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Ernest Rutherford

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Ernest Rutherford, 1er baron Rutherford de Nelson (30 août 1871 - 19 octobre 1937) était un physicien et chimiste néo-zélandais qui fut un chercheur pionnier dans…

Ernest Rutherford, 1er baron Rutherford de Nelson (30 août 1871 - 19 octobre 1937) était un éminent physicien et chimiste néo-zélandais, reconnu pour ses contributions pionnières à la physique atomique et nucléaire. Il est largement acclamé comme « le père de la physique nucléaire » et salué comme « le plus grand expérimentateur depuis Michael Faraday ». En 1908, Rutherford a reçu le prix Nobel de chimie pour ses recherches révolutionnaires sur la désintégration des éléments et les propriétés chimiques des substances radioactives.

Ernest Rutherford, 1er baron Rutherford de Nelson (30 août 1871 - 19 octobre 1937) était un physicien et chimiste néo-zélandais qui fut un chercheur pionnier en physique atomique et nucléaire. Il a été décrit comme « le père de la physique nucléaire » et « le plus grand expérimentateur depuis Michael Faraday ». En 1908, il reçut le prix Nobel de chimie « pour ses recherches sur la désintégration des éléments et la chimie des substances radioactives ».

Les découvertes marquantes de Rutherford englobent la formulation du concept de demi-vie radioactive, l'identification de l'élément radioactif radon, ainsi que la différenciation et la nomenclature des rayonnements alpha et bêta. En collaboration avec Thomas Royds, Rutherford a démontré de manière concluante que le rayonnement alpha est constitué de noyaux d'hélium. En 1911, il avance la théorie selon laquelle la charge atomique est concentrée dans un noyau extrêmement petit, une hypothèse dérivée de sa découverte et de son interprétation de la diffusion de Rutherford lors de l'expérience sur la feuille d'or menée par Hans Geiger et Ernest Marsden. Son influence s'est étendue jusqu'à inviter Niels Bohr dans son laboratoire en 1912, une collaboration qui a ensuite conduit au développement du modèle Bohr de l'atome. En 1917, Rutherford réalise la première réaction nucléaire provoquée artificiellement en bombardant des noyaux d'azote avec des particules alpha. Ces expériences ont abouti à la découverte d'une particule subatomique, initialement appelée « atome d'hydrogène », qu'il a ensuite rebaptisée plus précisément proton. De plus, on lui attribue le développement du système de numérotation atomique en collaboration avec Henry Moseley. Ses autres réalisations incluent des progrès significatifs dans les domaines des communications radio et de la technologie des ultrasons.

En 1919, Rutherford assume la direction du laboratoire Cavendish de l'Université de Cambridge. Sous sa direction estimée, James Chadwick découvrit le neutron en 1932. La même année, John Cockcroft et Ernest Walton, travaillant sous la direction de Rutherford, menèrent la première expérience contrôlée visant à diviser le noyau atomique. En reconnaissance de ses profondes contributions scientifiques, Rutherford fut élevé au rang de baron du Royaume-Uni. Après sa mort en 1937, il fut enterré à l'abbaye de Westminster, aux côtés de personnalités éminentes telles que Charles Darwin et Isaac Newton. L'élément chimique rutherfordium (104Rf) a été nommé en son honneur en 1997. En 1999, il a été reconnu à titre posthume comme le dixième plus grand physicien de tous les temps.

Petite enfance et formation

Ernest Rutherford est né le 30 août 1871 à Brightwater, en Nouvelle-Zélande. Il était le quatrième des douze enfants de James Rutherford, un agriculteur et mécanicien immigré de Perth, en Écosse, et de Martha Thompson, une institutrice originaire de Hornchurch, en Angleterre. Son acte de naissance indiquait par erreur son prénom comme « Earnest » ; au sein de sa famille, il était affectueusement connu sous le nom d'Ern.

À l'âge de cinq ans, Rutherford a déménagé à Foxhill, en Nouvelle-Zélande, où il a commencé ses études à la Foxhill School. En 1883, alors qu'il avait onze ans, la famille Rutherford déménagea à Havelock, située dans les Marlborough Sounds, pour se rapprocher de la filature de lin exploitée par son père. Ernest a ensuite fréquenté l'école Havelock.

