En 1938-1939, il a reçu une bourse Procter à l’Université de Princeton pour un travail postdoctoral, date à laquelle il a commencé une étude de la photoconductivité dans les cristaux de willémite. Ces travaux ont conduit à la découverte, avec R. Herman, des courants d’obscurité d’échauffement qui ont démontré l’existence d’états de piégeage dans les cristaux. En 1939, Hofstadter a reçu la bourse Harrison à l’Université de Pennsylvanie où il a aidé à construire une grande machine Van de Graaff pour la recherche nucléaire. En Pennsylvanie, il a rencontré pour la première fois LI Schiff, qui est un ami et un collègue depuis de nombreuses années.
Pendant les années de guerre, Hofstadter a d’abord travaillé au National Bureau of Standards, puis à la Norden Laboratory Corporation. Il quitte l’industrie à la fin de la guerre pour devenir professeur adjoint de physique à l’université de Princeton. À Princeton, il a mené des recherches sur les compteurs à conduction à cristal, sur l’effet Compton et sur les compteurs à scintillation. En 1948, il découvre que l’iodure de sodium, activé par le thallium, constitue un excellent compteur à scintillation. En 1950, avec JA McIntyre, il a découvert que des cristaux bien formés de ce matériau fournissaient des dispositifs de mesure d’énergie remarquables pour les rayons gamma et les particules énergétiques et pouvaient donc être utilisés comme spectromètres en plus des compteurs de rayons gamma et de particules à haut rendement. En 1950, Hofstadter quitte Princeton pour devenir professeur associé de physique à l’université de Stanford où il lance un programme sur la diffusion des électrons énergétiques de l’accélérateur linéaire, inventé par WW Hansen, alors en construction. Tout en construisant des équipements pour les expériences de diffusion d’électrons, il a continué à travailler sur des compteurs à scintillation et a développé de nouveaux détecteurs pour les neutrons et les rayons X. Des compteurs inorganiques (CsF) et Cerenkov (TlCl) à grande vitesse ont été découverts à Stanford. D’autres études menées dans les premières années à Stanford portaient sur les rayons cosmiques et les gerbes en cascade générées par des électrons à grande vitesse.
Après 1953, les mesures de diffusion d’électrons sont devenues le principal intérêt de Hofstadter. Avec des étudiants et des collègues, il a étudié la distribution de charge dans les noyaux atomiques, puis les distributions de charge et de moment magnétique dans le proton et le neutron. La méthode de diffusion d’électrons a été utilisée pour trouver les paramètres de taille et d’épaisseur de surface des noyaux. Bon nombre des principaux résultats sur le proton et le neutron ont été obtenus dans les années 1954-1957. Depuis 1957, le programme de recherche a mis l’accent sur l’étude plus précise des facteurs de forme des nucléons. Ce travail est toujours en cours.
Hofstadter a été élu à l’Académie nationale des sciences (États-Unis) en 1958 et a été nommé scientifique californien de l’année en 1959. Il a également été boursier Guggenheim (1958 – 1959) et a passé un an au CERN à Genève, en Suisse, en congé sabbatique. Pars. En 1942, il épousa Nancy Givan de Baltimore, Maryland, et ils ont un fils, Douglas, et deux filles, Laura et Mary.
Robert Hofstadter – Profil de recherche
Né le 5 février 1915 à New York, Robert Hofstadter était un physicien lauréat du prix Nobel qui a exposé la structure du noyau atomique et de ses particules constitutives. Professeur à Stanford à partir de 1950, Hofstadter y a enseigné jusqu’en 1985. À l’aide d’un accélérateur linéaire d’électrons, Hofstadter a sondé les noyaux atomiques et mesuré la taille et la structure des protons et des neutrons composants. En 1961, il partage le prix Nobel de physique avec Rudolf Mössbauer « pour ses études pionnières sur la diffusion des électrons dans les noyaux atomiques et pour ses découvertes ainsi réalisées concernant la structure des nucléons ». Vers la fin de sa carrière, Hofstadter a contribué au développement du Compton Gamma Ray Observatory. Il est décédé en 1990 à l’âge de 75 ans.
