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1ère S
1ère S
Comprendre 12 : Conservation de l’énergie
LA DECOUVERTE DU NEUTRINO
Comprendre 12 : Conservation de l’énergie
2.3. L’idée de Pauli
Si certains physiciens pensent alors à renoncer au principe de conservation de l’énergie d’autres, comme l’Autrichien Wolfgang
Pauli, imaginent une solution, sans pouvoir en apporter la preuve expérimentale. L’idée est que lors de la désintégration β, l’émission
d’un électron est accompagnée d’une particule de faible masse, de charge électrique neutre
Dans une lettre adressée à des physiciens voici ce qu’il leur propose :
(Traduction de la lettre adressée aux physiciens Allemands Lise Meitner et Hans Geiger):
Zurich 4 décembre 1930
Wolfgang Pauli
Enrico Fermi
Frederick
Frederick Reines
Clyde Cowan
1. Le neutrino
Dans un dictionnaire de physique, au mot neutrino, on lit le texte suivant :
« Particule élémentaire de charge électrique nulle, sensible à l’interaction faible. L’existence du neutrino a été suggérée pour la
première fois par Wolfgang Pauli (1900-1958), pour satisfaire la conservation de l’énergie dans les désintégrations bêta, et le nom fut
proposé par Enrico Fermi (1901-1954) trois ans plus tard. La première observation de neutrino en 1956 est due à Frederick Reines
(1918-1998) et Clyde Cowan (1919-1974). On sait depuis la fin des années 1990 que les neutrinos ont une masse non nulle. Ils
interagissent extrêmement peu avec la matière, ce qui d’une part rend leur détection délicate, et d’autre part leur permet de traverser
l’épaisseur du Soleil sans difficulté et de fournir des informations sur les phénomènes physiques ayant lieu au cœur du soleil ».
Extrait du dictionnaire de physique, des éditions De Boeck
1.1. Que signifie l’expression « particule élémentaire » ?
1.2. Citez trois autres particules élémentaires ?
2. La découverte du neutrino
Comme l’indique l’extrait du dictionnaire, la découverte du neutrino ne s'est pas faite en une journée. Il a fallu des dizaines
d'années avant de penser au concept du neutrino, puis encore près de trente ans avant de le détecter.
Chers dames et messieurs radioactifs
Je vous prie d'écouter avec beaucoup de bienveillance le message de cette lettre. Il vous dira que pour pallier la
"mauvaise" statistique des noyaux N et 6Li et le spectre bêta continu, j'ai découvert un remède inespéré pour sauver les
lois de conservation de l'énergie et les statistiques. Il s'agit de la possibilité d'existence dans les noyaux de particules
neutres obéissant au principe d'exclusion, mais différentes des photons parce qu'elles ne se meuvent pas à la vitesse de la
lumière, et que j'appelle neutrons. La masse des neutrons devrait être du même ordre de grandeur que celle des électrons
et ne doit en aucun cas excéder 0,01 fois la masse du proton. Le spectre β serait alors compréhensible si l'on suppose que
pendant la désintégration β, avec chaque électron est émis un neutron, de manière que la somme des énergies du neutron
et de l'électron soit constante… J'admets que mon remède puisse paraître invraisemblable, car on aurait dû voir ces
neutrons bien plus tôt si réellement ils existaient. Mais seul celui qui ose gagne, et la gravité de la situation, due à la
nature continue du spectre β, est éclairée par une remarque de mon honoré prédécesseur, monsieur Debye, qui me disait
récemment à Bruxelles : « Oh ! Il vaut mieux ne pas y penser du tout, comme pour les nouveaux impôts. » Dorénavant,
on doit discuter sérieusement toute voie d'issue. Ainsi, cher peupleradioactif, examinez et jugez. Malheureusement, je
ne pourrai pas être moi-même à Tübingen, ma présence étant indispensable ici pour un bal qui aura lieu pendant la nuit
du 6 au 7 décembre.
Votre serviteur le plus dévoué,
Wolfgang Pauli
2.1. La découverte de la radioactivité
Tout ce branle bas de combat a commencé avec la découverte de la radioactivité.
En 1896, les Français Henri Becquerel et Pierre et Marie Curie découvrent que certains éléments émettent des rayonnements
étranges. C'est la radioactivité. Ces rayonnements sont ensuite étudiés par plusieurs grands physiciens, dont l’Anglais Rutherford et le
Français Villard qui ont su montrer en 1899 et 1900 qu'il y a trois types de rayonnements, soit a, ß et γ.
2.1.1. Rappeler ce qu’est une particule α (donner notamment ses nombre de masse et numéro atomique)
2.1.2. Même question pour la particule β
2.1.3. Même question pour la particule γ
2.2. L’expérience de Bohr
Depuis la fin du XIXème siècle les physiciens s’accordent sur le principe de conservation de l’énergie.
