RUTHERFORD ERNEST (1871-1937)

par Caroline Badré - 2 nde 9 - janvier 2006.

Biographie :

Ernest Rutherford, Baron Rutherford de Nelson et de Cambridge, est né en Nouvelle-Zélande le 30 août 1871 à Brightwater, et s'est éteint le 19 octobre 1937 à Cambridge en Angleterre.
Ernest Rutherford est considéré comme le père de la physique nucléaire. Il a découvert les rayonnements alpha et bêta, et que la radioactivité s'accompagnait d'une désintégration des éléments, ce qui lui valut un prix Nobel de Chimie en 1908. C'est aussi lui qui a mis en évidence l'existence d'un noyau atomique, dans lequel étaient réunies toute la 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 Niels Bohr ou 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 Rutherford se dinstingua 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 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 commencer à se manifester : ses premières recherches montrèrent que le fer pouvait être magnétisé par les hautes fréquences, ce qui était en soi une découverte. Ses excellents résultats scolaires lui permirent de continuer ses études et ses recherches pendant 5 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 « Master of Arts » avec une double première classe en mathématiques et en physique. En 1894 il obtint le titre de « Bachelor of Science » (bachelier en science) ce qui lui permit d'aller continuer ses études en Angleterre dans le laboratoire Cavendish à Cambridge sous la direction du découvreur de l'électron, 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, fit un exposé remarquable de ses travaux devant la Cambridge Physical Society, et fut publié dans les Philosophical Transactions de la Royal Society of London, 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. Il 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 ions, et leur taux de recombinaison. Ce furent les travaux qui l'orientèrent définitivement dans la voie qui l'a rendu célèbre.
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 Mc Gill 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.
Montréal, 1898-1907 : radio-activité :

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 rayonnement, 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 que de pouvoirs de pénétration différents. Il nomma la radiation la moins pénétrante le rayonnement alpha, et la radiation la plus pénétrante (et qui produisait forcément une moindre ionisation puisqu'elle traversait l'air) le rayonnement bêta. En 1900, Ernest 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 pouvait 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 la 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, puique 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 en 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 bien entendu 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. 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 20 000 à 100 000 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'Einstein de l'équivalence masse-énergie. Otto Hahn, le découvreur de la fission nucléaire, viendra étudier avec Rutherford à Mc Gill 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 Mc Gill, 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 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. Ce dispositif leur permet d'estimer le nombre d'Avogadro de façon très directe : en connaissant la période du radium, et en mesurant grâce à leur appareil le nombre de désintégrations par unité de temps, ils en déduisent en effet le nombre d'atomes de radium présents dans leur échantillon.
En 1908, avec un de ses étudiants, Thomas Royds, il prouve définitivement ce qu'on supposait, à savoir que les particules alpha sont bien des noyaux d'hélium. Ou plutôt, qu'une fois débarrassées de leur charge, les particules alpha sont des atomes d'hélium. 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 concevra 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. Ce modèle planétaire avait été suggéré en 1904 par un japonais, Hantaro Nagoaka, 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 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, en 1919, il produit la première transmutation artificielle. Après avoir observé les protons 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 de ces scintillations s'il fait la même expérience avec de l'air, et mieux, avec de l'azote 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 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, il fait déjà allusion à l'existence du neutron et 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 instable, et Robert Oppenheimer, considéré comme le père de la bombe atomique, comptent parmi ceux qui étudièrent au laboratoire du temps de Rutherford. 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, 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 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 ».
Le "crocodile" sur un des bâtiments de l'ancien laboratoire CavendishHeureusement 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, quelque 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 étudiant pas tant 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 chairman 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 Prix Faraday 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 hélas, mourut son unique fille, Eileen, neuf jours après avoir donné naissance à son quatrième enfant.
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 Newton et de Kelvin.
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