diffusion de Rutherford carte mentale

Comprendre le sujet

La diffusion de Rutherford désigne l'expérience de 1909-1911, menée par Geiger et Marsden sous la direction d'Ernest Rutherford, dans laquelle des particules alpha traversaient une fine feuille d'or. Les déviations inattendues de certaines particules ont révélé un noyau minuscule, dense et chargé positivement, remettant en cause le modèle de Thomson et fondant la représentation moderne de l'atome.

Le déroulement de l'expérience
Vers 1909, dans le laboratoire de Rutherford à Manchester, Hans Geiger et Ernest Marsden dirigent un faisceau de particules alpha, émises par une source radioactive, sur une très fine feuille d'or. Un écran recouvert de sulfure de zinc, observé au microscope, détecte les scintillations produites par les particules déviées. L'expérience se déroule dans le vide pour éviter la diffusion par l'air. Les chercheurs font varier l'angle d'observation autour de la feuille et comptent les impacts. La majorité des particules traverse la feuille presque sans déviation, mais un petit nombre subit des déviations très importantes, certaines dépassant 90 degrés, ce que Rutherford jugea aussi surprenant qu'une balle de canon rebondissant sur une feuille de papier.

Pourquoi le modèle de Thomson échoue
Dans le modèle dit du plum pudding proposé par J. J. Thomson, la charge positive est répartie de manière diffuse dans tout le volume de l'atome, les électrons étant enchâssés comme des raisins dans un pudding. Une particule alpha traversant une telle distribution rencontrerait des forces électriques faibles et étalées, insuffisantes pour provoquer une déviation importante. Les calculs montrent que les déviations attendues restent de l'ordre de quelques fractions de degré, et qu'un grand angle serait statistiquement extrêmement improbable. Or l'expérience révèle des rebonds à angle élevé bien trop fréquents. Cette contradiction oblige à concentrer la charge positive et la masse dans un volume minuscule, le noyau, ce qui explique les fortes répulsions de Coulomb lors de passages très rares à proximité immédiate.

La formule de diffusion et ses limites
Rutherford établit en 1911 une loi de diffusion : le nombre de particules déviées selon un angle θ varie comme l'inverse de sin⁴(θ/2). Cette prédiction, vérifiée expérimentalement par Geiger et Marsden en 1913, permit d'estimer la charge du noyau d'or et sa taille maximale. La formule repose sur des hypothèses précises : le noyau est assimilé à une charge ponctuelle, la particule alpha interagit uniquement par la force électrique répulsive, et les effets relativistes sont négligeables. Elle cesse d'être valable lorsque la particule alpha s'approche suffisamment du noyau pour que les forces nucléaires fortes entrent en jeu, ce qui correspond à des énergies bien supérieures à celles de l'expérience originale.

De 1911 à la mécanique quantique
Le modèle planétaire de 1911, où des électrons orbitent autour d'un noyau minuscule, résout le problème des grandes déviations mais en crée un autre : selon l'électromagnétisme classique, un électron en orbite devrait rayonner de l'énergie et spiraliser vers le noyau en une fraction de seconde. De plus, ce modèle n'explique pas les raies spectrales discrètes observées dans les gaz. Niels Bohr propose en 1913 des orbites quantifiées qui reproduisent le spectre de l'hydrogène, sans lever toutes les difficultés. La mécanique quantique, développée dans les années 1920 par Heisenberg, Schrödinger et d'autres, remplace les orbites par des distributions de probabilité. L'expérience de diffusion reste néanmoins la preuve expérimentale fondatrice de l'existence du noyau.