Ernest Rutherford
(
a
Brightwater
,
Nouvelle-Zelande
-
a
Cambridge
,
Angleterre
) est un
physicien
et
chimiste
neo-zelandais
, considere comme le pere de la
physique nucleaire
. Il decouvre les
rayonnements alpha
, les
rayonnements beta
; il decouvre aussi que la
radioactivite
s'accompagne d'une desintegration des
elements chimiques
, ce qui lui vaut le
prix Nobel de chimie
en 1908
[
2
]
. C'est encore lui qui met en evidence l'existence d'un
noyau atomique
dans lequel sont reunies toute la
charge
positive et presque toute la
masse
de l'
atome
.
Si, pendant la premiere partie de sa vie, il se consacre exclusivement a la recherche, il passe la seconde a enseigner et a diriger le
laboratoire Cavendish
a
Cambridge
, ou est decouvert le
neutron
et ou les physiciens
Niels Bohr
et
Robert Oppenheimer
sont venus se former. Son influence dans ce domaine de la physique qu'il a decouvert est donc particulierement importante.
Il interprete en 1911 la vision du
modele de Thomson
ainsi que son experience de la feuille d'or, ce qui le conduit a proposer son propre modele.
Ernest Rutherford est le quatrieme des douze enfants de James et Martha Rutherford
[
3
]
. Son pere etait fermier, mais aussi mecanicien,
ingenieur
, voire
meunier
, tandis que sa mere, avant leur mariage, etait institutrice
[
4
]
. Tous deux tenaient a ce que leurs enfants recoivent une bonne education et puissent poursuivre des etudes.
Ernest se distingue tres tot par sa curiosite et ses dons pour l'
arithmetique
, encourage en cela par ses parents et par son instituteur. Brillant eleve, il entre au Nelson College. Il est egalement doue pour le
rugby a XV
[
4
]
et tres populaire dans son ecole. Au bout de sa troisieme annee au college, il termine premier dans toutes les matieres, ce qui lui permet d'entrer a l'universite au
Canterbury College
tout en continuant a pratiquer le rugby et en frequentant plusieurs clubs scientifiques et intellectuels.
Des cette epoque, le genie de Rutherford pour l'experimentation commence a se manifester. Ses premieres recherches montrent que le
fer
peut etre
magnetise par les hautes frequences
, ce qui constitue en soi une decouverte. Le
detecteur magnetique de reception
des
ondes radios
est annonce au public le
, par l'intermediaire du
Proceedings of the Royal Society
. Ses excellents resultats scolaires lui permettent de poursuivre ses etudes et ses recherches pendant cinq ans dans cette universite, qui lui avait attribue la seule bourse de
Nouvelle-Zelande
pour etudier les mathematiques. Il finance sa derniere annee en donnant des cours.
Il obtient le titre de
maitrise des arts
, avec une double premiere classe en mathematiques et en physique. En
1894
, il obtient le titre de
baccalaureat es sciences
, ce qui lui permet de poursuivre ses etudes en Angleterre, au
laboratoire Cavendish
a
Cambridge
, sous la direction du decouvreur de l'
electron
,
Joseph John Thomson
a partir de
1895
[
4
]
. Il est le premier etudiant venant d'outre-mer a le faire
[
4
]
. Avant de quitter la Nouvelle-Zelande, il se fiance avec Mary Newton, une jeune fille de
Christchurch
qu'il epousera en 1900
[
4
]
.
Il poursuit ses travaux sur les ondes hertziennes et sur leur reception a grande distance. Il fait devant la Cambridge Physical Society un expose remarquable, qui ? fait rare pour un si jeune chercheur ? est publie dans les
Philosophical Transactions
de la
Royal Society
de Londres, ce qui lui procure une grande fierte.
En decembre 1895, il se met a etudier avec Thomson l'effet des
rayons X
sur un gaz. Ils decouvrent que les rayons X ont la propriete d'ioniser l'
air
en produisant de grandes quantites de particules chargees, autant positives que negatives, et que ces particules peuvent se recombiner pour donner des atomes neutres. De son cote, Rutherford invente une technique pour mesurer la vitesse des
ions
, et leur taux de recombinaison. Ce sont ces travaux qui l'orientent definitivement dans la voie qui le rendra celebre.