Prix Nobel de Physique 1961 avec Rudolf Mössbauer « pour ses études pionnières sur la diffusion d’électrons dans les noyaux atomiques et pour ses découvertes ainsi réalisées concernant la structure des nucléons ».
Entre 1909 et 1911, Ernest Rutherford et ses collaborateurs Hans Geiger et Ernst Marsden à Manchester ont bombardé des feuilles métalliques très minces avec des particules alpha afin de mesurer le motif des particules diffusées, ce qui devait fournir des informations sur la répartition de la charge dans l’atome. Selon le modèle de l’atome de JJ Thomson, dans lequel des milliers de minuscules corpuscules chargés négativement grouillaient à l’intérieur d’un nuage de charge positive sans masse, de nombreuses particules alpha traverseraient la cible pratiquement sans être affectées ou seraient déviées par, tout au plus, quelques degrés par des rencontres avec les électrons chargés négativement. Cependant, l’équipe de Manchester a découvert qu’un nombre étonnamment élevé de particules alpha bombardant une feuille d’or étaient dispersées à travers de grands angles, bien supérieurs à 90 degrés. Rutherford,
Depuis lors, l’un des problèmes les plus fondamentaux de la physique a été d’étudier comment le noyau lui-même est constitué. Quelque 40 ans plus tard, à Stanford, Robert Hofstadter a réalisé des expériences de type Rutherford en diffusant des électrons de haute énergie à partir de cibles minces et en mesurant la distribution du nombre de ces électrons en fonction de l’angle. Il a montré que les noyaux ont une structure interne, s’étendant sur une distance petite mais mesurable, et a également fourni la première preuve de la taille finie du proton et du neutron, ouvrant la voie à de futures investigations sur la sous-structure des nucléons. Dans le prolongement direct du travail de pionnier de Hofstadter, qui a été récompensé par le prix Nobel de physique en 1961, des expériences ultérieures menées par ses anciens collaborateurs Jerome Friedman.
Apprendre à construire des détecteurs de cristaux
Robert Hofstadter est né à Manhattan le 5 février 1915. Il s’est spécialisé en physique et en mathématiques au City College de New York et a obtenu un B.S. diplôme, magna cum laude en 1935. Une bourse Coffin de la General Electric Company lui a permis de fréquenter l’Université de Princeton, où il a obtenu son doctorat. en 1938. Après avoir obtenu son doctorat, il poursuit ses recherches à Princeton sur la photoconductivité dans les cristaux, travaux qui suscitent son intérêt pour l’utilisation des cristaux comme détecteurs d’électrons et pour le problème général des compteurs à scintillation. En 1939, Hofstadter a reçu la bourse Harrison de l’Université de Pennsylvanie, où il a participé à la construction d’une grande machine Van de Graaff, une expérience qui a stimulé son intérêt pour la physique nucléaire. L’avènement de la Seconde Guerre mondiale interrompt sa carrière dans la recherche pure et il se lance dans des travaux scientifiques industriels répondant aux besoins militaires. Il acquit notamment de bonnes connaissances en physique du solide au General Electric Laboratory et entre 1942 et 1945 il continua à s’impliquer dans la recherche sur la guerre.
Hofstadter est revenu à la vie universitaire en 1946, devenant professeur adjoint de physique à Princeton. Ses recherches portent sur la mise au point de compteurs fabriqués à partir de cristaux très bien formés d’iodure de sodium dopés au thallium. Lorsque le cristal est frappé par une particule atomique énergétique ou par un photon, il émet un éclat de lumière dont l’intensité est proportionnelle à l’énergie de la particule ou du photon. En 1949, Hofstadter a montré comment les cristaux d’iodure de sodium activés au thallium pouvaient être utilisés comme détecteur efficace des rayons gamma et en 1950, avec Jack McIntyre, il a développé la technique de spectrométrie gamma monocristalline avec des cristaux de NaI (Tl), un nouveau puissante technique de détection et de spectroscopie. 
