les éléments de base des atomes ›

Les protons sont de minuscules particules subatomiques qui, avec les neutrons, forment le noyau d’un atome.

Plus un atome est lourd, plus il contient de protons (et de neutrons). L’hydrogène, l’élément le plus léger, possède un seul noyau de proton. L’élément le plus lourd du tableau périodique, Oganesson, a 118 protons.

Les protons ne sont pas des particules élémentaires ; en fait, ils sont constitués de particules encore plus petites appelées quarks. Comme les neutrons, les protons contiennent trois quarks (deux quarks « up » et un quark « down ») qui sont maintenus ensemble à l’intérieur du proton par la force forte. Les particules composées de trois quarks sont appelées « baryons ». Ainsi, lorsque les physiciens parlent de « matière baryonique », ils désignent spécifiquement la matière composée de protons et de neutrons, qui constituent les atomes, qui composent ensuite toutes les personnes, les planètes, les étoiles, les galaxies et tout ce que nous pouvons voir visiblement dans l’univers qui nous entoure.

Découverte des protons

Pendant la majeure partie du XIXe siècle, les atomes étaient considérés comme les éléments de base les plus petits de toute la matière, mais à la fin de ce siècle, il a été prouvé que les atomes étaient en fait constitués de particules plus petites. Les scientifiques ont commencé à expérimenter avec des faisceaux d’anode et de cathode, qui sont des faisceaux chargés positivement et négativement produits par des tubes à décharge de gaz.

En 1897, JJ Thomson (s’ouvrira dans un nouvel onglet) ont découvert que les rayons cathodiques sont des flux de particules subatomiques électriquement négatives appelées électrons qui sont libérées des atomes dans un tube à décharge. En conséquence, les faisceaux d’anode doivent être des flux d’ions, qui sont des atomes chargés positivement. En particulier, les ions hydrogène ont été découverts dans les rayons anodiques en 1898 par le physicien allemand Wilhelm Wien. (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

Ainsi, la première hypothèse de la structure des atomes supposait que les électrons chargés négativement sont répartis sur une masse de charge positive répartie de manière amorphe. Cela s’appelait le modèle du plum pudding, dans lequel les électrons étaient comme des prunes trempées dans de la pâte.

Le physicien britannique Ernest Rutherford doutait de ce modèle. Entre 1909 et 1911, Hans Geiger et Ernest Marsden, sous la direction de Rutherford de l’Université de Manchester, ont tiré des particules dites alpha – ce que nous connaissons aujourd’hui sous le nom de noyaux d’hélium – sur une feuille d’or. Dans le modèle du plum pudding, les particules alpha devaient traverser directement les atomes d’or ou dévier légèrement.

Photographie d’Ernest Rutherford et Hans Geiger avec leur compteur de particules alpha. (Crédit image : Bibliothèque d’images Science et société via Getty Images) (s’ouvrira dans un nouvel onglet)

Au lieu de cela, Geiger et Marsden ont découvert dans leur expérience que parfois les particules alpha sont déviées à de grands angles ou même rebondissent directement. Cela ne pourrait se produire que s’il y avait un nœud de charge électrique au centre de l’atome, plutôt qu’un nœud dispersé, comme dans le modèle du plum pudding. Cela a convaincu Rutherford que les atomes consistaient en fait en un minuscule noyau dense entouré d’espace vide, avec des électrons en orbite autour du noyau à distance.

Ce modèle, bien que simplifié car il n’inclut pas le comportement mécanique quantique des électrons, est appelé le modèle de Bohr du nom de Niels Bohr qui, avec Rutherford, a assemblé toutes les pièces.

Dans l’expérience de la feuille d’or, des particules alpha déviées ont rencontré ce noyau. Mais de quoi était fait le noyau ?

Diverses expériences, y compris celles de Rutherford, ont montré que des noyaux d’hydrogène pouvaient se former à partir d’autres éléments et, en 1920, Rutherford a conclu que les noyaux d’hydrogène devaient être la pierre angulaire de tous les noyaux atomiques, car l’hydrogène est l’élément le plus léger. Il a appelé le noyau d’hydrogène un proton, ce qui signifie « premier » en grec, parce que Rutherford le considérait comme le premier élément constitutif de tous les atomes. Aujourd’hui, nous savons que les protons (et les neutrons) sont constitués de particules encore plus petites, les quarks, et que le noyau d’un atome est composé de protons et de neutrons (à l’exception de la forme basique de l’hydrogène, qui n’a pas de neutrons).