En 1898, a l'age de 26 ans, apres trois ans passes a
Cambridge
, on lui propose une
chaire
de
physique
a l'
Universite McGill
de
Montreal
, qu'il s'empresse d'accepter, voyant la l'occasion de faire venir aupres de lui celle qui l'attendait en
Nouvelle-Zelande
. Il arrive a Montreal un peu plus tard, age de 27 ans
[
5
]
.
Becquerel
decouvre a cette epoque (1896) que l'
uranium
emet un rayonnement inconnu, le ≪ rayonnement uranique ≫.
Rutherford publie en 1899 un papier essentiel, ou il etudie la facon dont ces rayonnements ionisent l'air en placant de l'uranium entre deux plaques chargees et en mesurant le courant qui passait. Il etudie ainsi le pouvoir de penetration des rayonnements, en couvrant ses echantillons d'uranium avec des feuilles metalliques d'epaisseurs differentes.
Il remarque que l'ionisation commence par diminuer tres rapidement avec l'augmentation de l'epaisseur des feuilles, puis, au-dela d'un certain seuil, diminue tres doucement.
Il en deduit que l'uranium emet deux radiations differentes, parce qu'ayant des pouvoirs de penetration differents. Il nomme la radiation la moins penetrante le
rayonnement alpha
, et la radiation la plus penetrante (qui produit forcement une moindre ionisation puisqu'elle traverse l'air) le
rayonnement beta
.
En 1900, Rutherford epouse Mary Newton (1876-1945) ; de ce mariage nait en 1901 leur seule fille, Eileen.
A cette epoque, Rutherford etudie le
thorium
et constate, en utilisant le meme dispositif que pour l'uranium, que le fait d'ouvrir une porte dans le laboratoire perturbe nettement l'experience, comme si les mouvements de l'air dans l'experience pouvaient la perturber. Il en vient bientot a la conclusion que le thorium degage une emanation, elle aussi radio-active, puisqu'en aspirant l'air qui entoure le thorium, il s'apercoit que cet air laisse facilement passer le courant, meme a grande distance du thorium.
Il remarque aussi que les emanations du thorium ne restent radioactives qu'une dizaine de minutes et que ce sont des particules neutres. Leur radio-activite n'est perturbee par aucune reaction chimique, ni changement de conditions (temperature,
champ electrique
). Il trouve meme que la radioactivite de ces particules decroit exponentiellement, puisque le courant qui passe entre les electrodes fait de meme, et decouvre ainsi en 1900 la periode des elements radio-actifs.
Avec l'aide d'un chimiste de Montreal,
Frederick Soddy
, il arrive en 1902 a la conclusion que les emanations du thorium sont bien des atomes radioactifs, mais sans etre du thorium, et que la radio-activite s'accompagne donc d'une desintegration des elements.
Cette decouverte provoque une grande agitation parmi les chimistes, tres attaches au concept d'indestructibilite de la matiere. C'est sur ce concept qu'etait d'ailleurs batie une grande partie de la science de l'epoque. Cette decouverte est donc un veritable bouleversement ; mais la qualite des travaux de Rutherford ne pouvait laisser de doute.
Pierre Curie
lui-meme n'accepte cette idee que deux ans plus tard, alors qu'il avait deja constate avec
Marie Curie
que la radioactivite s'accompagnait d'une perte de masse des echantillons (il pensait que les atomes perdaient du poids sans changer de nature).
Les travaux de Rutherford sont reconnus en 1903 par la
Royal Society
, qui lui decerne la
Medaille Rumford
en 1904. Il resume le resultat de ses recherches dans un livre intitule
Radio-activite
(1904), ou il explique que la radioactivite n'est influencee ni par les conditions exterieures de pression et de temperature, ni par les reactions chimiques, et qu'elle produit un degagement de chaleur tres superieur a celui d'une reaction chimique. Il explique egalement que de nouveaux elements sont produits, ayant des caracteristiques chimiques differentes, tandis que les elements radioactifs disparaissent.
Avec Frederick Soddy, il estime que le degagement d'energie du aux desintegrations nucleaires est de
20 000
a
100 000
fois
plus important que celui qui resulterait d'une reaction chimique. Il emet egalement l'idee qu'une telle energie pourrait expliquer l'energie degagee par le Soleil. Avec Rutt, il estime que si la Terre conserve une temperature constante (en tous les cas pour ce qui est de son noyau), c'est sans doute du aux reactions de desintegration qui se produisent en son sein.