En 1887, après une deuxième tentative, Rutherford obtient avec succès une bourse pour fréquenter le Nelson College. Lors de sa première tentative d'examen, il avait obtenu la note la plus élevée parmi tous les candidats de Nelson. Après avoir obtenu la bourse, il avait obtenu 580 points sur 600 possibles. Suite à cette réalisation, l'école Havelock lui a présenté un ensemble de cinq volumes de livres intitulés Les peuples du monde. Il a poursuivi ses études au Nelson College de 1887 à 1889, en tant que préfet en chef lors de sa dernière année. Il a également participé à l'équipe de rugby de l'école. Bien qu'il ait reçu une offre pour un poste de cadet dans le service gouvernemental, il la déclina, car il lui restait encore quinze mois d'études universitaires.

En 1889, après une deuxième candidature, il reçut une bourse pour poursuivre des études supérieures au Canterbury College, Université de Nouvelle-Zélande, où il étudia de 1890 à 1894. Pendant son séjour à Canterbury, il participa activement à la fois à la société de débat et à la Société scientifique. Ses résultats académiques à Canterbury comprenaient un baccalauréat ès arts complet en latin, anglais et mathématiques en 1892, suivi d'une maîtrise ès arts en mathématiques et sciences physiques en 1893 et ​​d'un baccalauréat ès sciences en chimie et géologie en 1894.

Par la suite, Rutherford a développé un récepteur radio innovant. En 1895, il reçut une bourse de recherche de la Commission royale pour l'exposition de 1851, lui permettant de se rendre en Angleterre pour des études de troisième cycle au Laboratoire Cavendish de l'Université de Cambridge. En 1897, il obtient un B.A. Diplôme de recherche et a reçu la bourse d'études Coutts-Trotter du Trinity College de Cambridge.

Efforts de carrière et de recherche

Au début de ses études à Cambridge, Rutherford figurait notamment parmi les premiers « étrangers » – des individus dépourvus de diplôme de Cambridge – à avoir obtenu l'autorisation de mener des recherches universitaires. Il a également eu le privilège d'étudier auprès de J. J. Thomson.

Encouragé par Thomson, Rutherford a réussi à détecter des ondes radio sur une distance de 0,5 miles (800 m), établissant brièvement un record mondial de portée de détection d'ondes électromagnétiques. Cependant, lors de sa présentation à la réunion de la British Association en 1896, il apprit que Guglielmo Marconi avait surpassé son exploit en transmettant des ondes radio sur près de 10 miles (16 km).

Radioactivité

Sous la direction continue de Thomson, Rutherford a étudié les propriétés conductrices des rayons X dans les gaz, une ligne de recherche qui a contribué à la découverte de l'électron, Thomson présentant les premières découvertes en 1897. Par la suite, après avoir appris les observations d'Henri Becquerel concernant l'uranium, Rutherford a lancé des recherches sur sa radioactivité. Cela l'a conduit à identifier deux types de rayonnements distincts, différenciés des rayons X par leurs capacités de pénétration variables. Poursuivant ses recherches au Canada, il introduisit les termes « rayon alpha » et « rayon bêta » en 1899 pour caractériser ces deux formes uniques de rayonnement.

