Dans un petit article de deux pages, James Chadwick écrit l’une des publications les plus importantes de toute l’histoire de la physique moderne. Retour sur cette découverte majeure.
Les découvertes manquées par Chadwick
Chadwick est un pur produit de la formation britannique qui s’organise autour de Rutherford. À maintes reprises, Chadwick, de son propre aveu[1]:
« aurait pu se donner des coups violents pour avoir manqué une découverte importante ».
C’est sans doute pour ne pas avoir identifié l’électron positif, le positron, qu’il aurait éprouvé sa plus grande colère. En 1930, Ellis avait observé que le rayonnement de Thorium-C était une source de rayons gamma, avec une énergie de 2,62 MeV. Ceci offre l’opportunité d’étudier l’absorption de ces rayons par différents matériaux, une tâche que Chadwick confie à L. H. Gray et G. T. P. Tarrant. Ils découvrent une absorption supplémentaire à celle due aux effets photoélectrique et Compton. Afin d’identifier la source de cette absorption, Chadwick charge un étudiant d’observer les traces produites par le passage des rayons gamma à travers une fine feuille suspendue dans une chambre à brouillard, baignée dans un champ magnétique intense mais aucune trace n’est trouvée. Le 23 novembre 1931, Millikan visite le laboratoire Cavendish et il montre à Chadwick des photographies prises par C. D. Anderson sur lesquelles apparaissaient des paires de traces, inexplicables à l’époque. Chadwick souhaite poursuivre les expériences, mais il est contrarié par l’insuffisance du matériel disponible. Il finit par tirer parti des performances de la chambre à brouillard mais les positrons ont déjà été identifiés grâce aux travaux d’Anderson. Rétrospectivement, il se souvient que, lors d’une conférence de 1928 à Cambridge, Skobeltzyn lui avait montré une photographie prise dans une chambre à brouillard où une paire d’électrons était clairement visible. Il ne comprenait alors pas comment « l’électron » avait pu acquérir autant d’énergie lors d’une collision nucléaire, ni pourquoi, alternativement, il se déplaçait dans la mauvaise direction. Il avait alors la trace du positron sous les yeux.
La radioactivité artificielle, découverte des français Frédéric Joliot et Irène Joliot-Curie, est un autre phénomène à côté duquel est passé Chadwick, ce qui, de l’avis de Chadwick, était « inexcusable« .
La découverte du neutron
La découverte du neutron par Chadwick en 1932 constitue une étape majeure en physique nucléaire. Jusqu’alors, la plupart des travaux sur l’étude des noyaux, entrepris depuis le début des années 1920, semblaient au point mort et les progrès dans la compréhension de la structure nucléaire étaient minimes. Le concept de neutron fut abordé très tôt par Rutherford et Chadwick, dès 1920. De temps à autre, ils menaient des expériences « farfelues », selon les termes de Chadwick, afin de tenter de prouver l’existence des neutrons.
Avant 1932, on pensait que les noyaux étaient composés uniquement de protons et d’électrons internes. En 1930, Bothe et Becker avaient observé[2] qu’en bombardant du béryllium avec des particules α, on obtenait un rayonnement très pénétrant, supposé être un rayonnement γ très énergétique.
En 1931, Joliot et Curie montrent[3] que ce rayonnement peut éjecter des protons de la paraffine, ce qui semble incompatible avec des photons ordinaires. Chadwick reprend ces résultats et les réanalyse[4].
Chadwick bombarde du béryllium avec des particules α provenant du polonium. Le rayonnement émis frappe ensuite divers matériaux légers (paraffine, hélium, azote), et il mesure l’énergie des particules éjectées.
Chadwick utilise du polonium qui émet des particules α très énergétiques. Les particules α frappent le béryllium selon la réaction :
9Be + α → 12C + n
Il y a donc production d’un rayonnement neutre très pénétrant. La paraffine contient beaucoup d’hydrogène (protons). Les neutrons y provoquent des collisions élastiques :
n + p → n + p
Des protons rapides sont éjectés. Chadwick mesure l’énergie de ces protons dans une chambre d’ionisation. Les protons éjectés ont une énergie trop élevée pour être produits par des photons, même très énergétiques. Les calculs d’interaction photon–proton ne correspondent pas aux données, ce qui invalide l’hypothèse des photons γ.
En revanche, les données s’expliquent parfaitement si le rayonnement est constitué de particules neutres massives. Chadwick montre ainsi qu’une particule neutre, de masse proche de celle du proton, interagissant par collisions élastiques, explique naturellement les vitesses observées des protons et des noyaux légers.
Chadwick propose que le rayonnement soit constitué de neutrons, particules neutres prédites par Rutherford en 1920 mais jamais observées jusque‑là.
Cet article marque la découverte du neutron, qui révolutionne la structure du noyau atomique, permet d’abandonner le modèle proton‑électron interne, ouvre la voie à la physique nucléaire moderne, rend possible la fission nucléaire (découverte en 1938) et vaudra à Chadwick le prix Nobel de physique en 1935.
[1] Massey, Harrie Stewart Wilson, and Norman Feather. “James Chadwick, 20 October 1891 – 24 July 1974.” Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society 22 (November 1976): 10–70. https://doi.org/10.1098/rsbm.1976.0002
[2] Bothe, W., Becker, H. Künstliche Erregung von Kern-γ-Strahlen. Z. Physik 66, 289–306 (1930). https://doi.org/10.1007/BF01390908
[3] Joliot-Curie, Irène and Joliot, Frédéric (1932). “Émission de protons de grande vitesse par les substances hydrogénées sous l’influence des rayons ? très pénétrants”. Comptes Rendus 194: 273.
[4] Chadwick J., Possible Existence of a Neutron. Nature 129, 312 (1932). https://doi.org/10.1038/129312a0
Image en-avant générée par I.A.
Image de James Chadwick issue de Wikipedia
Schéma fait par moi-même.
Petites histoires des sciences 
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