Quelle particule subatomique a été découverte par James Chadwick en 1932 ?

En 1932, le physicien britannique James Chadwick identifie le neutron, une particule subatomique dépourvue de charge électrique. Cette découverte complète la composition du noyau atomique, jusque-là principalement comprise à partir des protons, et transforme l’étude de la matière. Le neutron possède une masse proche de celle du proton, mais il n’est ni attiré ni repoussé par les champs électriques comme une particule chargée.

Une énigme au cœur de l’atome

Les modèles atomiques du début du XXe siècle avaient établi que l’atome possède un noyau très petit et très dense, contenant des particules chargées positivement : les protons. Une difficulté demeurait toutefois : si le noyau ne contenait que des protons, leur répulsion électrique devrait le rendre instable. Les physiciens envisageaient donc la présence d’une particule neutre, capable d’ajouter de la masse au noyau sans augmenter sa charge électrique. Son existence restait cependant à démontrer expérimentalement.

Le bombardement du béryllium

Pour mener ses recherches, Chadwick bombarde du béryllium avec des particules alpha, émises par une substance radioactive. L’expérience produit un rayonnement très pénétrant, qui n’est pas dévié par les champs électriques puisqu’il ne porte pas de charge. Dans un premier temps, ce rayonnement pouvait être interprété comme un rayonnement gamma. Chadwick étudie cependant ses effets sur des matériaux contenant de l’hydrogène : il observe l’éjection de protons animés d’une grande vitesse. L’énergie de ces protons s’explique mieux si le rayonnement est constitué de particules neutres possédant une masse importante, proche de celle du proton, plutôt que de simples photons gamma. En 1932, il conclut donc à l’existence du neutron.

Une nouvelle image du noyau

La découverte du neutron permet de décrire le noyau comme un assemblage de protons et de neutrons. Les neutrons n’ajoutent aucune charge électrique au noyau et ne provoquent donc pas de répulsion électrostatique entre eux et les protons. Ils participent en revanche, avec les protons, à l’interaction nucléaire forte, qui contribue à maintenir les nucléons liés à très courte distance. Cette découverte fournit ainsi la clé nécessaire pour comprendre à la fois la masse des noyaux et leur composition. Elle permet également de définir les isotopes : des atomes d’un même élément possèdent le même nombre de protons, mais peuvent différer par leur nombre de neutrons.

Une découverte aux nombreuses conséquences

Le neutron devient rapidement un objet central de la physique nucléaire. Sa présence intervient dans l’étude des réactions nucléaires et, plus tard, dans la compréhension de la fission. Les neutrons servent également à sonder la structure des matériaux et des noyaux atomiques. La portée de la découverte de Chadwick est reconnue par l’attribution du prix Nobel de physique en 1935. En révélant une composante essentielle du noyau, ses travaux ont fourni une base expérimentale à une grande partie de la physique nucléaire moderne.