En 1898, Rutherford a accepté la chaire Macdonald de physique à l'Université McGill de Montréal, au Canada, suite à l'approbation de Thomson. Entre 1900 et 1903, il collabore à McGill avec le chimiste naissant Frederick Soddy (qui recevra plus tard le prix Nobel de chimie en 1921). Rutherford a chargé Soddy d'identifier le gaz rare émis par l'élément radioactif thorium, une substance elle-même radioactive et capable de recouvrir d'autres matériaux. Après avoir systématiquement écarté toutes les réactions chimiques conventionnelles, Soddy proposa que le gaz émis soit un gaz inerte, qu'ils baptisèrent par la suite thoron. Cette substance a ensuite été identifiée comme étant le 220Rn, un isotope du radon. Leurs investigations ont également découvert une autre substance, baptisée Thorium X, reconnue par la suite sous le nom de 224Rn, et ils ont systématiquement détecté des traces d'hélium. En outre, ils ont analysé des échantillons d'"Uranium X" (protactinium) obtenus de William Crookes et de radium fournis par Marie Curie. Rutherford, en collaboration avec R.B. Owens, a mené des recherches plus approfondies sur le thoron, observant qu'un échantillon de matière radioactive, quelle que soit sa taille initiale, nécessitait systématiquement la même durée pour que la moitié de sa masse se désintègre (plus précisément, 11§56§⁄§78§ minutes dans ce cas). Il a appelé ce taux de désintégration constant « demi-vie ». Rutherford et Soddy ont ensuite publié leur article fondateur, "Law of Radioactive Change", qui élucidait leurs découvertes expérimentales. Avant leurs travaux, les atomes étaient largement considérés comme le fondement indivisible de toute matière. Alors que Curie avait postulé que la radioactivité était un phénomène atomique, le concept de désintégration spontanée des atomes radioactifs était révolutionnaire. Rutherford et Soddy ont démontré de manière concluante que la radioactivité entraînait la décomposition spontanée des atomes en d'autres formes de matière, alors non identifiées.

En 1903, Rutherford a examiné une forme de rayonnement, identifiée mais sans nom par le chimiste français Paul Villard en 1900, provenant du radium. Il a reconnu que cette émission possédait un pouvoir de pénétration nettement supérieur à celui de ses rayons alpha et bêta précédemment identifiés, indiquant un phénomène distinct. Par conséquent, Rutherford a désigné ce troisième type de rayonnement comme « rayon gamma ». Les trois classifications de Rutherford restent une terminologie standard dans la physique contemporaine ; bien que d'autres formes de désintégration radioactive aient été découvertes depuis, ses trois types sont parmi les plus répandus. En 1904, Rutherford affirmait que la radioactivité pourrait fournir une source d'énergie suffisamment importante pour expliquer l'existence soutenue du Soleil pendant les millions d'années nécessaires à l'évolution biologique progressive sur Terre, comme l'ont théorisé des biologistes comme Charles Darwin. Auparavant, le physicien Lord Kelvin avait plaidé en faveur d'une Terre considérablement plus jeune, invoquant l'insuffisance des sources d'énergie connues. Cependant, Rutherford, lors d'une conférence à laquelle assistait Kelvin, a souligné que la radioactivité offrait une solution viable à cet écart chronologique. En 1907, il retourna en Grande-Bretagne pour occuper le poste de professeur Langworthy à l'Université Victoria de Manchester.

À Manchester, Rutherford a persisté dans ses recherches concernant le rayonnement alpha. En collaboration avec Hans Geiger, il a conçu des écrans à scintillation au sulfure de zinc et des chambres d'ionisation pour le dénombrement des particules alpha. En divisant la charge totale accumulée sur l'écran par le nombre de particules observées, Rutherford a pu constater que chaque particule alpha portait une charge de deux unités. À la fin de 1907, Ernest Rutherford et Thomas Royds ont facilité le passage de particules alpha à travers une fenêtre exceptionnellement fine dans un tube sous vide. Lors du déclenchement d’une décharge électrique dans le tube, le spectre résultant a évolué à mesure que les particules alpha s’accumulaient progressivement. En fin de compte, les raies spectrales distinctes de l'hélium gazeux ont émergé, démontrant ainsi que les particules alpha constituaient au moins des atomes d'hélium ionisés et, très probablement, des noyaux d'hélium. En 1910, Rutherford, aux côtés de Geiger et du mathématicien Harry Bateman, a co-écrit une publication phare détaillant l'analyse inaugurale de la distribution temporelle des émissions radioactives, un modèle statistique maintenant reconnu sous le nom de distribution de Poisson.