Cette idee d'une grande energie potentielle contenue dans les atomes trouve, un an plus tard, un debut de confirmation theorique avec la decouverte par
Einstein
de l'
equivalence masse-energie
. A la suite de ces travaux,
Otto Hahn
, futur decouvreur de la
fission nucleaire
(1938), vient etudier avec Rutherford a McGill pendant quelques mois.
Il commence des 1903 a se poser des questions sur la nature exacte des rayonnements alpha ; en leur faisant traverser des champs electriques et magnetiques, il en deduit leur vitesse, le signe (positif) de leur charge et le rapport entre leur charge et leur masse. C'est la voie qui le menera vers ses travaux les plus celebres.
Pendant son sejour a McGill, il publie environ 80 articles et invente de nombreux dispositifs sans rapport avec la physique nucleaire. En 1977, McGill nomme son pavillon Rutherford en son honneur
[
6
]
.
Manchester, 1907-1919 : le noyau atomique
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]
En 1907, il obtient un poste de professeur a l'
universite de Manchester
, ou il travaille avec
Hans Geiger
avec qui il invente un compteur permettant de detecter les
particules alpha
emises par les substances radioactives (ebauche du futur
compteur Geiger
), car en ionisant le gaz qui se trouve dans l'appareil, elles produisent une decharge detectable.
Ernest Rutherford en 1908.
En
1908
, avec un de ses etudiants,
Thomas Royds
, il prouve definitivement ce qu'on supposait, a savoir que les
particules alpha
sont bien des noyaux d'
helium
. Ou plutot, que les particules alpha sont des atomes d'helium une fois debarrasses de leurs charges negatives. Pour le prouver, il isole la substance radioactive dans un materiau suffisamment mince pour que les particules alpha le traversent effectivement, mais pour que cela bloque toute ≪ emanation ≫ des elements radioactifs, c'est-a-dire tout produit de la desintegration. Il recueille ensuite le gaz qui se trouve autour de la boite qui contient les echantillons et analyse son spectre. Il y trouve alors une grande quantite d'helium : les noyaux que sont les particules alpha ont recupere des electrons disponibles.
Il obtient la meme annee le
prix Nobel de chimie
≪ pour ses recherches touchant la desintegration des elements [chimiques], et la chimie des substances radioactives
[
2
]
≫
. Il en conserve cependant une certaine deception, car il se considere avant tout comme un physicien. Une de ses citations celebres est : ≪ La science, soit c'est de la physique, soit c'est de la philatelie ≫, voulant sans doute signifier par la qu'il placait la physique au-dessus des autres sciences.
C'est en
1911
qu'il fait sa plus grande contribution a la science en decouvrant le
noyau atomique
. Il avait observe a Montreal qu'en bombardant une fine feuille de
mica
avec des particules alpha, on obtenait une deflexion de ces particules. Geiger et
Marsden
, refaisant de facon plus poussee ces experiences en utilisant une feuille d'or, avaient constate que certaines particules alpha etaient deviees de plus de
90
degres. Rutherford emet alors l'hypothese qu'au centre de l'atome devait se trouver un ≪ noyau ≫ contenant presque toute la masse et toute la charge positive de l'atome, les electrons determinant en fait la taille de l'atome. Geiger et Marsden verifierent par la suite ces conclusions par l'experience.
Ce modele planetaire avait ete suggere en 1904 par un Japonais,
Hantaro Nagaoka
, mais etait passe inapercu ? on y objectait que les electrons auraient du rayonner en tournant autour du noyau central et donc y tomber. Les resultats de Rutherford montrerent que ce modele etait sans doute le bon, puisqu'il permettait de prevoir avec exactitude le taux de diffusion des particules alpha en fonction de l'angle de diffusion et de la taille de l'atome. Les dernieres objections theoriques sur le rayonnement de l'electron tomberent avec le debut de la
theorie quantique
et l'adaptation par
Niels Bohr
du modele de Rutherford a la theorie de
Planck
, demontrant ainsi la stabilite de l'atome de Rutherford.
