Ernest Rutherford
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2008-07-19T10:28:49Z
Sherbrooke
18624
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{{Voir homonymes|Rutherford}}
{{Infobox Scientifique
|nom = Ernest Rutherford
|image = Ernest Rutherford.jpg
|légende = Portrait d'Ernest Rutherford
|date_naissance = [[30 août]] [[1871]]
|lieu_naissance = Brightwater
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|distinction = [[Prix Nobel de chimie]] [[1908]]
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'''Ernest Rutherford''' ([[30 août]] [[1871]] à Brightwater, [[Nouvelle-Zélande]] - [[19 octobre]] [[1937]] à [[Cambridge]], [[Angleterre]]) est considéré comme le père de la [[physique nucléaire]]. Il a découvert les [[Particule alpha|rayonnements alpha]], les [[Particule bêta|rayonnements bêta]]; il a aussi découvert que la [[radioactivité]] s'accompagnait d'une désintégration des [[Élément chimique|éléments chimiques]], ce qui lui valut un [[prix Nobel de chimie]] en [[1908]]. C'est encore lui qui a mis en évidence l'existence d'un [[noyau atomique]], dans lequel étaient réunies toute la [[Charge électrique|charge]] positive et presque toute la [[masse]] de l'[[atome]], et qui a réussi la toute première [[transmutation]] artificielle.
Si pendant la première partie de sa vie il se consacra exclusivement à sa recherche, il passa la deuxième moitié de sa vie à enseigner et à diriger le [[laboratoire Cavendish]] à [[Cambridge]], où fut découvert le [[neutron]] et où vinrent se former les physiciens [[Niels Bohr]] et [[Robert Oppenheimer]]. Son influence dans ce domaine de la physique qu'il a découvert fut donc particulièrement importante.
== Les premières années ==
Ernest Rutherford était le quatrième des douze enfants de James et Martha Rutherford. Son père était fermier, mais aussi mécanicien, [[ingénieur]], voire [[meunier]], tandis que sa mère, avant leur mariage, était institutrice. Tous deux tenaient à ce que leurs enfants reçoivent une bonne éducation et puissent poursuivre des études.
Ernest se distingua très rapidement par sa curiosité et ses dons pour l'[[arithmétique]]. Il fut encouragé en cela par ses parents et par son instituteur, et se révéla être un très brillant élève par la suite, ce qui lui permit d'entrer au Nelson College et d'y passer trois ans. Il était également très doué pour le [[rugby]], et très populaire dans son école. La dernière année, il termina premier dans toutes les matières, ce qui lui permit d'entrer à l'université au Canterbury College, où il continua à exercer le [[rugby]] et où il participa à des clubs de science et de réflexion.
Le génie de Rutherford pour l'expérimentation put à cette époque commence à se manifester : ses premières recherches montrèrent que le [[fer]] pouvait être magnétisé par les hautes [[fréquence]]s, ce qui était en soi une découverte. Ses excellents résultats scolaires lui permirent de continuer ses études et ses recherches pendant cinq ans en tout dans cette université - il avait en effet remporté la seule bourse de [[Nouvelle-Zélande]] pour étudier les mathématiques, et survécut la dernière année en donnant des cours.
Il obtint ainsi le titre de [[maîtrise ès arts]] avec une double première classe en mathématiques et en physique. En [[1894]], il obtint le titre de [[baccalauréat ès sciences]]
ce qui lui permit d'aller continuer ses études en Angleterre au [[laboratoire Cavendish]] à [[Université de Cambridge|Cambridge]] sous la direction du découvreur de l'[[électron]], [[Joseph John Thomson|J. J. Thomson]] à partir de [[1895]].
Il était le premier étudiant venant d'outre-mer à obtenir cette possibilité. Avant de partir de Nouvelle-Zélande, il se fiança avec Mary Newton, une jeune fille de [[Christchurch]].
== Cambridge, 1895-1898 ==
Il continua tout d'abord ses travaux sur les ondes hertziennes et sur leur réception à grande distance. Il fit un exposé remarquable de ses travaux devant la ''Cambridge Physical Society'', et fut publié dans les ''Philosophical Transactions'' de la [[Royal Society]] de Londres, fait rare pour un si jeune chercheur, et qui lui procura une grande fierté.