Développement de modèles atomiques

Rutherford a maintenu ses contributions scientifiques pionnières bien au-delà de sa réception du prix Nobel en 1908. En 1909, sous sa direction, Hans Geiger et Ernest Marsden ont mené l'expérience cruciale Geiger-Marsden, qui a établi de manière concluante le caractère nucléaire des atomes grâce à la mesure de la déviation des particules alpha lors de la traversée d'une fine feuille d'or. Rutherford a spécifiquement chargé Geiger et Marsden d'étudier les particules alpha présentant des angles de déviation exceptionnellement élevés au cours de cette expérience, un phénomène totalement imprévu par les théories contemporaines de la matière. Malgré leur rareté, des angles de déflexion aussi importants ont bel et bien été observés. Dans une réflexion rétrospective lors de l'une de ses dernières conférences, Rutherford a fait la remarque célèbre : « C'était l'événement le plus incroyable qui me soit jamais arrivé dans ma vie. C'était presque aussi incroyable que si vous tiriez un obus de 15 pouces sur un morceau de papier de soie et qu'il revenait et vous frappait. » L'interprétation ultérieure de Rutherford de ces données expérimentales a conduit directement à sa proposition du noyau atomique : une petite région chargée englobant la majorité de la masse d'un atome.

En 1912, Niels Bohr a rejoint Rutherford, postulant par la suite que les électrons occupaient des trajectoires orbitales distinctes autour du noyau compact. Bohr a ensuite modifié la structure nucléaire proposée par Rutherford pour l'aligner sur l'hypothèse quantique de Max Planck. Le modèle de Bohr qui en résulte a servi de cadre fondamental à la physique atomique mécanique quantique de Heisenberg, un paradigme qui conserve sa validité dans la compréhension contemporaine.

Recherche sur la piézoélectricité

Pendant la Première Guerre mondiale, Rutherford s'est engagé dans une initiative hautement confidentielle visant à résoudre les défis pratiques associés à la détection des sous-marins. Rutherford et Paul Langevin ont tous deux proposé indépendamment l'application de la piézoélectricité, Rutherford ayant conçu avec succès un appareil capable de mesurer sa production. L’intégration ultérieure de la piézoélectricité s’est avérée indispensable au progrès de la technologie moderne des ultrasons. Cependant, l'affirmation selon laquelle Rutherford a développé le sonar est erronée, étant donné que les systèmes de détection subaquatiques contemporains utilisent principalement le transducteur de Langevin.

La découverte du proton

En 1913, en collaboration avec H.G. Moseley, Rutherford établit le système de numérotation atomique. Leurs expériences conjointes impliquaient le bombardement de divers éléments avec des flux d’électrons provenant de rayons cathodiques, révélant que chaque élément présentait une réponse cohérente et unique. Leurs recherches pionnières ont été les premières à affirmer que chaque élément pouvait être fondamentalement défini par les caractéristiques de ses structures internes, une observation qui a ensuite contribué à la découverte du noyau atomique. Cette enquête a incité Rutherford à théoriser que l'atome d'hydrogène, alors reconnu comme l'entité la moins massive possédant une charge positive, fonctionnait comme un « électron positif » – un constituant fondamental de tous les éléments atomiques.

Rutherford a développé sa théorie de « l'électron positif » à travers une série d'expériences initiées en 1919, juste avant la fin de son mandat à Manchester. Il a observé que l'azote et d'autres éléments légers émettaient un proton, qu'il a appelé « atome d'hydrogène », lors d'un bombardement avec des particules alpha (α). Plus précisément, il a démontré que les particules éjectées lors de collisions entre des particules alpha et de l'hydrogène possédaient une charge positive unitaire et un quart de l'impulsion des particules alpha incidentes.

Rutherford est retourné au laboratoire Cavendish en 1919, assumant le rôle de professeur Cavendish de physique, poste précédemment occupé par J. J. Thomson. Il conserva cette chaire jusqu'à sa disparition en 1937. Sous sa direction, plusieurs prix Nobel furent décernés : James Chadwick reçut une reconnaissance pour la découverte du neutron en 1932 ; John Cockcroft et Ernest Walton ont été honorés pour leur expérience pionnière impliquant un accélérateur de particules, connue sous le nom de « division de l'atome » ; et Edward Appleton a été récompensé pour avoir démontré l'existence de l'ionosphère.

