Avec les particules bêta, les rayons gamma et les neutrons, les particules alpha sont un type de rayonnement, également appelé rayonnement alpha. Comme la plupart des formes de rayonnement, les particules alpha sont émises par des éléments radioactifs.

Les particules alpha sont relativement lourdes et lentes par rapport à leurs compagnons, elles présentent donc peu de danger pour les humains à moins d’être ingérées.

Cependant, elles sont souvent utilisées dans la recherche – les particules alpha ont joué un rôle décisif dans la découverte par Ernest Rutherford du noyau atomique, qui a constitué la base de son modèle atomique.

Que sont les particules alpha ?

Les particules alpha sont des particules chargées positivement composées de deux protons, de deux neutrons et d’un électron zéro. La masse d’une particule individuelle est de 4 uma. (6,642 × 10–4 g). Selon la Britannica, les particules alpha sont émises par des éléments radioactifs lourds (naturels et artificiels), notamment l’uranium, le radium et le plutonium. Pour cette raison, ces éléments sont également appelés émetteurs alpha.

Une particule alpha est généralement désignée par le symbole α, la lettre grecque alpha après laquelle la particule est nommée. Ce fut le premier type de rayonnement nucléaire à être découvert, avant les particules bêta et les rayons gamma. Mais comme la particule alpha est identique au noyau de l’atome d’hélium-4, elle est parfois représentée par He2+, c’est-à-dire un atome d’hélium-4 doublement ionisé.

Explication de l’expérience de la feuille d’or de Rutherford

Entre 1898 et 1899, le physicien Ernest Rutherford, qui étudiait la radioactivité à l’Université de Cambridge en Angleterre, a déterminé qu’il existait au moins deux types de rayonnement, qu’il a nommés alpha et bêta. La particule alpha le conduirait à la découverte du noyau atomique et l’aiderait à développer le modèle atomique de Rutherford, un changement radical dans la compréhension des atomes par l’humanité.

En 1911, Rutherford publia officiellement un article dans lequel il annonçait l’existence d’un noyau chargé positivement au centre de l’atome (bien qu’il ne l’ait pas formellement appelé noyau à cette époque). À partir de 1907, Rutherford, Hans Geiger et Ernest Marsden réalisent une série d’expériences sur la diffusion coulombienne à l’Université de Manchester en Angleterre. Ces expériences impliquaient de tirer des particules alpha sur une fine feuille d’or, puis d’observer où ces particules heurtaient ensuite la feuille.

Les expériences de diffusion de Rutherford comprenaient une technique appelée spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford (RBS). Ici, des ions à haute énergie sont déclenchés simultanément et la distribution d’énergie est mesurée. (Crédit image : DKN0049 via Getty Images)

À l’époque, le modèle de l’atome « ​​plum pudding » de JJ Thompson était la théorie dominante de la structure atomique – il supposait que les atomes étaient des sphères parfaites de matériau chargé positivement, dans lesquelles les électrons chargés négativement étaient répartis de manière relativement uniforme.

Si ce modèle était correct, les particules alpha auraient traversé la feuille dans les expériences Coulomb de Rutherford. Mais Rutherford et ses collègues ont remarqué que plusieurs particules alpha rebondissaient sur la feuille dans des directions différentes. Rutherford a ensuite suggéré que les atomes ont un noyau dense entouré d’électrons en orbite – les particules alpha traversent l’espace entre les électrons et rebondissent sur le noyau.

Qu’est-ce que la désintégration alpha et comment se produit-elle ?

Selon la Britannica, la désintégration alpha est le processus de production de particules alpha. Les éléments radioactifs instables, appelés radionucléides, émettent des particules à partir de leurs noyaux pour devenir plus stables, passant de l’élément d’origine à un nouveau. Ces émissions sont des rayonnements – dans le cas de la désintégration alpha, les particules alpha sont émises par les noyaux d’éléments radioactifs lourds.

Charge et pénétration de rayonnement alpha

Le rayonnement alpha a une charge positive de deux. Les particules alpha sont les plus lourdes et les plus lentes des principaux types de rayonnement, avec une masse de 4 uma, selon l’Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Authority. et une vitesse d’éjection d’environ 12 400 miles par seconde (20 000 000 km par seconde).

Bien que riches en énergie, les particules alpha utilisent la majeure partie de cette énergie immédiatement après avoir été éjectées, de sorte qu’elles ne se propagent pas à plus de quelques centimètres. Ils ont également un pouvoir de pénétration extrêmement faible – ils ne peuvent pas pénétrer l’épiderme humain ou la couche externe de la peau. Selon le Comité de réglementation nucléaire des États-Unis, même un morceau de papier suffit à bloquer une particule alpha.

Utilisation du rayonnement alpha

À des fins commerciales, le rayonnement alpha est principalement utilisé dans les détecteurs de fumée (la fumée réduit la quantité de particules alpha dans le détecteur, provoquant des alarmes) et les dispositifs antistatiques (ioniseurs alpha).

Des recherches sont également en cours pour développer une thérapie par particules alpha pour le traitement du cancer – des essais cliniques ont montré un certain succès dans le traitement du cancer de la prostate métastatique résistant à la castration. À des fins de recherche, les particules alpha sont utilisées comme projectiles, comme dans le cas de l’expérience de la feuille d’or de Rutherford.

Dangers du rayonnement alpha

Le rayonnement alpha n’est extérieurement pas dangereux pour l’homme en raison de son faible pouvoir de pénétration; les particules alpha ne peuvent pas pénétrer la peau. Cependant, ils peuvent endommager la cornée.

Le vrai danger vient de l’intérieur du corps. Si un émetteur alpha (c’est-à-dire un élément radioactif) pénètre dans votre corps par ingestion, inhalation, par une blessure ou par toute autre voie, des dommages internes importants peuvent être causés aux tissus vivants.

Ressources additionnelles

Apprenez-en plus sur le travail de Rutherford avec les particules alpha dans cette exposition en ligne de l’American Institute of Physics Center for History. Vous pouvez également en savoir plus sur sa page de biographie de la Fondation Nobel – Rutherford a reçu le prix Nobel de chimie en 1908 « pour ses recherches sur la désintégration des éléments et la chimie des substances radioactives ».

Bibliographie

Agence australienne de radioprotection et de sûreté nucléaire (ARPANSA), Particules alpha.

Britannica, Alpha Decay.

Britannica, Particule Alpha.

Agence américaine de protection de l’environnement (EPA), Fundamentals of Radiation.

Commission de réglementation nucléaire des États-Unis (USNRC), Fundamentals of Radiation.

Centre d’histoire, Institut américain de physique, Rutherford’s Nuclear World.