En décembre 1895, il se mit à travailler avec Thomson à l'étude de l'effet des [[rayons X]] sur un gaz. Ils découvrirent alors que les rayons X avaient la propriété d'ioniser l'[[air]], puisqu'ils purent montrer que cela produisait de grandes quantités de particules chargées, autant positives que négatives, et que ces particules pouvaient se recombiner pour donner des atomes neutres. De son côté, Rutherford inventa alors une technique pour mesurer la vitesse des [[ion]]s, et leur taux de recombinaison. Ce furent les travaux qui l'orientèrent définitivement dans la voie qui l'a rendu célèbre.
== Montréal, 1898-1907 : radioactivité ==
En 1898, après trois ans passés à [[Cambridge]] et à l'âge de 27 ans, on lui propose une chaire de [[physique]] à l'[[Université McGill]] de [[Montréal]], qu'il s'empresse d'accepter, voyant là l'occasion de faire venir auprès de lui celle qui l'attend en [[Nouvelle-Zélande]].
[[Henri Becquerel|Becquerel]] découvre à cette époque (1896) que l'[[uranium]] émettait un rayonnement inconnu, le « rayonnement uranique ».
Rutherford publia en 1899 un papier essentiel, où il étudiait la façon que pouvaient avoir ces rayonnements d'ioniser l'air, en plaçant de l'uranium entre deux plaques chargées, et en mesurant le courant qui passait. Il étudia ainsi le pouvoir de pénétration des rayonnements, en couvrant ses échantillons d'uranium avec des feuilles métalliques d'épaisseurs différentes.
Il remarqua que l'ionisation commençait par diminuer très rapidement avec l'augmentation de l'épaisseur des feuilles, puis, au-delà d'un certain seuil, diminuait très doucement.
Il en déduisit que l'uranium émettait deux radiations différentes, parce qu'ayant des pouvoirs de pénétration différents. Il nomma la radiation la moins pénétrante le [[particule alpha|rayonnement alpha]], et la radiation la plus pénétrante (et qui produisait forcément une moindre ionisation puisqu'elle traversait l'air) le [[particule bêta|rayonnement bêta]].
En 1900, Rutherford épouse Mary Newton, et du mariage naît en 1901 la seule fille de Rutherford, Eileen.
À cette époque, Rutherford étudie le [[thorium]], et constate en utilisant le même dispositif que pour l'uranium, que le fait d'ouvrir une porte dans le laboratoire perturbe nettement l'expérience, comme si les mouvements de l'air dans l'expérience pouvaient la perturber. Il en vient vite à la conclusion que le thorium dégage une émanation, elle aussi radio-active, puisqu'en aspirant l'air qui entoure le thorium, il s'aperçoit que cet air laisse facilement passer le courant, même à grande distance du thorium.
Il remarque aussi que les émanations du thorium ne restent radioactives qu'une dizaine de minutes, et que ce sont des particules neutres. Leur radio-activité n'est perturbée par aucune réaction chimique, ni changement de conditions (température, champ électrique). Il trouve même que la radioactivité de ces particules décroît exponentiellement, puisque le courant qui passe entre les électrodes fait de même, et découvre ainsi la période des éléments radio-actifs en 1900.
Avec l'aide d'un chimiste de Montréal, [[Frederick Soddy]], il arrive en 1902 à la conclusion que les émanations du thorium sont bien des atomes radioactifs, mais sans être du thorium, et que la radio-activité s'accompagne donc d'une désintégration des éléments.
Cette découverte provoqua une grande agitation parmi les chimistes, très attachés au concept d'indestructibilité de la matière. C'est sur ce concept qu'était d'ailleurs bâtie une grande partie de la science de l'époque. Cette découverte est donc un véritable bouleversement. Mais la qualité des travaux de Rutherford ne pouvait laisser de doute.
[[Pierre Curie]] lui-même n'acceptera cette idée que deux ans plus tard, alors qu'il avait déjà constaté avec [[Marie Curie]] que la radioactivité s'accompagnait d'une perte de masse des échantillons (il pensait que les atomes perdaient du poids sans changer de nature).
