How big is Noyau d'hélium?

Un noyau d'hélium est le centre d'un atome d'hélium, composé de deux protons et deux neutrons. Il mesure environ 3,4 femtomètres de diamètre, une valeur obtenue en doublant son rayon de charge, le rayon moyen de sa charge électrique. Un femtomètre vaut un millionième de milliardième de mètre (10⁻¹⁵ mètre). Un noyau d'hélium est aussi appelé particule alpha.

Taille

Un noyau n'a pas de bord net, si bien que sa taille est donnée sous forme de rayon de charge. Pour le noyau d'hélium, la valeur recommandée par l'Institut national des normes et de la technologie des États-Unis (NIST) est de 1,6785 femtomètre. Cela lui donne un diamètre de 3,36 femtomètres.

La mesure la plus précise a utilisé des noyaux d'hélium entourés d'un seul muon, au lieu de deux électrons. Un muon est une particule semblable à un électron, mais il est environ 200 fois plus lourd. Le résultat, signalé en 2021 par une équipe travaillant à l'Institut Paul Scherrer, en Suisse, était de 1,67824 femtomètre. Il concorde avec les expériences antérieures qui envoyaient des électrons sur des noyaux d'hélium, et il est 4,8 fois plus précis.

Le noyau d'hélium est étonnamment compact. Il est même plus petit que le noyau du deutérium, une forme lourde de l'hydrogène, qui ne contient qu'un proton et qu'un neutron.

Comparaisons de taille

Un noyau d'hélium est environ deux fois plus large qu'un seul proton, large d'environ 1,7 femtomètre, et il a environ quatre fois sa masse.
Un noyau d'uranium contient environ 60 fois plus de protons et de neutrons qu'un noyau d'hélium, mais il n'est qu'environ 3,5 fois plus large.
Si un noyau d'hélium était agrandi à la taille d'un ballon de basket, un atome d'hydrogène à la même échelle mesurerait environ 7,6 kilomètres de diamètre.
Environ 30 milliards de noyaux d'hélium alignés côte à côte couvriraient la largeur d'un cheveu humain, soit environ 0,1 millimètre.

Les particules alpha

De nombreux atomes radioactifs lourds, dont les trois types d'uranium présents dans la nature, se désintègrent en émettant un noyau d'hélium. On appelle cela la désintégration alpha. L'hélium est trop léger pour que la gravité terrestre le retienne dans l'atmosphère sur des milliards d'années. L'hélium présent dans l'air provient presque entièrement de désintégrations alpha survenant à l'intérieur de la Terre solide.

Les particules alpha ont été l'un des premiers outils de la physique nucléaire. En 1919, Ernest Rutherford les a envoyées sur de l'azote et a extrait des protons de ses noyaux. En 1930, des particules alpha envoyées sur du béryllium, un métal, ont déclenché un rayonnement pénétrant, dont James Chadwick a montré en 1932 qu'il était constitué de neutrons.

Nommé d'après le Soleil

L'hélium a été découvert dans le Soleil avant de l'être sur Terre. En 1868, l'astronome français Pierre Janssen le détecta dans la lumière du Soleil pendant une éclipse solaire. L'astronome anglais Joseph Norman Lockyer le découvrit indépendamment et le nomma d'après le mot grec désignant le Soleil, « helios ». En 1895, le chimiste écossais William Ramsay trouva de l'hélium sur Terre, dans un minéral d'uranium appelé clévéite.