Jusqu’en 1949, le compteur Geiger était le détecteur de rayons gamma le plus couramment utilisé. En l’espace de quelques années, il a été remplacé par les détecteurs à iodure de sodium, et les efficacités de comptage ont été multipliées par 1000. Tout cela est devenu la base du spectromètre à scintillation, l’un des outils de mesure de base pour les études de rayonnement nucléaire, à partir de la production de masse de spectres gamma. Depuis lors, ce matériau a été largement utilisé comme spectromètre à rayons gamma dans toutes les branches de la physique nucléaire et des hautes énergies et de l’astrophysique, ainsi qu’en médecine, biologie, chimie, géologie et autres domaines. L’intérêt de longue date de Hofstadter pour le développement de grands détecteurs à cristal pour la mesure des rayons gamma à haute énergie est devenu déterminant pour l’étude des particules élémentaires et dans son activité ultérieure dans le domaine de l’astronomie spatiale des rayons gamma, en particulier lorsqu’il est devenu chercheur principal. dans un projet de la NASA pour le développement de l’Energetic Gamma-Ray Experiment Telescope (EGRET), un télescope à rayons gamma lancé en 1991, qui a fourni une vue sans précédent du ciel à rayons gamma et des données sur des sursauts de rayons gamma incroyablement énergétiques.
Sonder le noyau
En 1950, Hofstadter quitta Princeton pour devenir professeur agrégé de physique à l’Université de Stanford, où un accélérateur linéaire à haute énergie capable d’accélérer les électrons à des énergies de 100 à 500 millions d’électron-volts devait bientôt être mis à disposition. Depuis 1947, un accélérateur linéaire appelé Mark I avait été construit à Stanford. C’était un tube d’environ un mètre de long et 3 1/2 pouces de diamètre. Son successeur, le Mark II, achevé en 1949, mesurait 4,2 mètres de long. À l’arrivée de Hofstadter, Mark III était en cours de construction. Il a commencé comme une machine de 9,1 mètres, qui en 1953 était passée à 64 mètres, accélérant les électrons à une énergie de 400 millions d’électron-volts.
En quittant Princeton, Hofstadter n’avait qu’une vague idée des recherches qu’il pourrait faire à Stanford. En cours de route, il a rendu visite à Eugene Feenberg à Saint-Louis et à cette occasion, il a discuté avec lui du travail qu’il prévoyait de faire en utilisant des cristaux de NaI(Tl) pour la détection d’électrons à haute énergie et de rayons gamma, et pour des études de rayonnement électromagnétique douches. Feenberg, bien connu pour ses contributions à la mécanique quantique et à la physique nucléaire, aurait fait remarquer : « Pourquoi ne pas faire de la diffraction des électrons (sur les noyaux) comme les travaux antérieurs sur les atomes ? La suggestion de Feenberg de faire des expériences de diffusion a immédiatement suscité l’intérêt de Hofstadter, et au moment où il est arrivé à Stanford, il avait décidé de construire l’équipement dont il aurait besoin pour étudier la structure du noyau à l’aide d’électrons à haute énergie. 
Cependant, il s’est rendu compte que pour détecter les particules individuelles dans de courtes rafales d’électrons arrivant en même temps, il avait besoin d’un outil pour séparer les particules diffusées de manière élastique de celles qui étaient diffusées de manière inélastique, et pour mesurer leur angle de diffusion. Il a continué à améliorer ses compteurs à scintillation tout en développant de nouveaux détecteurs de neutrons et de rayons X, et quelques années après son arrivée à Stanford, il avait conçu et développé un gros aimant pour un grand spectromètre magnétique avec lequel il s’est lancé dans un programme systématique étudier la diffusion élastique et inélastique des électrons de haute énergie par les noyaux atomiques.