Développement de la théorie des protons et des neutrons

Entre 1919 et 1920, Rutherford a avancé ses recherches sur « l'atome d'hydrogène », dans le but de confirmer que les particules alpha pouvaient désintégrer les noyaux d'azote et de déterminer la nature des produits qui en résultent. Ses découvertes indiquaient que les noyaux d’hydrogène constituaient un composant des noyaux d’azote et, par extension, probablement d’autres noyaux atomiques. Cet arrangement structurel avait fait l'objet d'hypothèses depuis une longue période, sur la base du fait que les poids atomiques étaient des multiples entiers de la masse de l'hydrogène. Étant donné que l’hydrogène était reconnu comme l’élément le plus léger et que ses noyaux étaient présumés les plus légers, Rutherford a conclu qu’un noyau d’hydrogène pourrait servir de constituant fondamental de tous les noyaux. De plus, il la considérait comme une particule fondamentale potentiellement nouvelle, puisqu’aucun noyau plus léger n’était alors connu. Par conséquent, en 1920, s'appuyant sur et développant les travaux de Wilhelm Wien, qui avait identifié le proton dans des courants de gaz ionisé en 1898, Rutherford proposa le noyau d'hydrogène comme une nouvelle particule, qu'il désigna sous le nom de proton.

En 1921, en collaboration avec Niels Bohr, Rutherford développa un cadre théorique pour l'existence des neutrons, un terme qu'il avait introduit dans son ouvrage Bakerian de 1920. Conférence. Il a postulé que ces particules pourraient contrecarrer les forces répulsives entre protons chargés positivement en générant une force nucléaire attractive, empêchant ainsi la dissociation des noyaux atomiques. La principale alternative aux neutrons impliquait le concept d'« électrons nucléaires », qui neutraliseraient certaines des charges protoniques présentes dans le noyau. Cette alternative est née du fait qu’à cette époque, on savait que les noyaux possédaient environ deux fois la masse qui pourrait s’expliquer s’ils étaient uniquement composés de noyaux d’hydrogène (protons). Cependant, le mécanisme par lequel ces hypothétiques électrons nucléaires pourraient être confinés dans le noyau restait une énigme non résolue.

La théorie des neutrons de Rutherford a été validée empiriquement en 1932 grâce aux travaux de son collègue James Chadwick. Chadwick a rapidement identifié les neutrons lorsqu'ils ont été générés par d'autres chercheurs, puis par lui-même, grâce au bombardement du béryllium avec des particules alpha. Pour cette découverte cruciale, Chadwick a reçu le prix Nobel de physique en 1935.

Réaction nucléaire induite et sondage du noyau

Dans sa publication complète en quatre parties, "Collision de particules α avec des atomes légers", Rutherford a détaillé deux autres découvertes profondes et significatives. Premièrement, il démontra que la diffusion des particules alpha de l’hydrogène sous des angles élevés s’écartait des prédictions théoriques qu’il avait publiées en 1911. Ces observations représentaient la première preuve empirique des fortes interactions liant les noyaux atomiques. Deuxièmement, il a établi que les particules α entrant en collision avec des noyaux d’azote subiraient une réaction nucléaire plutôt qu’une simple diffusion. La réaction a produit un proton comme un produit, tandis que l'autre produit a été identifié comme étant de l'oxygène par Patrick Blackett, collègue et ancien étudiant de Rutherford :

14N + α → 17O + p.

Par conséquent, Rutherford a reconnu « que la masse du noyau peut augmenter plutôt que diminuer à la suite de collisions dans lesquelles le proton est expulsé ». Blackett a reçu le prix Nobel en 1948 pour sa contribution au perfectionnement de l'appareil de chambre à brouillard à grande vitesse, ce qui a facilité cette découverte et de nombreuses autres.

Vie personnelle et mort

En 1900, Rutherford épousa Mary Georgina Newton (1876-1954) à l'église anglicane St Paul de Papanui, Christchurch ; ils avaient été fiancés avant son départ de Nouvelle-Zélande. Le couple a eu une fille, Eileen Mary (1901-1930), qui épousa plus tard le physicien Ralph Fowler et décéda tragiquement lors de la naissance de son quatrième enfant. Les loisirs de Rutherford englobaient le golf et l'automobile.

Pendant son mandat à Manchester, Rutherford résidait dans la banlieue de Withington, plus précisément sur Wilmslow Road. Cette résidence est actuellement désignée sous le nom de Rutherford Lodge et a été commémorée par une plaque bleue en 2012. De plus, un mémorial est incrusté dans le trottoir juste en face de la bibliothèque Withington.