Quelle est la charge d’un proton ?

Le proton a une charge dite « élémentaire ». (s’ouvrira dans un nouvel onglet)« , ou « e » pour faire court. Il s’agit de l’unité de charge de base par rapport à laquelle toutes les autres charges sont mesurées. Seuls les quarks ont une charge plus petite, qui est un tiers ou deux tiers de la charge élémentaire.

La charge élémentaire d’un proton est de 1,602192 x 10^–19 C. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) (CONTRE). Elle est exactement égale et opposée à la charge de l’électron, qui est de – 1,602192 x 10^-19 coulombs. Puisque leurs charges sont égales et que l’autre habitant du noyau atomique, le neutron, est neutre, alors, tant que le nombre de protons et d’électrons est le même, leurs charges sont équilibrées et les atomes sont électriquement neutres. Cependant, retirez un électron autour de l’atome, et cela perturbe l’équilibre entre les charges creuses des électrons et des protons, et l’atome devient chargé positivement – un ion.

Quelle est la taille et la masse d’un proton ?

Étant donné que les protons sont des particules subatomiques au cœur même de l’atome, ils sont extrêmement petits, ne mesurant que des centaines de billionièmes de mètre (10^-15 mètres). Robert Hofstadter (s’ouvrira dans un nouvel onglet)Un physicien américain qui a reçu un prix Nobel pour ses travaux sur la caractérisation des protons et des neutrons a qualifié cette échelle de 10 ^–15 mètres de « femtomètre », du nom du célèbre physicien Enrico Fermi. (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

Nous pouvons comparer l’échelle d’un femtomètre à la largeur d’un cheveu humain, qui est de l’ordre de cent millionièmes, ou 10^–8, de mètre, ou le rayon d’un atome entier est d’environ dix milliardièmes, ou 10 ^. -10 mètres.

Compte tenu de leur petite taille, ils ont aussi une masse minuscule, seulement 1,673 x 10^–27 kg. C’est mille billions de billionièmes de kilogramme. A titre de comparaison, il est 1836 fois plus massif. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) qu’un électron (9,1 x 10^–31 kg). Il est également légèrement moins massif que le neutron (1,674 x 10^–27 kg, soit 1,008 fois plus massif qu’un proton).

protons dans l’espace

La nébuleuse d’Orion est capturée avec des détails sans précédent dans cette image prise par le télescope spatial James Webb. La nébuleuse d’Orion est une région H-II remplie d’hydrogène gazeux. (Crédit image : NASA, ESA, CSA, traitement et analyse des données : équipe PDRs4All ERS ; traitement graphique par C. Fuenmayor) (s’ouvrira dans un nouvel onglet)

Étant donné que l’hydrogène est l’élément (ou la molécule) le plus abondant dans l’univers, et que les noyaux d’hydrogène ne sont que des protons individuels, il suffit de dire que la science des protons peut nous en dire beaucoup sur la distribution de la matière et les mécanismes violents qui régissent certains des phénomènes les plus énergétiques de l’espace.

Les nébuleuses stellaires remplies d’hydrogène gazeux dans l’espace lointain sont souvent appelées régions H-II. Cette désignation signifie que l’hydrogène a été ionisé par le rayonnement ultraviolet des jeunes étoiles qui l’entourent (HI est l’hydrogène atomique neutre ; H-II est ionisé) ; l’énergie d’un photon ultraviolet qui absorbe l’hydrogène est suffisante pour assommer un électron. Parce que l’atome d’hydrogène est composé d’un seul proton et d’un seul électron, la perte d’un électron ne laisse qu’un proton. Lorsqu’un proton dans une nébuleuse capture un électron, il émet un photon de lumière avec une longueur d’onde caractéristique de 656,3 nm. (s’ouvrira dans un nouvel onglet)connue sous le nom d’émission H-II.

