisions qui vont résoudre complètement la structure de latome. F. et I. Joliot Curie découvriront également la radio-activité artificielle avec ces sources. E. Rutherford avait réussi à élucider la nature ces particules alpha, ce pourquoi il obtient le prix Nobel en Lannée suivante, il a lintuition que par collisions elles pourront lui donner des informations sur la structure de la matière. Avec H. Geiger et E. Marsden, il envoie ainsi des particules alpha sur une feuille dor et mesure leur distribution spatiale à la sortie. Lexpérience a lieu dans une chambre fermée et dont lair a été évacué afin que les particules se propagent dans le vide, car latmosphère perturberait leurs trajectoires. Cette expérience a mené à 3 conclusions absolument « sensationnelles » pour lépoque : 1 - "la matière est vide", car la plupart des particules passent à travers sans interaction, ce qui signifie quelle est concentrée dans des petits volumes 2 – Certaines particules sont néanmoins diffusées de manière "violente", jusquà faire demi-tour parfois : Ceci montre que les particules ont été soumises au champ des charges positives des atomes (les protons), qui les repoussent, beaucoup plus quaux charges négatives (électrons). Il sensuit que les charges négatives sont « diluées » et quil existe au centre des atomes un "noyau" extrêmement petit et de charge exclusivement positive. 3 – Le fait que les électrons ne sont pas mélangés avec les protons et sont situés à des distances de ce noyau beaucoup plus grandes que sa taille est une surprise. E. Rutherford y réfléchira pendant 2 ans avant de proposer ce modèle ! Il faudra de nombreuses années pour que cette structure soit admise et comprise par la communauté scientifique. En effet, en mécanique classique, seule connue à cette époque, les électrons devraient tourner autour du noyau, rayonner de lénergie électromagnétique et finir par "tomber" sur le noyau et, ainsi, on aboutit à une contradiction complète. Cette contradiction va obliger à considérer les particules comme des ondes et contribuer à fonder la mécanique quantique, ce qui va demander une quinzaine dannées supplémentaires (équation de Schrödinger, 1925). Schema de lexpérience de Geiger, Marsden et Rutherford Représentation artistique de latome dOxygène avec son cortège délectrons qui occupent lespace à la manière dun nuage diffus. Ce nuage a une taille environ 10 5 fois et, donc, un volume fois plus grand celui du noyau ! Cette expérience peut-être considérée comme lancêtre et larchétype de toutes celles qui ont suivi. On y remarque la plupart des éléments des expériences de collisions : - un faisceau issu d'une source - un accélérateur (confondu avec la source ici) - des chambres à vide pour que les particules puissent se propager - un espace de glissement et de préparation du faisceau (iris non montré ici, focalisation par la suite) - une cible (feuille d'or) - un détecteur (scintillateur + microscope) Afin dexplorer des détails de plus en plus fins de la structure de la matière, tels la structure du noyau, il faut disposer de faisceaux de particules beaucoup plus intenses et dénergies de plus en plus élevées (jusquà 1 million de fois celle des particules alpha au LHC au CERN à Genève). Ceci a entrainé la construction daccélérateurs à partir des années Ceux-ci ont évolué vers des machines de plus en plus diversifiées, dont ACO constitue une des étapes dans leur histoire. Accélérateur électrostatique inventé par E. Walton et J. Cockroft (de part et dautre dE. Rutherford sur la photo) ACO appartient à une génération de machines qui réalisent des collisions faisceau-faisceau plutôt que sur cible fixe, lanneau de stockage, rempli par un premier accélérateur, permettant datteindre de fortes intensités. Par la suite, il a servi de source de rayonnement synchrotron appliquée à de tous autres usages : Mais ceci est une autre histoire !


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