Au debut de la
Premiere Guerre mondiale
, Rutherford se concentre sur les methodes acoustiques de detection des sous-marins. Une fois la guerre terminee, en 1919, apres avoir observe les
protons
produits par le bombardement d'
hydrogene
par des particules alpha (en observant les scintillations qu'ils produisent sur des ecrans recouverts de
sulfure de zinc
), il s'apercoit qu'il obtient beaucoup plus de ces scintillations s'il fait la meme experience avec de l'air, et mieux, avec du
diazote
pur. Il en deduit alors que les particules alpha, en heurtant les atomes d'azote, ont produit un proton. Cependant, il ne savait pas ce qu'il etait advenu du noyau residuel. Il a fait des suppositions, mais elles se sont averees inexactes.
Rutherford a enumere ces suppositions dans sa
conference Bakerian
(en)
, ≪
Nuclear Constitution of Atoms
≫, le 3 juin 1920. En 1919, il confia la tache d'identifier le noyau residuel a
Patrick Blackett
, un chercheur travaillant sous sa direction. Pendant cinq ans, Blackett a effectue les experiences et, a la fin, a fait l'interpretation correcte de la
reaction nucleaire
et du noyau residuel ? l'oxygene. Blackett a publie ses experiences, son analyse et sa conclusion en 1925
[
7
]
. Blackett venait de produire la premiere transmutation artificielle de l'histoire.
Cambridge, 1919-1937 : l'age d'or de Cavendish
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]
La meme annee, il succede a
J.J. Thomson
au
laboratoire Cavendish
, dont il devient le directeur. C'est le debut d'un age d'or, pour le laboratoire comme pour Rutherford, meme si ses travaux de recherche marquent le pas. Son influence sur la recherche dans le domaine de la physique nucleaire est enorme. Par exemple, dans une conference qu'il donne devant la Royal Society, il fait allusion a l'existence du neutron et a des isotopes de l'hydrogene et de l'helium. Et c'est au laboratoire Cavendish, sous son impulsion, que ceux-ci seront decouverts.
James Chadwick
, decouvreur du neutron,
Niels Bohr
, qui proposa que le modele atomique planetaire de Rutherford est stable, et
Robert Oppenheimer
, considere comme le pere de la
bombe atomique
, comptent parmi ceux qui etudierent au laboratoire du temps de Rutherford.
Henry Moseley
, qui fut son etudiant, montra en utilisant la
diffraction
des
rayons X
que les atomes contenaient autant d'electrons qu'il y avait de charges positives dans le noyau, et qu'ainsi ses resultats ≪ soutenaient fortement les vues de Bohr et Rutherford ≫.
Les nombreux cours qu'il donne au laboratoire Cavendish et le grand nombre de contacts qu'il a avec ses etudiants, donne de Rutherford l'image d'un homme extremement attache aux faits, plus encore qu'a la theorie, qui pour lui n'est en quelque sorte qu'une simple ≪ opinion ≫. Cet attachement aux faits experimentaux est le signe d'une grande rigueur et d'une grande honnetete. Lorsque
Fermi
reussit a desintegrer divers elements a l'aide de neutrons, il lui ecrit pour le feliciter de s'etre ≪ echappe de la physique theorique ≫.
Heureusement cependant, Rutherford ne s'arrete pas aux faits, et sa grande imagination lui fait entrevoir les consequences theoriques les plus lointaines. Mais il ne supporte pas que l'on complique les choses inutilement. Il fait souvent des remarques a ce propos aux visiteurs du laboratoire qui viennent exposer leurs travaux aux etudiants (amuses) et aux chercheurs, quelle que soit la renommee du visiteur. Son attachement a la simplicite est presque proverbial. Il disait d'ailleurs : ≪ Je suis moi-meme un homme simple. ≫
Son autorite au laboratoire Cavendish n'est pas fondee sur la peur qu'il peut inspirer. Au contraire, Rutherford est d'un caractere jovial et on sait que ses travaux avancent lorsqu'il chantonne dans son laboratoire. Il est respecte par ses etudiants, moins pour ses travaux passes ou pour le mythe qui l'entoure, que pour sa personnalite attachante, sa generosite et son autorite intellectuelle, au point qu'il est considere comme ≪ le professeur ≫ de Cambridge.
On le surnomme ≪ le crocodile ≫, parce que, comme un crocodile qui ne voit jamais sa queue, il regarde toujours devant lui.
