Le neutron : Chadwick

La découverte du neutron a résulté de trois séries d’expériences, faites dans trois pays différents, l’une entraînant l’autre. En ce sens elle est exemplaire de la recherche de la connaissance.

En 1930, en Allemagne, W. Bothe et H.Becker, spécialistes du rayonnement cosmique observent que des éléments légers, bombardés par des particules alpha, émettent des rayons « ultra pénétrants » qu’ils supposent être des rayons gamma beaucoup plus énergiques que ceux émis par des noyaux radioactifs ou accompagnant les transmutations nucléaires.

En 1931, en France, Irène et Frédéric Joliot-Curie intrigués par ces résultats cherchent à comprendre la nature de ce rayonnement et découvrent qu’il a la propriété de mettre en mouvement des noyaux atomiques et en particulier des protons… Ils supposent qu’il s’agit là d’un effet Compton. Mais ces gamma devaient avoir une énergie estimée à environ 50 millions d’électronvolts (une énergie très élevée pour l’époque) et de l’hydrogène. Ceci posait problème : dans les années 1930, on ne connaissait pas de sources gamma de 50 millions d’électronvolts, car les énergies des gamma émis par les noyaux sont de l’ordre du million d’électronvolts ou moins.

Les physiciens désignent sous le nom d’effet Compton, la collision d’un photon avec une particule chargée généralement un électron. Quand la particule chargée est beaucoup plus lourde, ce qui est le cas d’un proton, la cinématique de la collision est telle que le photon doit posséder une énergie très élevée pour communiquer un recul tel que celui observé par Frédéric et Irène Joliot-Curie. Dans les années 1930, on ne connaissait pas de sources gamma de 50 millions d’électronvolts. Les énergies des gamma émis par les noyaux sont au plus de 1 million d’électronvolts.

En 1932, en Angleterre, aussitôt ces résultats parus, J. Chadwick confirme les résultats et va plus loin. Mesurant avec précision l’énergie des noyaux projetés, il peut affirmer que le rayonnement « ultra pénétrant » ne peut être un rayonnement gamma d’énergie très élevée, mais doit être composé de particules de masse 1 et de charge électrique 0 : c’est le neutron.

Chacune des trois équipes avait travaillé avec les appareils dont elle disposait, mais aussi avec ses connaissances et avait baigné dans la tradition de son laboratoire. Il n’est pas étonnant que ce soit au laboratoire de Cambridge, dirigé par Rutherford que le neutron ait été découvert. Chadwick s’était bien souvenu de l’hypothèse de Rutherford, 13 ans plus tôt, d’une particule neutre à peu près aussi lourde qu’un proton.

Les physiciens abandonnent aussitôt l’image qu’ils avaient d’un noyau composé de protons accompagnés d’électrons captifs dont la charge électrique négative compensait celle positive des protons. Nous devons à Chadwick et aussi à Rutherford, notre image moderne du noyau atomique composé de protons et neutrons !

1932 : LA DÉCOUVERTE DU SECOND CONSTITUANT DU NOYAU

– 1) Découverte du neutron par James Chadwick
– 2) Découverte du neutron (suite et fin)