Traditionnellement, les physiciens ont utilisé deux méthodes pour étudier la structure des atomes et des noyaux : la diffusion et l’absorption des particules de bombardement de ces systèmes et l’émission de rayonnement ou de particules matérielles de ces systèmes. La plupart de nos connaissances sur la structure électronique externe, et donc sur les niveaux d’énergie de l’atome, proviennent d’une analyse des raies spectrales émises par les électrons qui peuvent être facilement excités à des niveaux plus élevés dans les flammes ordinaires, les tubes à décharge et les étincelles. D’autre part, la connaissance de la structure et du comportement des noyaux atomiques est venue des études des réactions radioactives et nucléaires. L’étude de la désintégration radioactive est inestimable et a également de nombreuses applications pratiques, mais elle est limitée car la désintégration radioactive est essentiellement immuable et ne nous donne aucun contrôle sur nos paramètres clés. Les réactions nucléaires, au contraire, permettent une grande variation. Essentiellement, presque tous les types d’événements que nous pouvons imaginé se produiront réellement dans les réactions nucléaires : diffusion élastique et inélastique, transfert, fusion, fission, etc. ces processus prédominent. Les physiciens connaissent la technique de diffusion depuis près d’un demi-siècle, depuis les expériences sur les particules alpha d’Ernest Rutherford et de ses collaborateurs à Manchester.
En 1909, lorsque Rutherford suggéra à son assistant de premier cycle Ernest Marsden, qui travaillait sous Hans Geiger, d’étudier la diffusion des particules alpha aux grands angles, il ne la considérait pas comme très probable, compte tenu des vues alors actuelles sur la structure atomique. Selon le modèle de l’atome du « raisin pudding » de Thomson, une charge positive était uniformément répartie dans une sphère, avec des électrons chargés négativement saupoudrés dedans, de sorte que toutes les particules alpha auraient dû traverser directement la cible ou se trouver dans une petite fraction de degré du faisceau. Cependant, dans le cas de l’or, ils ont été étonnés de constater que les particules alpha se dispersaient parfois à des angles supérieurs à 90 degrés (environ 1 sur 8000). Rutherford a déclaré que l’observation de déviations aussi énormes était l’événement le plus incroyable qui lui soit jamais arrivé dans sa vie : « C’était presque aussi incroyable que si vous aviez tiré un obus de 15 pouces sur un morceau de papier de soie et qu’il revenait et te frapper. » Sur la base de la preuve d’un si petit pourcentage de particules diffusées à grand angle, Rutherford a déduit que toute la charge positive d’un atome est concentrée dans une petite région chargée positivement, le noyau, qui a fortement repoussé les particules alpha chargées positivement entrantes. La petite taille du noyau expliquait en fait le petit nombre de particules alpha qui étaient ainsi repoussées. Il a dérivé une formule de diffusion modélisant l’interaction entre les particules alpha des noyaux (considérant les deux comme des charges ponctuelles) à partir de la force de Coulomb classique (c’est-à-dire la force électrostatique entre les particules chargées) et l’a traitée comme une orbite. En avril 1911, Rutherford a théorisé que « l’atome est constitué d’une charge centrale supposée concentrée en un point, et que le grand passage à travers les grandes déflexions simples des particules alpha et bêta est principalement dû à leur passage à travers le champ central fort ».Au cours de la période 1911-1913, dans un appareil de table, Geiger et Marsden ont continué à bombarder les feuilles métalliques avec des particules alpha à haute énergie et ont observé le nombre de particules alpha diffusées en fonction de l’angle. La diffusion à grand angle correspondait à l’approche plus proche du noyau. Cela signifiait que la taille du noyau pouvait être calculée en trouvant l’angle maximal pour lequel la formule de diffusion carrée inverse fonctionnait et en trouvant à quelle distance du centre du noyau un tel alpha se trouvait. Rutherford a estimé que le rayon du noyau d’aluminium était inférieur à environ 10^-13 cm, soit 10^5 fois plus petit qu’un rayon atomique. Les expériences de diffusion alpha de Rutherford, qui ont réfuté le modèle de pudding de l’atome de Thomson, ont été les premières expériences dans lesquelles des particules individuelles ont été systématiquement dispersées et détectées. C’est désormais le mode opératoire standard de la physique des particules. Le modèle nucléaire de l’atome est né et très vite adopté par Niels Bohr sur une base théorique quantique, lançant une nouvelle génération d’études sur l’atome.
