Outre les particules bêta, les rayons gamma et les neutrons, les particules alpha sont un type de rayonnement, également appelé rayonnement alpha. Comme pour 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.
Ils sont cependant fréquemment utilisés dans la recherche – les particules alpha ont joué un rôle crucial dans la découverte par Ernest Rutherford du noyau atomique, qui était à la base de son modèle atomique.
Que sont les particules alpha ?
Les particules alpha sont des particules chargées positivement qui comprennent deux protons, deux neutrons et zéro électron. La masse d’une seule particule est de 4 amu (6,642 × 10−4 g), selon Britannica Les particules alpha sont émises par des éléments radioactifs lourds (à la fois naturels et artificiels), y compris l’uranium, le radium et le plutonium. Pour cette raison, ces éléments sont également appelés émetteurs alpha.
Une particule alpha est généralement représentée par le symbole α, la lettre grecque alpha qui a donné son nom à la particule. Ce fut le premier type de rayonnement nucléaire à être découvert, avant les particules bêta et les rayons gamma. Mais comme une particule alpha est identique au noyau d’un atome d’hélium-4, elle est parfois représentée par He2+, c’est-à-dire un atome d’hélium-4 doublement ionisé.
L’expérience de la feuille d’or de Rutherford expliquée
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 conduirait à sa 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 a officiellement publié un article déclarant l’existence d’un noyau chargé positivement au centre d’un atome (bien qu’il ne l’ait pas formellement appelé noyau à ce stade). Depuis 1907, Rutherford, Hans Geiger et Ernest Marsden avaient effectué une série d’expériences de 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 allaient après être entrées en collision avec la feuille.
À l’époque, le modèle atomique “plum pudding” de JJ Thompson était la théorie dominante de la structure atomique – il suggérait que les atomes étaient des sphères parfaites de matériau chargé positivement dans lesquelles des électrons négatifs flottaient avec une distribution relativement uniforme.
Si ce modèle était vrai, les particules alpha auraient traversé la feuille dans les expériences de Rutherford sur Coulomb. Mais Rutherford et ses collègues ont observé que quelques-unes des particules alpha rebondissaient sur la feuille dans des directions différentes. Rutherford a alors émis l’hypothèse que les atomes avaient un noyau dense entouré d’électrons en orbite – les particules alpha traversaient l’espace entre les électrons et rebondissaient sur le noyau.
Qu’est-ce que la désintégration alpha et comment se produit-elle ?
La désintégration alpha est le processus par lequel les particules alpha se forment, selon Britannica. Les éléments radioactifs instables appelés radionucléides émettent des particules à partir de leurs noyaux pour devenir plus stables, transformant l’élément d’origine en 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 de rayonnement alpha et pouvoir de pénétration
Le rayonnement alpha a une charge positive de deux. Parmi les principaux types de rayonnement, les particules alpha sont les plus lourdes et les plus lentes, avec une masse de 4 uma et des vitesses d’éjection d’environ 12 400 miles par seconde (20 000 000 km par seconde) selon l’Agence australienne de radioprotection et de sûreté nucléaire.
Bien qu’elles soient très énergétiques, les particules alpha dépensent la majeure partie de cette énergie immédiatement après leur émission, de sorte qu’elles ne parcourent pas plus de quelques centimètres au maximum. Ils ont également un pouvoir de pénétration extrêmement faible – ils ne peuvent pas pénétrer l’épiderme humain ou la couche externe de la peau. Même un morceau de papier suffit pour bloquer une particule alpha selon le United States Nuclear Regulatory Committee.
Utilisations du rayonnement alpha
Commercialement, le rayonnement alpha est principalement utilisé dans les détecteurs de fumée (la fumée réduit les particules alpha dans le détecteur, déclenchant l’alarme) et les éliminateurs d’électricité statique (ioniseurs alpha).
Des recherches sont également en cours sur le développement d’une thérapie par particules alpha pour traiter le 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 pas dangereux pour l’homme à l’extérieur en raison de son faible pouvoir de pénétration ; les particules alpha ne peuvent pas pénétrer votre peau. Ils peuvent cependant endommager votre cornée.
Le vrai danger se situe à l’intérieur du corps. Si un émetteur alpha (c’est-à-dire un élément radioactif) pénètre dans votre corps par ingestion, inhalation, blessure ou tout autre moyen, des dommages importants pourraient être causés à l’intérieur des tissus vivants.
Ressources additionnelles
En savoir plus sur le travail de Rutherford avec les particules alpha dans cette exposition en ligne du Center for History de l’American Institute of Physics. 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), « Radiation Basics ».
Commission de réglementation nucléaire des États-Unis (USNRC), « Radiation Basics ».
Centre d’histoire, Institut américain de physique, “Monde nucléaire de Rutherford”.