Cette epoque est aussi pour Rutherford celle des honneurs : il est president de la Royal Society de 1925 a 1930, et president de l'Academic Assistance Council qui, en ces temps troubles politiquement, aide les universitaires allemands qui fuent leur pays. Il est egalement laureat de la
medaille Copley
en 1922, de la
medaille Franklin
en 1924 et du
Faraday Lectureship
de la
Royal society of chemistry
en 1936. En 1925, Il fait son dernier voyage en Nouvelle-Zelande, son pays natal qu'il n'oubliait jamais, et est recu comme un heros.
C'est en 1931 qu'il est
anobli
(par le roi
George V
) et obtient le titre de Baron Rutherford of Nelson, of Cambridge. La meme annee, son unique fille, Eileen meurt neuf jours apres avoir donne naissance a son quatrieme enfant.
Rutherford, qui etait un homme physiquement vigoureux, entre a l'hopital en 1937 pour une operation mineure, apres s'etre fait mal en coupant des arbres dans sa propriete. A son retour chez lui, il semble se remettre sans probleme, quand son etat s'aggrave soudainement. Il meurt tres brusquement le 19 octobre et est inhume a l'
abbaye de Westminster
, aux cotes de
Newton
et de
Kelvin
.
Son effigie orne desormais les billets de 100 dollars neo-zelandais.
- ≪ L'energie produite par l'atome est plutot quelconque. Quiconque parle de l'utiliser comme source d'energie est a cote de ses pompes. ≫
- (traduction libre de
(en)
The energy produced by the atom is a very poor kind of thing. Anyone who expects a source of power from the transformation of these atoms is talking moonshine.
, 1933)
- ≪ La science est soit de la
physique
, soit de la
philatelie
. ≫
- (traduction libre de
(en)
All science is either physics or stamp collecting
, [cite par J. B. Birks,
Rutherford at Manchester
(1962)]
- ≪ J'ai toujours ete fier du fait que je sois Neo-Zelandais. ≫
- (traduction de
(en)
I have always been proud of the fact that I am a New Zealander
, Auckland, 1925)
- ≪ C'est presque aussi surprenant que si vous tiriez un obus de quinze pouces sur un
mouchoir
en papier et qu'il revenait vous frapper. ≫
- (traduction libre de
(en)
It was almost as incredible as if you fired a fifteen-inch shell at a piece of tissue paper and it came back to hit you
, 1909) a propos des resultats de l'
experience
qu'il dirigea en 1909 pour demontrer la structure de l'atome.
- ↑
≪
Le proton, 100 ans plus tard
≫, sur
CERN
(consulte le
)
.
- ↑
a
et
b
(en)
≪
for his investigations into the disintegration of the elements, and the chemistry of radioactive substances
≫
in
Personnel de redaction, ≪
The Nobel Prize in Chemistry 1908
≫,
Fondation Nobel
, 2010. Consulte le 6 aout 2010.
- ↑
McGill Physics collections
- ↑
a
b
c
d
et
e
Bernard Fernandez,
De l'atome au noyau : Une approche historique de la physique atomique et de la physique nucleaire
,
Ellipses
,
, 597
p.
(
ISBN
978-2729827847
)
, partie I,
chap.
4 (≪ L'emanation du thorium ≫)
.
- ↑
≪
Ernest Rutherford life
≫
- ↑
≪
Pavillon Rutherford - Projets de construction
≫, sur
Universite McGill
(consulte le
)
- ↑
Blackett, Patrick Maynard Stewart (Feb. 2, 1925) "The Ejection of Protons From Nitrogen Nuclei, Photographed by the Wilson Method," Journal of the Chemical Society Transactions. Series A, 107(742),
p.
349-60
.
Sur les autres projets Wikimedia :
- Ceremonies du 10
e
anniversaire de la mort d'Ernest Rutherford
, organise par
Frederic Joliot-Curie
, introduction de
Pierre Biquard
, dessins de
Boris Taslitzky
, Paris,
Federation mondiale des travailleurs scientifiques
, 1948.
- Olga Starosselskaia-Nikitina
,
Ernest Rutherford
, Moscou,
Nauka
, 1967, 316 pages.
- (en)
Melinda Baldwin, ≪
Ernest Rutherford’s ambitions
≫,
Physics Today
,
vol.
74,
n
o
5,
,
p.
26-33
(
DOI
10.1063/PT.3.4747
)
|
|---|
| 1901-1925
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