Les travaux de Rutherford furent reconnus en 1903 par la ''[[Royal Society]]'', qui lui décerna la [[Médaille Rumford]] en 1904. Il résuma le résultat de ses recherches dans un livre intitulé ''Radio-activité'' en 1904, où il expliquait que la radioactivité n'était pas influencée par les conditions extérieures de pression et de température, ni par les réactions chimiques, mais qu'elle produisait un dégagement de chaleur supérieur à celui d'une réaction chimique. Il expliquait également que de nouveaux éléments étaient produits, avec des caractéristiques chimiques différentes, tandis que les éléments radioactifs disparaissaient.
Avec Frederick Soddy, il estime que le dégagement d'énergie dû aux désintégrations nucléaires est de {{formatnum:20000}} à {{formatnum:100000}} fois plus important que celui qui résulterait d'une réaction chimique. Il émet également l'idée qu'une telle énergie pourrait expliquer l'énergie dégagée par le soleil. Avec Rutt, il estime même que si la Terre conserve une température constante (en tous les cas pour ce qui est de son noyau), c'est sans doute dû aux réactions de désintégration qui se produisent en son sein.
Cette idée d'une grande énergie potentielle contenue dans les atomes trouvera un an après un début de confirmation théorique avec la découverte d'[[Albert Einstein|Einstein]] de l'[[équivalence masse-énergie]]. [[Otto Hahn]], le découvreur de la fission nucléaire, viendra étudier avec Rutherford à McGill pendant quelques mois, suite à ces travaux.
Il commence dès 1903 à se poser des questions sur la nature exacte des rayonnements alpha, et en leur faisant traverser des champs électriques et magnétiques en déduit leur vitesse, le signe (positif) de leur charge, et le rapport entre leur charge et leur masse. C'est la voie qui le mènera vers ses travaux les plus célèbres.
Pendant son séjour à McGill, il publiera environ 80 articles, et inventa de nombreux dispositifs sans rapport avec la physique nucléaire.
== Manchester, 1907-1919 : le noyau atomique ==
En 1907, il obtient un poste de professeur à l'[[Université de Manchester]], où il travaille avec [[Hans Geiger]]. Avec ce dernier, il invente un compteur permettant de détecter les [[rayonnement alpha|particules alpha]] émises par les substances radioactives (ébauche du futur [[compteur Geiger]]), car en ionisant le gaz qui se trouve dans l'appareil, elles produisent une décharge détectable.
En [[1908]], avec un de ses étudiants, [[Thomas Royds]], il prouve définitivement ce qu'on supposait, à savoir que les [[particule alpha|particules alpha]] sont bien des noyaux d'[[hélium]]. Ou plutôt, que les particules alpha sont des atomes d'hélium une fois débarrassés de leurs charges négatives. Pour le prouver, il isole la substance radioactive dans un matériau suffisamment mince pour que les particules alpha le traversent effectivement, mais pour que cela bloque toute « émanation » des éléments radioactifs, c'est-à-dire tout produit de la désintégration. Il recueille ensuite le gaz qui se trouve autour de la boîte qui contient les échantillons, et analyse son spectre. Il y trouve alors une grande quantité d'hélium : les noyaux que sont les particules alpha ont récupéré des électrons disponibles.
Il obtient la même année le [[prix Nobel de chimie]] pour ses travaux de [[1902]].
Il en conservera une petite déception cependant, car il se considère avant tout
comme un physicien. Une des ses citations célèbres est « La science, soit c'est de la physique, soit c'est de la philatélie. », voulant sans doute signifier par là qu'il plaçait la physique au-dessus des autres sciences.
C'est en [[1911]] qu'il fera sa plus grande contribution à la science en découvrant le [[noyau atomique]]. Il avait observé à Montréal qu'en bombardant une fine feuille de [[mica]] avec des particules alpha, on obtenait une déflexion de ces particules. Geiger et Marsden refaisant de façon plus poussée ces expériences et en utilisant une feuille d'or, constatèrent que certaines particules alpha étaient déviées de plus de 90 degrés. Rutherford émit alors l'hypothèse, dont Geiger et Marsden confrontèrent les conclusions à l'expérience, 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 électrons déterminant en fait la taille de l'atome.
