Apparition du concept d'isotope

[Geb]

Bonjour,

J'ai lu dernièrement la transcription écrite d'une conférence datée du 12 décembre 1922, par Frederick Soddy :

The origins of the conceptions of isotopes

Suite à la lecture de ce texte, l'histoire de la notion d'isotope me rend perplexe.

Pour clarifier les choses :

En 1912, Ernest Rutherford (1871-1937) et Francis Aston mettent au point le premier spectromètre de masse et mette en évidence un atome de néon plus lourd que celui déjà connu (qui n'est autre que l'isotope 22 du néon). En 1913, Frederick Soddy (1877-1956) propose la notion d'isotope pour expliquer la quarantaine de nouveaux éléments entre le plomb (Z=82) et l'uranium (Z=92) issus de l'étude des chaînes de désintégration radioactive de l'uranium 238, du radium 226 et du thorium 232.

Si je regarde le détails des chaînes de désintégrations radioactives décrite dans l'article de wikipédia (en anglais) à leur sujet :

Decay chain

Deux remarques troublantes :

1) La chaîne de désintégration dite de l'Uranium 235 porte des noms anciens :

- actinouranium pour l'uranium 235
- uranium Y pour le thorium 231
- radioactinium (ou actinium K) pour le thorium 227
- actinium X pour le radium 223
- actinon pour le radon 219
- actinium A pour le polonium 215
- actinium B pour le plomb 211
- actinium C pour le bismuth 211
- actinium C'' pour le thallium 207
- actinium D pour le plomb 207

Hors, l'uranium 235 aurait été découvert par Arthur Jeffrey Dempster en 1935. Donc, depuis quand le détail des chaînes de désintégration radioactive est-il connu ? Autrement dit, quand les noms "exactes" ont-ils remplacé les anciens noms ?

2) Un lien vers une publication scientifique intitulée "Radioactive Change" datée de 1903 et que l'on doit à Rutherford et Soddy :

Radioactive Change

Il y est écrit :

In previous papers it has been shown that the radioactivity of the elements radium, thorium, and uranium is maintained by the continuous production of new kinds of matter which possess temporary activity.*[...]*Mme. Curie and also Giesel have succeeded in obtaining quite considerable quantities of pure radium compounds by working up many tons of pitchblende, and the results go to show that radium is in reality one of the best defined and most characteristic of the chemical elements.

Hors, on voit que le radium 226 est en fait issu de la désintégration de l'uranium 238, lui-même l'isotope la plus abondante de l'uranium. Donc quand a t-on déterminé cette filiation entre radium 226 et uranium 238 ?

Cordialement
-----

[Geb]

Bonsoir,

J'ai trouvé un passage intéressant dans l'article en anglais de Wikipedia consacré au deutérium :

The existence of nonradioactive isotopes of lighter elements had been suspected in studies of neon as early as 1913, and proven by mass spectroscopy of light elements in 1920. The prevailing theory at the time, however, was that the isotopes were due to the existence of differing numbers of "nuclear electrons" in different atoms of an element. It was expected that hydrogen, with a measured average atomic mass very close to 1 u, the known mass of the proton, always had a nucleus composed of a single proton (a known particle), and therefore could not contain any nuclear electrons without losing its charge entirely. Thus, hydrogen could have no heavy isotopes.

Ce sont donc les modèles atomiques de l'époque qui ont conduit les chercheurs à nier l'existence du deutérium. Il y a eu le modèle atomique de Thomson (1904), celui de Rutherford (1911), puis celui de Bohr (1913).

L'article sur le néon (toujours en anglais) nous dit ceci :

Neon played a role in the basic understanding of the nature of atoms in 1913, when J. J. Thomson, as part of his exploration into the composition of canal rays, channeled streams of neon ions through a magnetic and an electric field and measured their deflection by placing a photographic plate in their path. Thomson observed two separate patches of light on the photographic plate, which suggested two different parabolas of deflection. Thomson eventually concluded that some of the atoms in the neon gas were of higher mass than the rest. Though not understood at the time by Thomson, this was the first discovery of isotopes of stable atoms. It was made by using a crude version of an instrument we now term as a mass spectrometer.