La connaissance de la structure du noyau est venue presque entièrement d’expériences de diffusion ultérieures, puisque le noyau est une petite structure très étroitement liée qui ne peut pas être facilement excitée, comme les électrons dans les coquilles externes de l’atome. Cependant, l’utilisation de particules alpha pour obtenir une image détaillée de la structure du noyau lui-même, c’est-à-dire de la distribution de la charge électrique et des moments magnétiques, n’est pas réalisable, en raison de la grande répulsion coulombienne subie par une particule alpha lorsqu’elle s’approche du noyau. De plus, seule une petite gamme d’énergies de particules alpha est disponible à partir de sources naturelles. Avec le développement des premiers accélérateurs de particules, des protons à grande vitesse sont devenus disponibles. La diffusion de ces particules à partir de noyaux légers a révélé de nombreuses caractéristiques des forces nucléaires et de la structure nucléaire. Entre-temps, avec la découverte du neutron, une nouvelle ère s’est ouverte dans la théorie nucléaire. Entre les mains de physiciens comme Fermi, le neutron est également devenu un puissant outil d’analyse. Les principales informations concernant les détails géométriques de la structure nucléaire ont été tirées d’expériences sur les libérations d’énergie comparatives dans les noyaux miroirs, sur les sections efficaces de capture (et totale) de neutrons rapides, sur les énergies de liaison et, dans le cas des éléments les plus lourds, sur les énergies et demi-vies des activités alpha. Toutes les approches ont conduit à la même gamme générale de valeurs des rayons nucléaires pour une sphère uniformément chargée, qui a été prise universellement comme le modèle approprié du noyau. Les résultats peuvent être résumés dans une formule bien connue pour le rayon d’une sphère uniforme R=r0A^1/3 m, où A est le nombre de masse du noyau et r0 est une constante ayant la valeur d’environ 1 fermi, que est 10^-15 m, l’unité naturelle à l’échelle nucléaire. Ce modèle donne une densité de masse uniforme à tous les noyaux et une densité de charge variable, proportionnelle à la charge nucléaire et variant inversement avec le nombre de masse. Plus tard, la valeur de r0 ne se traduit plus par une constante, comme dans ces anciens modèles, mais par une variable, toujours de l’ordre de 1 fermi.
Mais pourquoi ne pas utiliser les électrons pour sonder les noyaux ? Il peut sembler que l’électron est la particule naturelle car il est chargé négativement et n’est donc pas repoussé électriquement par les noyaux. Ce serait le cas si l’électron était une particule classique. La longueur d’onde de Broglie d’une particule lambda=h/mv (étant m la masse relativiste de la particule) varie en sens inverse du produit de sa masse et de sa vitesse. En raison de la petite masse de l’électron, sa longueur d’onde de Broglie à des vitesses ordinaires est beaucoup plus grande que le diamètre d’un noyau, et en un sens, il ne « voit » pas plus les détails fins du noyau que nous ne pouvons voir les détails fins du noyau détails d’une molécule avec des ondes radio, dont la longueur d’onde est supérieure à 1 millimètre.
Les électrons pourraient ainsi être utilisés comme sondes nucléaires si leur vitesse était augmentée afin que leurs longueurs d’onde de Broglie soient réduites en dessous des diamètres des noyaux, soit quelques dix-milliardièmes de centimètre. Cela signifie qu’ils doivent avoir des énergies comprises entre 200 et 500 MeV. Après que des électrons d’énergie plus élevée soient devenus disponibles à partir d’accélérateurs, l’intérêt pour leur utilisation en tant que sondes du noyau s’est accru. Les avantages de la diffusion d’électrons sont dus au fait que l’électron est une particule ponctuelle et sonde les noyaux grâce à l’interaction électromagnétique bien comprise. Étant donné que le processus de diffusion d’électrons d’un noyau est bien décrit par l’électrodynamique quantique, l’extraction d’informations sur la structure interne à partir de données expérimentales est simple et précise. De plus, l’interaction électromagnétique est suffisamment faible pour que l’électron sonde tout le volume d’un noyau cible sans distorsion grave. Les premières expériences de diffusion d’électrons ont été menées à l’Université de l’Illinois en 1951 à une énergie d’électrons incidents d’environ 15,7 MeV, cependant, peu de détails de forme ou de taille nucléaire ont pu être discernés parce que l’énergie des électrons était relativement faible et le correspondant de La longueur d’onde de Broglie des électrons était plus grande qu’une taille typique du noyau.