{{Article détaillé|Expérience de Rutherford}}
Ce modèle planétaire avait été suggéré en [[1904]] par un Japonais, [[Hantaro Nagaoka]], mais était passé inaperçu — on y objectait que les électrons auraient dû rayonner en tournant autour du noyau central, et donc y tomber. Les résultats de Rutherford montrèrent que ce modèle était sans doute le bon, puisqu'il permettait de prévoir avec exactitude le taux de diffusion des particules alpha en fonction de l'angle de diffusion et de la taille de l'atome. Les dernières objections théoriques (sur le rayonnement de l'électron) tombèrent avec le début de la [[théorie quantique]], et l'adaptation par [[Niels Bohr]] du modèle de Rutherford à la théorie de [[Max Planck|Planck]], démontrant ainsi la stabilité de l'atome de Rutherford.
En [[1914]] débute la [[Première Guerre mondiale]], et Rutherford se concentre alors sur les méthodes acoustiques de détection des sous-marins.
Une fois la guerre terminée, il produit, en [[1919]], la première [[transmutation]] artificielle. Après avoir observé les [[proton]]s produits par le bombardement d'[[hydrogène]] par des particules alpha (en observant les scintillations qu'ils produisent sur des écrans recouverts de [[sulfure de zinc]]), il s'aperçoit qu'il obtient beaucoup plus de ces scintillations s'il fait la même expérience avec de l'air, et mieux, avec du [[diazote]] pur. Il en déduit alors que les particules alpha, en heurtant les atomes d'azote, ont produit un proton — c'est-à-dire que le noyau d'azote a changé de nature et s'est transformé en [[oxygène]], en absorbant la particule alpha. Rutherford venait de produire la première transmutation artificielle de l'histoire. Certains disent qu'il fut le premier alchimiste à réussir.
== Cambridge, 1919-1937 : l'âge d'or de Cavendish ==
La même année, il succède à [[Joseph John Thomson|J.J. Thomson]] au [[laboratoire Cavendish]], et en devient le directeur. C'est le début d'un âge d'or pour le laboratoire, et pour Rutherford, même si les travaux de recherche de ce dernier vont marquer le pas. Cependant, à partir de cette époque, son influence sur la recherche dans le domaine de la physique nucléaire est énorme. Par exemple, dans une conférence qu'il donne devant la Royal Society, elle fait déjà allusion à l'existence du neutron et à des isotopes de l'hydrogène et de l'hélium. Et c'est au laboratoire Cavendish, sous son impulsion, que ceux-ci seront découverts.
[[James Chadwick]], découvreur du neutron, [[Niels Bohr]], qui montra que le modèle planétaire de Rutherford n'était pas stable, et [[Robert Oppenheimer]], considéré comme le père de la [[bombe atomique]], comptent parmi ceux qui étudièrent au laboratoire du temps de Rutherford.
[[Henry Moseley]], qui fut l'étudiant de Rutherford, montra en utilisant la [[diffraction]] des [[rayons X]] que les atomes contenaient autant d'électrons qu'il y avait de charges positives dans le noyau, et qu'ainsi ses résultats « soutenaient fortement les vues de Bohr et Rutherford ».
Les nombreux cours qu'il donna au laboratoire Cavendish et le grand nombre de contacts qu'il eut avec ses étudiants, donna de Rutherford l'image d'un homme extrêmement attaché aux faits, plus encore qu'à la théorie, qui pour lui n'était quelque part qu'une simple « opinion ». Cet attachement aux faits expérimentaux était le signe d'une grande rigueur et d'une grande honnêteté. Lorsque [[Enrico Fermi|Fermi]] réussit à désintégrer divers éléments à l'aide de neutrons, il lui écrivit pour le féliciter de s'être « échappé de la physique théorique ».
[[Image:Rutherford crocodile.jpg|thumb|200px|right|Le « crocodile », symbole de Rutherford, sur un des bâtiments de l'ancien [[laboratoire Cavendish]]]]
Heureusement cependant, Rutherford ne s'arrêtait pas aux faits, et sa grande imagination lui faisait entrevoir derrière les faits, les conséquences théoriques les plus lointaines, mais il ne supportait pas que l'on complique les choses inutilement. Il faisait souvent des remarques à ce propos aux visiteurs du laboratoire qui venaient exposer leurs travaux aux étudiants (amusés) et aux chercheurs, quelle que soit la renommée du visiteur. Son attachement à la simplicité était presque proverbial. Il disait d'ailleurs : « Je suis moi-même un homme simple ».
