PROTON

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La matière est constituée d'atomes (dont la dimension est de l'ordre de 10—10 mètre), eux-mêmes formés par un noyau (dont la dimension est de l'ordre de 10—15 mètre, soit 1 femtomètre [fm]) autour duquel gravitent des électrons. Le proton est une particule de charge électrique positive, numériquement égale à celle de l'électron, mais de masse 1 836 fois plus grande que ce dernier. Les protons avec les neutrons (de masse voisine et de charge nulle) sont les deux constituants du noyau où se concentre presque toute la masse de l'atome. On les appelle les nucléons. Le proton constitue à lui seul le noyau de l'atome le plus simple, l'atome d'hydrogène, le plus abondant dans l'Univers.

La cohésion du noyau est assurée par une interaction extraordinairement intense, l'interaction nucléaire forte, qui emprisonne les nucléons dans un tout petit volume, et compense la répulsion électrostatique entre les protons. Cette force assure la stabilité de nombreux noyaux. Une énergie de liaison considérable se libère lorsque les protons et les neutrons se combinent pour former un noyau (mécanisme de fusion). Elle est responsable de la puissance dévastatrice des bombes H, mais aussi de l'activité stellaire. Les protons constituent en effet une partie essentielle du combustible des étoiles.

Jusqu'aux années 1960, les protons et les neutrons étaient considérés comme des briques élémentaires de la matière. Depuis lors, les expériences de diffusion d'électrons de haute énergie nous ont révélé que les protons et les neutrons sont en fait des objets complexes constitués de quarks et de gluons.

Historique

La masse et la charge du proton, c'est-à-dire de l'ion positif hydrogène, sont mesurées pour la première fois par le physicien allemand Wilhelm Wien en 1898, puis par le physicien anglais Joseph John Thomson en 1910. À cette époque, Thomson imagine que les électrons et les protons s'agglomèrent pour former l'atome, sorte de petite boule homogène. Mais cette vision est rapidement réfutée par la mise en évidence d'un noyau atomique, cœur compact, chargé et de très petite dimension à l'intérieur de l'atome. Ce modèle, proposé par Ernest Rutherford, s'inspire des expériences de Hans W. Geiger et Ernest Marsden. Ces expériences, réalisées en 1909, consistent à bombarder une feuille d'or avec un faisceau de particules alpha (les noyaux de l'atome d'hélium 4) et à détecter les particules diffusées dans toutes les directions. Les trajectoires des particules alpha ne sont, pour la plupart, que peu modifiées, sauf quelques-unes qui se trouvent déviées d'un grand angle. Rutherford en déduit que la feuille d'or comporte un certain nombre de corps ponctuels (les noyaux atomiques) portant une charge électrique élevée, séparés par de larges intervalles où règne un champ électrique faible. Il obtient ainsi une radiographie des constituants de la cible (la feuille d'or) : cette méthode reste depuis très largement utilisée en physique nucléaire. Quelques années plus tard (en 1920), Rutherford élabore une théorie selon laquelle les noyaux seraient constitués de protons et d'électrons. La cohésion du noyau aurait pour origine un équilibre des interactions électromagnétiques entre les paires proton-proton ou électron-électron, qui se repoussent, et les paires proton-électron, qui s'attirent. Ce n'est qu'en 1932 que James Chadwick identifie le neutron, et que les protons et les neutrons sont reconnus comme les constituants fondamentaux du noyau.

Une nouvelle interaction, appelée interaction nucléaire forte, doit alors assurer la cohésion du noyau. Cette interaction dépend peu de la nature des nucléons. Elle est extrêmement intense tant que la distance entre les nucléons reste inférieure à 1,5 fm : au-delà, l'interaction est négligeable. Attractive pour des distances supérieures à 0,5 fm, elle devient fortement répulsive pour des distances inférieures : les nucléons semblent opposer un cœur dur à leur pénétration par d'autres nucléons. En 1934, l'interaction nucléaire forte et sa courte portée sont interprétées par le théoricien japonais Hideki Yukawa, à l'image de la théorie quantique de l'interaction électromagnétique. Cette dernière interaction entre deux particules est de portée infinie, et elle est décrite par l'échange de photons (de masse nulle) qui passent d'une particule à l'autre en permanence. Pour expliquer la courte portée de l'interaction nucléaire forte, Yukawa suppose qu'une particule de masse non nulle est échangée entre deux constituants du noyau. Sa masse devant être intermédiaire entre celle de l'électron et celle du nucléon, il appelle cette particule méson (ce qui signifie « milieu » en grec). Le méson π (d'une masse égale à environ 1/7 de la masse du nucléon) est effectivement observé quelques années plus tard, en 1947.

De nombreuses autres particules soumises à l'interaction nucléaire forte (on les appelle les hadrons, groupe dont font partie le proton et le neutron) ont été par la suite détectées. Cette prolifération a incité les physiciens à rechercher un ordre plus profond. Il est clair aujourd'hui que les hadrons sont des particules composites. La vision moderne de l'interaction nucléaire forte date des années 1970 ; c'est la chromodynamique quantique qui décrit les quarks et les gluons confinés à l'intérieur des hadrons.

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Écrit par :

  • : docteur ès sciences, physicienne au service de physique nucléaire au Commissariat à l'énergie atomique, Saclay

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Pour citer l’article

Nicole d' HOSE, « PROTON », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 30 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/proton/