Ernest Rutherford était le père de la physique nucléaire. Bien qu’il soit principalement connu pour avoir découvert le noyau atomique, qui constitue la base de la physique moderne, il a reçu le prix Nobel pour sa contribution à la chimie, en particulier pour la transformation des éléments.
Ses travaux ont mené à des recherches sur la nature de la matière et les origines du Big Bang, et ont ouvert la voie aux technologies nucléaires modernes, de l’énergie nucléaire aux armes et à la médecine nucléaire. Il n’y a aucun doute que la profondeur et l’étendue de ses découvertes expérimentales en physique sont comparables aux découvertes théoriques d’Albert Einstein.
Qui était Ernest Rutherford ?
Né en Nouvelle-Zélande, Ernest Rutherford arriva en Angleterre en 1895 presque par accident. Celui qui avait gagné la bourse internationale de Nouvelle-Zélande cette année-là ne l’avait pas acceptée pour se marier. Rutherford était le deuxième sur la liste, et comme on dit, l’histoire a pris son cours.
Lorsqu’il arriva à Cambridge, l’avenir aurait pu être bien différent. Ses recherches en Nouvelle-Zélande portaient sur la technologie électrique, et il détenait un record mondial pour la distance à laquelle les ondes électromagnétiques pouvaient être détectées.
À l’époque, il devançait Guglielmo Marconi, et il prévoyait de poursuivre ses travaux dans ce domaine, mais la même année, en 1895, Wilhelm Röntgen découvrit les rayons X. Peu de temps après, Henri Becquerel découvrit la radioactivité.
À Cambridge, sous la direction de J. J. Thomson, les recherches se tournèrent vers cette nouvelle forme mystérieuse de radiation. Selon la légende, Thomson consulta Lord Kelvin, qui affirma qu’il n’y avait pas d’avenir pour la radioactivité ; Rutherford, quant à lui, s’intéressa donc à la radioactivité.
La radioactivité, découverte en 1896 par Becquerel et nommée par les Curie lors des recherches sur le radium en 1898, fut transformée en outil scientifique par Rutherford. Il utilisa la radiation pour bombarder les atomes et en analyser leur structure.
Dans les années 1890, en réalisant ses recherches au laboratoire Cavendish de Cambridge, à l’Université McGill au Canada et en menant des investigations à Manchester, il résolut les mystères de la structure atomique. En 1919, en tant que plus grand physicien expérimental de son époque, il retourna à Cambridge pour remplacer son mentor Thomson.
La radioactivité perçue comme de la chimie ancienne
Au début, Rutherford travaillait avec Thomson sur les effets ionisants des rayons X dans les gaz. Il commença ensuite à faire sa première contribution importante : la mesure de l’intensité de la radiation émise par l’uranium. Pour ce faire, il enroula un échantillon d’uranium dans du papier aluminium, ce qui absorbait la radiation.
Il découvrit que l’intensité de la radiation diminuait à mesure que l’épaisseur du matériau augmentait. Cependant, même lorsque l’épaisseur était considérablement accrue, il ne vit aucun changement dans l’intensité. Ce n’est que lorsque plusieurs couches d’aluminium furent ajoutées qu’il observa enfin une diminution de l’intensité.
Il en conclut qu’il devait exister deux types de radiation. L’une était rapidement absorbée, il la nomma alpha ; l’autre, pénétrant plus profondément, fut nommée beta. Plus tard, il découvrit un rayon plus pénétrant qu’il appela gamma.
En 1898, il se rendit à l’Université McGill de Montréal, au Canada. La première chose qu’il fit fut de mesurer la quantité d’énergie émise par l’uranium. Ce fut là qu’il eut sa grande révélation : la quantité d’énergie était jusqu’à 100 fois plus grande que celle produite par n’importe quelle réaction chimique connue. Avec ces mesures, il capta les premiers signes de la force cachée dans les profondeurs de l’atome.
La découverte de la transformation des éléments
En 1897, Thomson avait montré que les atomes contiennent de petites particules électriques appelées électrons. Pour équilibrer la charge négative, l’atome devait aussi contenir une charge positive, ce qui indiquait une structure complexe de l’atome. En 1900, Rutherford suggéra que la puissance de l’uranium provenait du déplacement de sa structure atomique.
Bien que la structure de l’atome fût encore à découvrir, cette théorie était remarquable pour son époque, car d’autres scientifiques, tels que les Curie, pensaient que l’énergie radioactive provenait de l’extérieur de l’atome.
C’est pendant cette période que Rutherford commença à s’intéresser au comportement inhabituel de la radioactivité du thorium. La quantité de radioactivité semblait changer et était sensible aux courants d’air. Après plusieurs expériences, il conclut que le thorium émettait un gaz radioactif. Ce gaz était affecté par les courants d’air.
Pour déterminer sa composition, il eut besoin de l’aide d’un chimiste : Frederick Soddy. Ensemble, ils trouvèrent des preuves irréfutables que ce gaz était un nouvel élément : le radon. Grâce à cette découverte, ils apportèrent la première preuve qu’un élément, le thorium, pouvait se transformer en un autre, le radon.
Lorsque Soddy s’écria : « Rutherford, c’est une transformation ! », Rutherford répondit : « Ne dis pas transformation, les alchimistes risquent de nous couper la tête. » Mais ce qu’ils avaient accompli était précisément cela : une véritable alchimie, mais qui se produisait naturellement.
Ils montrèrent que le thorium se transformait d’abord en radium, et le radium se transformait ensuite en radon, libérant de la radiation à chaque étape. En plus de souligner la séquence des éléments dans le tableau périodique, ils démontrèrent que la radiation se produisait par cette transformation.
La découverte du noyau atomique par Ernest Rutherford
En 1907, Ernest Rutherford quitta l’Université McGill pour Manchester. Avec le jeune Allemand Hans Geiger, aujourd’hui célèbre pour le compteur Geiger, il utilisa un prototype de ce dernier pour démontrer que le noyau était composé de particules chargées positivement et ayant une masse 10 000 fois supérieure à celle de l’électron.
Il découvrit même que les noyaux étaient deux fois plus chargés que l’atome d’hélium. En 1908, Rutherford recueillit un grand nombre de particules alpha et, en les neutralisant avec des électrons, analysa le spectre du gaz résultant, prouvant que les particules alpha étaient en fait des noyaux d’hélium.
Lors de son discours pour le prix Nobel qu’il reçut cette année-là pour ses travaux sur la transformation des éléments — non pas en physique, mais en chimie — il annonça cette découverte. Rutherford avait toujours considéré la physique bien plus avancée que la chimie, au point de comparer cette dernière à la collecte de timbres.
Cependant, son approche rapide de la chimie avec les méthodes physiques était en réalité une révolution dans ce domaine, et ce prix Nobel était tout à fait justifié. Lors de la cérémonie, on dit à Lady Rutherford que son mari finirait un jour par recevoir un prix Nobel en physique. Pourtant, il ne le reçut jamais, ce qui reste étonnant, car sa longue série de découvertes n’en était qu’à ses débuts.
La découverte des particules alpha fournissait la preuve que des atomes lourds pouvaient se désintégrer en libérant des particules plus légères. