De l’atome au noyau : quelle est la taille du minuscule ?

Un atome est principalement constitué d’espace vide autour d’un tout petit centre. Pour parler de ce centre, nous avons besoin d’une nouvelle unité.

• Un atome typique mesure environ 10⁻¹⁰ m de diamètre. Cela correspond à 0,1 nanomètre, ou à un ångström.
• Un noyau mesure entre environ 10⁻¹⁵ m et 10⁻¹⁴ m de diamètre. L’unité utilisée pour cette échelle est le femtomètre (fm) : 1 fm = 10⁻¹⁵ m. Un proton mesure un peu moins de 2 fm de diamètre, et un gros noyau comme celui du plomb mesure environ 14 fm de diamètre.

Le noyau est donc plus petit que l’atome d’un facteur d’environ 10⁴ à 10⁵. Dit autrement, le rapport entre la taille du noyau et celle de l’atome est d’environ 10⁻⁵. Si tu agrandissais un noyau jusqu’à la taille d’un petit pois (environ 1 cm), son atome mesurerait entre 100 m et 1 km de diamètre. Cela correspondrait à un terrain de football ou à une petite ville, avec un petit pois au centre.

Presque toute la masse se trouve dans le noyau. Un proton et un neutron pèsent chacun environ 1,67 × 10⁻²⁷ kg. Un électron est environ 1 836 fois plus léger. Si on additionne toute la masse d’un atome, le noyau en contient plus de 99,9 pour cent, même s’il n’occupe qu’environ 10⁻¹⁵ du volume (un millionième d’un milliardième).

La matière nucléaire est donc extrêmement dense : environ 2 × 10¹⁷ kg par mètre cube. Un volume équivalent à celui d’un cube de sucre (1 cm³) pèserait environ 200 millions de tonnes. Tu ne rencontreras jamais une telle matière en grande quantité sur Terre, mais le noyau présent dans chaque atome en est constitué. (Les étoiles à neutrons sont la version à grande échelle de cette matière.)

Comment le savons-nous ? En 1909, Hans Geiger et Ernest Marsden, qui travaillaient dans le laboratoire d'Ernest Rutherford, ont envoyé des particules alpha (des noyaux d'hélium rapides et chargés positivement) sur une très fine feuille de feuille d'or. L'image la plus répandue à l'époque, le modèle du « pudding aux raisins » de J. J. Thomson, répartissait la charge positive dans tout l'atome. Chaque particule alpha aurait donc dû la traverser avec seulement une très légère déviation.

Voici ce qu'ils ont observé :

• Presque toutes les particules alpha ont continué tout droit.
• Une très petite fraction ont été déviées selon de grands angles, et quelques-unes sont presque revenues directement en arrière.

En 1911, Rutherford a compris ce que cela signifiait : la quasi-totalité de la charge positive et de la masse devait se trouver dans un minuscule noyau dense, le reste de l'atome étant vide. Rutherford a plus tard décrit un grand rebond en arrière comme étant presque aussi incroyable que de tirer un gros obus sur du papier de soie et de le voir revenir vers soi. Il a appelé ce cœur le noyau.