C’est à partir de là que les études de Hofstadter ont commencé en 1953, lorsqu’il s’est lancé dans un vaste programme d’étude de la diffusion élastique et inélastique des électrons de haute énergie par les noyaux à l’aide de l’accélérateur linéaire d’électrons Mark III au Laboratoire de physique des hautes énergies (HEPL) à Stanford. , qui a été construit par étapes et a finalement atteint l’énergie maximale de sa valeur de conception de 1 GeV. Rutherford et Chadwick avaient découvert les constituants du noyau en expulsant des protons et des neutrons des noyaux. Les expériences prévues par Hofstadter étaient conceptuellement différentes : l’idée était de faire briller un faisceau d’électrons dans un noyau, afin d’en révéler le contenu par la diffusion du faisceau.
Les particules alpha de Rutherford n’avaient pas pu s’approcher suffisamment du noyau pour mesurer sa taille. Les électrons de Hofstadter étaient plus de cinquante fois plus énergétiques que les particules alpha. En 1953, la mise en service de la première moitié du nouveau linac Mark III a fourni un faisceau d’électrons externe d’une intensité sans précédent à des énergies allant jusqu’à 225 MeV. En complément de cette avancée dans la technologie des accélérateurs, Hofstadter et ses collaborateurs ont construit une installation de diffusion quasi permanente basée sur un spectromètre magnétique à 180° (rayon de courbure = 18 pouces). Le spectromètre pourrait être tourné autour de la cible pour mesurer différents angles de diffusion. L’excitation de l’aimant pourrait être variée pour changer l’énergie des électrons détectés.
Les premières expériences ont été réalisées avec des électrons de 116 MeV. Cela a été rapidement augmenté à 180 MeV et des électrons de 550 MeV étaient disponibles en 1956. Ils avaient assez d’énergie pour pénétrer dans le noyau. Lorsqu’un électron pénètre dans un noyau, des forces électriques et magnétiques le dévient de sa trajectoire d’origine, une déviation qui dépend de la vitesse initiale et de la structure du noyau. La diffusion élastique, comme dans une collision avec une boule de billard, est un processus dans lequel aucune énergie n’est perdue (vers d’autres processus) et l’énergie cinétique de l’électron est partagée entre lui-même et le noyau cible après la collision. La quantité de mouvement est bien sûr toujours conservée, mais leur direction de propagation est modifiée par l’interaction avec le noyau. Ces recherches sont de nature expérimentale et théorique. Si les électrons diffusés sont séparés en groupes en fonction de la vitesse, les lois de la mécanique quantique de la diffusion peuvent être utilisées pour analyser la structure du noyau. Les distributions angulaires des électrons de haute énergie diffusés élastiquement à partir des noyaux atomiques ont été obtenues en employant la sélection d’impulsion étroite permise par l’utilisation du spectromètre magnétique, qui est un instrument qui trie les électrons en fonction de leur énergie et de leur angle de déviation par rapport à leur chemin d’origine.
Comme l’électron est une particule fondamentale (il peut donc être considéré comme un point sans aucune structure), les effets de toute taille ne sont pas là pour compliquer les résultats et seule la cible est observée. Si un noyau n’était qu’une charge ponctuelle, les calculs basés sur la théorie de Dirac et l’électrodynamique quantique conduisent à une expression assez simple de la section efficace de diffusion. Il s’agit de la zone cible autour du noyau que l’électron doit atteindre pour être dévié d’un certain angle par rapport à sa direction de mouvement d’origine. Mais le noyau n’est pas une charge ponctuelle et sa taille finie doit être prise en compte dans l’analyse de la diffusion électronique. Dans le cas de la diffusion élastique à partir d’une distribution de charge fixe, cela se fait simplement en multipliant la section efficace de diffusion pour une charge ponctuelle par ce que l’on appelle le facteur de forme, un facteur de structure qui dépend de la taille du noyau et de la distribution de charge à l’intérieur. . Il tient compte des interférences entre ondelettes diffusées issues de différentes parties d’un même noyau, fini, et est donc responsable des effets de diffraction observés dans la distribution angulaire. Étant donné que le facteur de forme ne dépend que de la quantité d’impulsion transférée par l’électron diffusé au noyau, qui est toujours inférieure à un, l’effet de la taille finie du noyau est de réduire la section efficace de diffusion en dessous de sa valeur pour une charge ponctuelle.