Avant sa disparition, Rutherford souffrait d'une hernie négligée qui s'est finalement étranglée, conduisant à une maladie grave. Bien qu'il ait subi une intervention chirurgicale d'urgence à Londres, il est décédé quatre jours plus tard à Cambridge, le 19 octobre 1937, à l'âge de 66 ans, à cause de ce que les professionnels de la santé ont diagnostiqué comme une « paralysie intestinale ». Après sa crémation au crématorium Golders Green, il a reçu l'honneur distingué d'être enterré à l'abbaye de Westminster, aux côtés d'éminents scientifiques britanniques tels qu'Isaac Newton et Charles Darwin.

Reconnaissance

Abonnements

Récompenses

Chevalerie

Héritage

Lors de la session inaugurale du Congrès scientifique indien de 1938, un événement que Rutherford devait présider avant sa mort, l'astrophysicien James Jeans a prononcé un discours à sa place, le qualifiant de "l'un des plus grands scientifiques de tous les temps" et déclarant :

Dans son flair pour la bonne approche d'un problème, ainsi que dans la simplicité de ses méthodes d'attaque, [Rutherford] nous rappelle souvent Faraday, mais il avait deux grands avantages que Faraday ne possédait pas, premièrement, une santé physique et une énergie exubérantes, et deuxièmement, l'opportunité et la capacité de diriger un groupe de collègues enthousiastes. Aussi formidable que soit l'œuvre de Faraday, il me semble que pour égaler l'œuvre de Rutherford en quantité comme en qualité, nous devons revenir à Newton. À certains égards, il fut plus chanceux que Newton. Rutherford a toujours été un guerrier heureux – heureux dans son travail, heureux dans son résultat et heureux dans ses contacts humains.

Physique Nucléaire

Rutherford est reconnu comme « le père de la physique nucléaire » en raison de ses recherches pionnières et des travaux menés sous sa direction en tant que chef de laboratoire, qui ont collectivement élucidé la structure nucléaire de l'atome et défini la désintégration radioactive comme un processus nucléaire fondamental. Patrick Blackett, un chercheur supervisé par Rutherford, a utilisé des particules alpha naturelles pour démontrer la transmutation nucléaire induite. Par la suite, le groupe de recherche de Rutherford a utilisé des protons dérivés d'accélérateurs pour réaliser des réactions nucléaires et des transmutations induites artificiellement.

Le décès de Rutherford s'est produit avant la réalisation du concept de Leó Szilárd de réactions nucléaires en chaîne contrôlées. Néanmoins, Szilárd se serait inspiré d'un discours de Rutherford concernant sa transmutation artificiellement induite en lithium, publié dans l'édition du 12 septembre 1933 du The Times.

Le discours de Rutherford faisait référence aux recherches de 1932 menées par ses étudiants, John Cockcroft et Ernest Walton, qui ont réussi à « diviser » le lithium en alpha. particules grâce à un bombardement de protons provenant d’un accélérateur de particules auto-construit. Tandis que Rutherford reconnaissait l'immense énergie libérée par les atomes de lithium fissurés, il reconnaissait également que l'apport d'énergie substantiel requis pour l'accélérateur, associé à son inefficacité inhérente à la division des atomes via cette méthode, rendait l'effort peu pratique en tant que source d'énergie viable. (Même actuellement, la fission d'éléments légers induite par un accélérateur reste insuffisamment efficace pour de telles applications.) Un segment du discours de Rutherford déclarait :

Nous pourrions, dans ces processus, obtenir beaucoup plus d'énergie que le proton fourni, mais en moyenne, nous ne pouvions pas espérer obtenir de l'énergie de cette manière. C’était une manière très pauvre et inefficace de produire de l’énergie, et quiconque cherchait une source d’énergie dans la transformation des atomes parlait de clair de lune. Mais le sujet était scientifiquement intéressant car il donnait un aperçu des atomes.

En 1997, l'élément rutherfordium (Rf, Z=104) a été désigné en l'honneur de Rutherford.

Dans la culture populaire

Andrew Hodwitz a dépeint Rutherford dans « Staring Blindly into the Future », épisode 11 de la saison 13 (diffusé le 13 janvier 2020), dans la série policière historique canadienne Murdoch Mysteries.

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