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Ernest Rutherford
Ernest Rutherford (1871-1937), physicien néo-zélandais, a découvert le noyau atomique en 1911 et réalisé la première transmutation artificielle. Il a reçu le prix Nobel de chimie 1908 pour ses travaux sur la radioactivité.
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Fils de fermiers néo-zélandais, Rutherford est considéré comme le père de la physique nucléaire. Expérimentateur de génie, il a montré que la radioactivité transforme un élément en un autre, découvert que l’atome possède un noyau minuscule et dense, puis provoqué la première réaction nucléaire. Il a formé une génération de physiciens, dont plusieurs futurs lauréats du prix Nobel comme Chadwick, Cockcroft et Walton.
Repères chronologiques
| Date | Événement |
|---|---|
| 30 août 1871 | naissance, quatrième de douze enfants |
| 1890-1894 | études au Canterbury College de Christchurch |
| 1895 | bourse pour Cambridge ; travaille avec J. J. Thomson au Cavendish |
| 1898-1899 | distingue les rayonnements alpha et bêta |
| 1898 | professeur à l’université McGill de Montréal |
| 1900 | découvre le radon (émanation du thorium) avec R. B. Owens |
| 1902-1903 | avec Frederick Soddy, théorie de la désintégration radioactive |
| 1907 | professeur à l’université de Manchester |
| 1908 | prix Nobel de chimie ; montre avec Thomas Royds que les particules alpha sont des noyaux d’hélium (1908-1909) |
| 1909 | expérience de la feuille d’or réalisée par Geiger et Marsden |
| 1911 | modèle de l’atome à noyau |
| 1914 | anobli (sir Ernest Rutherford) |
| 1917-1919 | première transmutation artificielle ; identification du proton |
| 1919 | directeur du laboratoire Cavendish |
| 1920 | prédit l’existence d’une particule neutre dans le noyau |
| 1925-1930 | président de la Royal Society |
| 1932 | ses collaborateurs découvrent le neutron (Chadwick) et réalisent la première désintégration par accélérateur (Cockcroft et Walton) |
| 19 octobre 1937 | mort à Cambridge ; inhumé à l’abbaye de Westminster |
Alpha, bêta et la transmutation
En étudiant l’uranium, Rutherford distingue en 1898-1899 deux rayonnements : les rayons alpha, arrêtés par une feuille de papier, et les rayons bêta, plus pénétrants. Les rayons gamma, découverts par Paul Villard en 1900, complètent le tableau ; c’est Rutherford qui leur donne leur nom.
À Montréal, avec le chimiste Frederick Soddy, il montre en 1902-1903 que la radioactivité est la transformation spontanée d’un élément en un autre, accompagnée d’émission de rayonnement. Il introduit la notion de demi-vie : le temps au bout duquel la moitié des atomes d’un échantillon s’est désintégrée. Voir la radioactivité.
Le prix Nobel de chimie 1908 lui est décerné « pour ses recherches sur la désintégration des éléments et la chimie des substances radioactives ». Il aurait plaisanté sur le fait d’avoir assisté à beaucoup de transformations, mais aucune aussi rapide que la sienne, de physicien en chimiste.
La découverte du noyau
En 1909, à Manchester, Hans Geiger et Ernest Marsden, sous la direction de Rutherford, envoient des particules alpha sur une très mince feuille d’or. La plupart traversent la feuille sans être déviées, mais environ une sur 8 000 rebondit fortement vers l’arrière.
Le modèle alors dominant, celui de Thomson, imaginait l’atome comme une sphère de charge positive diffuse parsemée d’électrons (le « pudding aux raisins ») : il ne pouvait pas expliquer ces rebonds. En 1911, Rutherford en déduit que :
- presque toute la masse de l’atome et toute sa charge positive sont concentrées dans un noyau minuscule ;
- le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l’atome ;
- les électrons tournent autour, l’atome étant essentiellement du vide.
| Modèle | Année | Description |
|---|---|---|
| Thomson | 1904 | charge positive diffuse, électrons inclus |
| Rutherford | 1911 | noyau central dense, électrons en orbite |
| Bohr | 1913 | électrons sur des orbites quantifiées |
Le modèle de Rutherford pose un problème : selon l’électromagnétisme classique, un électron en orbite devrait rayonner et s’écraser sur le noyau. Niels Bohr, qui travaillait alors avec lui à Manchester, le résout en 1913 grâce à la théorie des quanta. Voir l'atome.
La première réaction nucléaire
En 1917-1919, Rutherford bombarde de l’azote avec des particules alpha et observe l’émission de noyaux d’hydrogène. Il a transformé de l’azote en oxygène : c’est la première transmutation artificielle d’un élément, le vieux rêve des alchimistes. Il nomme proton (1920) le noyau d’hydrogène, constituant de tous les noyaux. Il prédit aussi l’existence du neutron, découvert en 1932 par son collaborateur James Chadwick. Voir les particules élémentaires.
Héritage
L’élément 104 porte son nom, le rutherfordium. Son portrait figure sur le billet néo-zélandais de 100 dollars. Paradoxalement, il jugeait illusoire l’exploitation de l’énergie nucléaire, que la découverte de la fission rendit possible deux ans après sa mort.
Questions fréquentes
Qu’a découvert Ernest Rutherford ?
Les rayonnements alpha et bêta, la transmutation radioactive des éléments et la notion de demi-vie, le noyau atomique (1911), puis la première transmutation artificielle et le proton (1917-1920).
Qu’est-ce que l’expérience de Rutherford ?
L’expérience de la feuille d’or (1909) : des particules alpha envoyées sur une mince feuille d’or la traversent presque toutes, mais quelques-unes rebondissent. Rutherford en conclut que l’atome a un noyau minuscule, dense et chargé positivement.
Pourquoi Rutherford a-t-il eu le Nobel de chimie et non de physique ?
Parce que ses travaux sur la désintégration des éléments touchaient à la transformation d’un élément en un autre, question relevant alors de la chimie. Il n’a jamais reçu le prix de physique.