Son autorité au laboratoire Cavendish n'était pas basée sur la peur qu'il pouvait inspirer. Au contraire, Rutherford était d'un caractère jovial, et on savait que ses travaux avançaient lorsqu'il chantonnait dans son laboratoire. Il était respecté par ses étudiants moins pour ses travaux passés ou le mythe qui l'entourait que pour sa personnalité attachante, sa générosité et son autorité intellectuelle, au point qu'il était considéré comme « le professeur » de Cambridge.
Il était surnommé « le crocodile », parce que comme un crocodile qui ne voit jamais sa queue, il regardait toujours devant lui.
Cette époque est aussi pour Rutherford celle des honneurs : il fut président de la ''[[Royal Society]]'' de 1925 à 1930, et président de l'''Academic Assistance Council'' qui, en ces temps troublés politiquement, aidait les universitaires allemands qui fuyaient leur pays. Il est également lauréat de la [[médaille Copley]] en 1922, de la [[Médaille Franklin]] en 1924 et du ''[[Faraday Lectureship]]'' de la ''[[Royal society of chemistry]]'' en 1936. Il fit son dernier voyage en Nouvelle-Zélande, son pays natal qu'il n'oubliait jamais, en 1925 et fut reçu comme un héros.
C'est en 1931 qu'il fut anobli, et obtint le titre de Baron Rutherford of Nelson, of Cambridge. La même année mourut son unique fille, Eileen, neuf jours après avoir
donné naissance à son quatrième enfant.
[[Image:Nz100.jpg|thumb|Visage de Rutherford sur un billet de 100 dollars néo-zélandais]]
Rutherford était un homme physiquement vigoureux, et il entra à l'hôpital en 1937 pour une opération mineure, après s'être fait mal en coupant des arbres dans sa propriété. À son retour chez lui, il semblait se remettre sans problème, quand son état s'aggrava soudainement. Il mourut très brusquement, le 19 octobre et fut enterré à l'[[abbaye de Westminster]], aux côtés de [[Isaac Newton|Newton]] et de [[William Thomson|Kelvin]].
Sa figure orne désormais les billets de 100 dollars néo-zélandais.
== Citations ==
* {{Citation|L'énergie produite par l'atome est plutôt quelconque. Quiconque parle de l'utiliser comme source d'énergie est à côté 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)
* {{Citation|La science est soit de la physique, soit de la philatélie.}} (traduction libre de {{en}} ''All science is either physics or stamp collecting'', [cité par J.B.Birks, "Rutherford at Manchester" (1962)]
* {{Citation|J'ai toujours été fier du fait que je sois Néo-Zélandais.}} (traduction de {{en}} ''I have always been proud of the fact that I am a New Zealander'', Auckland, 1925)
* {{Citation|C'est presque aussi surprenant que si vous tiriez un obus de quinze pouces sur un mouchoir en papier et qu'il revenait vous toucher.}} (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)
== Voir aussi ==
{{commons|Ernest Rutherford}}
*[[Expérience de Rutherford]]
*[http://www.physics.mcgill.ca/museum/rutherford_museum.htm musée Rutherford]
{{ElementsChimiques}}
{{Prix Nobel de chimie}}
{{portail physique}}
{{DEFAULTSORT:Rutherford, Ernest}}
[[Catégorie:Chimiste britannique]]
[[Catégorie:Chimiste néo-zélandais]]
[[Catégorie:Physicien britannique]]
[[Catégorie:Physicien atomiste]]
[[Catégorie:Lauréat du Prix Nobel de chimie]]
[[Catégorie:Président de la Royal Society]]
[[Catégorie:Membre de la Royal Society]]
[[Catégorie:Baron de la pairie du Royaume-Uni]]
[[Catégorie:Naissance en 1871]]
[[Catégorie:Décès en 1937]]
[[Catégorie:Ancien étudiant de Trinity College (Cambridge)]]
[[Catégorie:Membre de l'Académie pontificale des sciences]]
[[Catégorie:Lauréat de la médaille Copley]]
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[[zh-min-nan:Ernest Rutherford]]