Apparemment, la découverte d'isotopes radioactives peut être attribuée non pas à Ernest Rutherford, mais à Joseph John Thomson et à son assistant de recherche Francis William Aston, vers 1912-1913. À mon avis, la confusion vient du fait que Rutherford a succédé à Thomson à la tête du laboratoire de Cavendish en 1919.

C'est Rutherford qui le 3 juin 1920 formule l'idée d’une sorte d’atome de masse 1 et de charge 0 qui n’était pas l’hydrogène, à l'occasion des Bakerian Lectures de la Royal Society. En 1931, Irène et Frédéric Joliot-Curie bombardent du béryllium avec des particules alpha émisent par la désintégration du polonium. L'année suivante, Chadwick, un des disciples de Rutherford au laboratoire de Cavendish, identifie pour la première fois l'émission issue de la transmutation du béryllium à la particule postulée 12 ans plus tôt par Rutherford.

Tout cela semble indiqué que les chaînes de désintégrations radioactives n'ont été comprises que lorsque les modèles atomiques ont su intégrer la notion de neutron. Ce qui ne fut pas possible avant la découverte d'un isotope lourd de l'hydrogène incompatible avec les modèles atomiques existant (le deutérium) fin 1931, et celle du neutron en 1932.

Cordialement.

[Geb]

Voici l'extrait d'un article de l'édition américaine du Time Magazine daté du 13 avril 1931, qui permet de mieux comprendre le cadre théorique quelques mois avant la découverte du deutérium et un an avant celle du neutron :

Science: Electron Speeds

[...] A serviceable description of the structure of an atom is this: At its core are, according to the particular kind of atom, 1 to 238 protons (positive charges of electricity). The hydrogen atom (simplest) has one proton at its nucleus. Helium (next simplest) has four nuclear protons. But two are herded into inaction by two nuclear electrons. This leaves two positive sports on the helium nucleus. They in turn are kept from rampage by two more orbital electrons which whirl about the nucleus at a comparatively vast distance. The atomic structures of elements heavier than helium are like helium's—a nuclear core of protons held together and neutralized by fewer electrons and the difference between protons and nuclear electrons made up by an equal number of electrons in one or more enveloping orbits. [...]

Moi qui pensais que la notion d' "électron nucléaire" avait été complètement abandonné à partir de la découverte du noyau atomique par Rutherford...

Cordialement

[Geb]

Bonjour,

Un extrait du discours du 10 décembre 1935 à l'occasion de la cérémonie de remise du prix Nobel de Physique 1935 à Chadwick pour la découverte du neutron*:

[…] That the atom may be in a neutral state of electricity, the positive charge of the nucleus must be the same as the total charge of the exterior electrons. The simplest relation would here have been that the number of protons in the nucleus had been the same as that of the electrons circling about the nucleus. This proved, however, not to be the case. In the atoms belonging to different elements it was found that, apart from hydrogen, the nucleus had about twice as many protons as the number of exterior electrons. Thus e.g. helium has the weight four in relation to the nucleus of hydrogen but only two exterior electrons. That the atom may be neutral in electric respect, the supposition is necessary that the surplus of positive electricity that the nucleus thus receives owing to the greater number of protons, was compensated by negative electrons also entering the nucleus. The nucleus of helium was thus supposed to consist of four protons and two electrons, and about this nucleus there circle two electrons.

At first this idea of the atom could be made to agree fairly well with experience. [...] If the number of protons is increased or diminished in a nucleus, but the charge of the nucleus is still kept unaltered by the addition or the loss of negative electrons, the same element is still obtained but with different atomic weight; a so-called isotope is obtained. Thus e.g. lead is found in several different forms with different weight; and heavy hydrogen, the object of last year's Nobel Prize for Chemistry, is a similar modification of normal hydrogen.

[...] The existence of the neutron having thus been proved, it was no more necessary to suppose compensatory charges of electron in the nuclei. The nucleus of atoms is nowadays considered to be composed of a number of protons and neutrons. Thus the nucleus of helium consists of two protons and two neutrons; about the nucleus there circle in the atom two electrons. Isotopes are formed by surplus or lack of the number of neutrons in the solid atom.

Cordialement

[A voir en vidéo sur Futura]