Les protons sont également vitaux pour le noyau du Soleil, où l’énergie, sous forme de lumière solaire et de chaleur, est générée par un mécanisme connu sous le nom de chaîne proton-proton. Au cœur du Soleil, la température atteint 27 millions de degrés Fahrenheit (15 millions de degrés Celsius) – assez pour la fusion nucléaire. À ces températures élevées, tous les atomes sont ionisés, et comme le Soleil est principalement composé d’hydrogène, cela signifie que le noyau du Soleil est rempli de protons.

Dans une chaîne proton-proton, deux protons s’approchant dans ces conditions au centre du Soleil peuvent fusionner, émettant un neutrino et un positon chargé positivement (qui est l’équivalent d’un électron dans l’antimatière).

La perte d’une charge positive transforme l’un des protons en un neutron neutre, et ensemble le proton et le neutron forment le deutérium (un isotope de l’hydrogène). Ce noyau de deutérium peut ensuite fusionner avec un autre proton, formant de l’hélium-3 (composé de deux protons et d’un neutron) et émettant de l’énergie dans le processus qui finit par atteindre la surface du Soleil sous la forme d’un rayonnement que nous voyons comme de la lumière et que nous ressentons. quelle chaleur.

Pendant ce temps, un noyau d’hélium-3 peut alors fusionner avec un autre noyau d’hélium-3 formé par le même processus, créant de l’hélium-4 (2 protons, 2 neutrons) et émettant deux autres protons. Ces autres protons peuvent alors fabriquer plus d’hélium-3 et ainsi de suite dans une réaction en chaîne, libérant ainsi plus d’énergie dans le processus. Le soleil contient suffisamment de noyaux d’hydrogène pour continuer à le faire pendant encore 5 milliards d’années.

Les protons sont également vitaux pour le noyau du Soleil, où l’énergie, sous forme de lumière solaire et de chaleur, est générée par un mécanisme connu sous le nom de chaîne proton-proton. (Crédit image : Kokada via Getty Images) (s’ouvrira dans un nouvel onglet)

Le vent solaire, qui est un flux de particules chargées émises par l’atmosphère solaire, en plus des électrons et de divers noyaux atomiques, comprend un grand nombre de protons. Lorsque le vent solaire entre en collision avec une atmosphère planétaire telle que la Terre, les protons et les électrons voyagent le long des lignes de champ magnétique jusqu’aux pôles de la planète, interagissant et ionisant les atomes et les molécules de l’atmosphère. Ces atomes et molécules brillent alors, créant les aurores boréales et méridionales.

Occasionnellement, une éruption solaire se produit sur le Soleil, entraînant souvent une éjection de masse coronale. Ces fortes éruptions solaires peuvent accélérer les protons à des énergies élevées. Ces «particules d’énergie solaire» accélèrent presque à la vitesse de la lumière lorsqu’elles s’éloignent du soleil et présentent un risque de rayonnement pour les astronautes et les passagers des avions de ligne à haute altitude.

Il existe également des protons de haute énergie (et des particules alpha) provenant de l’extérieur de notre système solaire. Ces « rayons cosmiques » frappent en se déplaçant juste en dessous de la vitesse de la lumière, mais leur origine reste un mystère. Évidemment, ils sont accélérés par de puissants champs magnétiques, et les principaux suspects sont les noyaux galactiques actifs et les trous noirs qu’ils contiennent. Alternativement, des restes de supernova et des régions de formation d’étoiles denses ont également été proposés comme points de départ pour ces balles de particules qui nous sont envoyées.

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Ressources additionnelles

Découvrez à quel point le proton est complexe dans cet article de Quanta. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). Découvrez comment des mesures récentes ont réduit la taille du proton avec cet article de Nature. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). Apprenez-en plus sur les protons et apprenez-en plus sur la fusion nucléaire avec quelques diagrammes pratiques dans cet article de l’Université de Warwick. (s’ouvrira dans un nouvel onglet)

Bibliographie

Physique des particules, Brian R. Martin (2011, One-World Publications)

Dictionnaire de physique en ligne Collins (2007, Collins)