Toute notre ignorance est subsumée dans le facteur de forme, qui contient une fonction de densité de charge électrique, en fonction de la distance du centre du noyau. En utilisant une large gamme d’énergies électroniques, une comparaison peut être faite entre la section efficace de diffusion observée et la section efficace théorique pour une charge ponctuelle. La différence donne le facteur de forme pour une valeur particulière du transfert de quantité de mouvement. Une inversion mathématique de l’équation du facteur de forme permet ainsi de déduire la forme de la fonction de densité de charge, une fois le facteur de forme connu sur une plage suffisamment large de valeurs des transferts d’impulsion. Un dispositif mathématique simple peut être utilisé pour calculer la distribution de charge à l’intérieur du noyau.
Les premières expériences réalisées par l’équipe de recherche dirigée par Hofstadter ont mesuré la distribution angulaire d’électrons de 116 MeV subissant une diffusion élastique sur du béryllium tantale et du plomb. Les données n’ont pas révélé une image précise de la distribution de charge dans les noyaux, mais ont suggéré une surface lisse, la densité de charge tombant progressivement d’une densité constante à l’intérieur à une densité évanescente à l’extérieur. Une image plus précise de la densité de charge a été obtenue en 1954, lorsque le faisceau d’électrons à Stanford a atteint une énergie de 186 MeV.
De plus, si les noyaux atomiques étaient infiniment petits, Hofstadter aurait dû voir la même distribution angulaire des particules diffusées que Rutherford. Lorsqu’il a comparé ses mesures à la prédiction théorique, il a constaté que moins d’électrons étaient diffusés aux grands angles. Certains des électrons traversaient les noyaux atomiques. Cela signifiait que le noyau n’était pas un point infiniment petit, mais plutôt une « boule floue ».
En 1956, Hofstadter a résumé les résultats de ses mesures. Bien qu’il ait constaté que la densité moyenne de tous les noyaux est approximativement la même que prévu ; le rayon de plusieurs noyaux avait été mesuré ainsi que « l’épaisseur de la surface nucléaire », qui selon Hofstadter est la distance sur laquelle la densité de charge passe de 90 % à 10 % de sa valeur centrale. Il a découvert que dans tous les noyaux, il s’agit d’environ 1 fermi, soit 10^-15 m. Cela a montré que les électrons voient le noyau comme un objet avec une surface diffuse d’environ 1 fm d’épaisseur. Ces mesures de précision ont également confirmé que le volume du noyau est proportionnel au nombre total de nucléons, ce qui signifie que ces particules ne sont pas plus serrées dans les noyaux gros et lourds qu’elles ne le sont dans les noyaux petits et légers. La densité nucléaire relativement uniforme s’est avérée être de 150 millions de kilogrammes par mètre cube, tandis que l’eau, par exemple, a une densité de 1000 kg par mètre cube.
Robert Hofstadter (1915-1990)
Scientifique américain Co-récipiendaire du prix Nobel de physique en 1961 pour ses recherches au cours desquelles il a mesuré la taille du neutron et du proton dans le noyau des atomes. Il a révélé la structure jusqu’alors inconnue de ces particules et a aidé à créer un ordre d’identification pour les particules subatomiques. Il a également prédit correctement l’existence du méson oméga et du méson rho. Il a également étudié la fission nucléaire contrôlée. Hofstadter a été l’un des moteurs de la création de l’accélérateur linéaire de Stanford. Il a également apporté des contributions substantielles à la spectroscopie des rayons gamma, conduisant à l’utilisation de traceurs radioactifs pour localiser les tumeurs et autres troubles. (Il a partagé le prix avec Rudolf Ludwig Mössbauer d’Allemagne.)
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1961/hofstadter/biographical/
https://mediatheque.lindau-nobel.org/laureates/hofstadter/research-profile
https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/pt.5.031148/full/
https://nationalmedals.org/laureate/robert-hofstadter/