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Rutherford

Ernest Rutherford, baron de Nelson, est un physicien et chimiste le 30 août 1871 à Brightwater, en Nouvelle-Zélande, et mort le 19 octobre 1937 à Cambridge, au Royaume-Uni. Ses théories ont jeté les bases de la compréhension moderne de la structure de l'atome et il est aussi l'un des fondateurs de la physique nucléaire. Rutherford a reçu le prix Nobel de chimie en 1908 pour ses recherches sur la désintégration des éléments et la chimie des substances radioactives.
- Ernest Rutherford.

Ernest Rutherford (1871-1937).

Après des études à l'université de Canterbury, en Nouvelle-Zélande, où il a obtenu son diplôme en mathématiques et en physique en 1893, Rutherford décroche une bourse pour étudier à l'université de Cambridge, au Royaume-Uni. Il y rejoint le laboratoire Cavendish, dirigé par J.J. Thomson, et bientôt se spécialise dans l'étude des rayons X, découverts par Röntgen en 1895, puis dans celle des phénomènes de radioactivité, découverts par Becquerel en 1896. Il s'intéresse plus particulièrement aux effets de ces rayonnement sur la conduction électrique des gaz, ce qui le conduit à reconnaître deux types de radioactivités, qu'il nomme alpha et bêta (1898).

A la suite de ces travaux, Rutherford est appelé la même année à l'université McGill de Montréal, au Canada, pour continuer ses recherches sur le rayonnement du radium en collaboration avec Frederick Soddy. Ensemble, ils découvriront bientôt que la radioactivité résulte de la désintégration des atomes. Rutherford, tire déjà en 1902 de l'étude de la radioactivité du thorium dans un gaz, la formulation de la loi de décroissance radioactive, qui décrit la désintégration exponentielle des éléments radioactifs au fil du temps. La théorie de la radioactivité des deux chercheurs sera publiée en 1903. Elle établit que la radioactivité correspond à la transformation d'un élément chimique en un autre élément suite à l'émission d'une particule chargé électriquement, alpha ou bêta.

De retour en Angleterre en 1907, Rutherford est nommé professeur de physique à l'université de Manchester, qui est alors, avec Cambridge, l'un des grands centres de la recherche expérimentale dans le pays. C'est là qu'il mène notamment son expérience célèbre sur la diffusion des particules alpha (dont il a montré avec J.T. Royds, que ce sont des noyaux d'hélium) à travers une mince feuille d'or (1909).

L'expérience, que Rutherford effectue avec son équipe, Hans Geiger et Ernest Marsden, consiste à bombarder une fine feuille d'or avec des particules alpha. L'objectif étant d'étudier le comportement de ces particules lorsqu'elles traversaient sous diverses incidences la feuille d'or afin d'en déduire la répartition des charges électriques dans le métal. Selon le modèle atomique prévalent à l'époque, qui était le modèle de Thomson (modèle dit du pudding aux raisins), l'atome était considéré comme une masse uniformément répartie de charge positive avec des électrons incrustés dedans. Selon ce modèle, on s'attendait à ce que les particules alpha traversent la feuille d'or sans être beaucoup déviées. Mais l'expérience aboutit à des résultats très différents. Rutherford et ses collaborateurs observent qu'une majorité, certes, de particules alpha traversent la feuille d'or, mais aussi que certaines de ces particules sont déviées de manière significative, voire rebroussent chemin, après avoir interagi avec les atomes de la feuille d'or. Cela implique que toute la charge positive et la majeure partie de la masse des atomes est concentrée dans de toutes petites régions, laissant de grands espaces vides entre elles.

Les résultats de cette expérience conduiront Rutherford à formuler en 1911 le modèle atomique qui porte son nom, dans lequel il propose que les atomes sont principalement composés de vide, avec la majorité de la masse de l'atome concentrée dans un petit noyau central porteur de charges électriques positives, autour duquel les électrons, porteurs de charges négatives, orbitent à une certaine distance (The Scattering of α and β particles by Matter and the Structure of the Atom, Philosophical Magazine, 21, 669). Mais il apparaît vite que ce modèle de type planétaire a un grave inconvénient : selon les lois de l'électromagnétisme classique, les électrons en orbite accéléreraient continuellement, perdant de l'énergie sous forme de rayonnement, et finiraient par s'écraser sur le noyau. C'est Bohr, qui en ajoutant à l'atome de Rutherford l'idée d'une quantification de ses états d'énergies, permettra de sortir de l'impasse.

En 1919 Rutherford revient à Cambridge, au laboratoire Cavendish, qu'il dirige désormais. A la tête d'une équipe de chercheurs particulièrement brillants, tels que James Chadwick (le découvreur du neutron en 1932), ou John Cockcroft et E.T.S Walton (les créateurs des premiers accélérateurs de particules vers 1930), il y poursuit ses recherches sur la physique nucléaire, malgré les moyens limités disponibles à l'époque.

« Je pense que les expériences de physique atomique que l'on peut faire avec un marteau et des clous ont presque toutes été faites, notamment par Rutherford », note ironiquement Steven Weinberg (1983).

En 1919, Rutherford et son équipe bombardent de l'azote avec des particules alpha et en viennent à conclure (en accord en cela avec le constat ancien de Dalton selon lequel les masses atomiques des éléments étaient approximativement des multiples de la masse atomique de l'hydrogène), que les noyaux sont composés d'un type particulier de particules porteuses d'une charge positive, et que Rutherford nommera des protons. On imagine alors que les noyaux atomiques sont constitués de protons, mais aussi, pour équilibrer les charges électriques observées, sans altérer sensiblement la masse du noyau, d'électrons. Une particule alpha ou un atome d'hélium (deux charges électriques positives et environ quatre fois la masse d'un proton) serait ainsi constitué d'un noyau formé de quatre protons et de deux électrons; deux autres électrons, conformément au modèle de Rutherford, seraient en orbite autour de ce noyau. Il faudra attendre la découverte du neutron, comme on l'a dit par Chadwick, pour rectifier cette image fausse. Un atome d'hélium s'avèrera alors plutôt constitué de deux protons et de deux neutrons pour le noyau, et de deux électrons en orbite autour.

Rutherford a continué dans les années 1920 et encore au début des années 1930 ses expériences de transmutation des éléments en bombardant différents matériaux avec des particules alpha, et sur la radioactivité artificielle, c'est-à-dire la radioactivité induite par des réactions nucléaires artificielles. Mais, expérimentateur avant tout, il sera resté jusqu'au bout rétif aux bouleversements que connaissait la physique théorique de son temps. S'il n'a pas été le dernier physicien classique, au moins aura-t-il été de ceux qui ont mené la physique classique aussi loin qu'elle pouvait aller.

Dictionnaire biographique