Le Danois Niels Bohr étudie la désintégration du bismuth 210
qui conduit au polonium 210.
2.2.1. Ecrire la désintégration du Bismuth 210.
2.2.2. De quel type de radioactivité s’agit-il ?
2.2.2. Calculer l’énergie libérée par cette désintégration.
L’étude de la désintégration montre que l’atome de polonium
produit est au repos.
2.2.3. En appliquant le principe de la conservation de l’énergie,
quelle valeur de l’énergie cinétique attend-on pour chaque
électron émis ?
Voila ci-contre le spectre d’énergie cinétique des électrons
émis lors de désintégrations  du noyau radioactif de bismuth
210. La quantité N(E), reportée sur l’axe des ordonnées, à un
facteur multiplicatif près, est le nombre d’électrons ayant
l’énergie cinétique E.
2.2.4. En utilisant les résultats de la question 2.2.3, tracer
l’aspect qu’aurait du avoir le spectre cinétique des électrons émis
energy (105 eV)
2.2.5. A l’aide des réponses précédentes ; commenter la phrase
suivante :
Par application du principe de conservation de l’énergie, la particule du rayonnement bêta devrait avoir une énergie bien fixée ! Or
ce n’est pas le cas : l’expérience montre que la particule β possède un spectre en énergie continu, donc on aurait un accroc à la loi de
la conservation de l’énergie !
Suite à cette expérience, Niels Bohr envisage d’ailleurs d’abandonner le principe de conservation de l’énergie.
2.3.1. Expliquer le plus clairement possible quelle est l’hypothèse émise par Pauli.
2.3.2. En quoi cette hypothèse préserve le principe fondamental de conservation de l’énergie.
2.3.3. Quelles caractéristiques Pauli propose pour sa nouvelle particule ?
2.3.4. Quel est le principal écueil à son hypothèse ?
2.4. Chadwick, Fermi et Perrin
En février 1932 le Britannique James Chadwick découvre le neutron de charge nulle et de masse proche de celle du proton. Ce
n’est pas la particule prédite par Pauli
En 1933, après le congrès de Solvay (Belgique) en octobre qui a été consacré à la découverte de Chadwick, l’Italien Enrico Fermi
qui a toujours cru à l’idée de Pauli propose une théorie plus générale qui prend en compte la particule de Pauli : la théorie de
l’interaction faible. Il propose le nom de neutrino (petit neutron en italien) et élabore la théorie de la désintégration β – basée sur
l'hypothèse qu'un couple électron-neutrino est créé par le noyau au moment de la désintégration (de la même façon qu'un photon l'est
par un atome lors d'une désexcitation).
En 1933, toujours, le Français Perrin montre que « la masse du neutrino doit être nulle - ou tout au moins petite par rapport à la
masse de l'électron ».
Le neutrino reste cependant une particule hypothétique car il n’a jamais été mis en évidence expérimentalement …
2.4.1. Pourquoi le neutron découvert par Chadwick n’est-il pas la particule imaginée par Pauli ?
2.4.2. Pourquoi Fermi propose le nom de neutrino
2.4.3. Pourquoi les caractéristiques proposées par Perrin rendent la détection des neutrinos difficile ?
2.5. Reines et Cowan
Pour pouvoir avoir une chance de détecter les neutrinos, il vaut mieux être proche d’une source qui en émette ! C’est l’idée que les
Américains Reynes et Cowan vont essayer d’appliquer.
Si leur première idée est de se placer près d’une explosion de bombe atomique (mais c’est dangereux !), finalement ils installent
leur détecteur auprès d’un réacteur nucléaire. Les essais réalisés en 1953 ne sont pas convaincants ; les mesures sont reprises en
1956 sur un autre réacteur, à Savannah River (Géorgie). La "cible" est constituée de deux cuves d’environ 200 litres chacune
contenant d’un mélange d’eau et de chlorure de cadmium (40 kg) y sont ajoutés environ 110 "capteurs". L’ensemble est installé à 11 m
du réacteur et 12 m sous terre ! Cette fois les deux chercheurs mettent en évidence le signal d’un neutrino (d’un anti-neutrino en fait !).
Près de 30 ans après avoir été imaginée, la particule de Pauli est enfin mise en évidence.
De 1957 à 1962, un autre neutrino va être découvert par les chinois Lee et Yang et en 1977 l’américain Perl découvre le troisième
neutrino
Données :
Bismuth Bi : Z = 83
Polonium Po : Z = 84
m Bi210 = 209,9841204u ,
210
m Po
= 209,982873u
et 1u = 931,49MeV /c 2 .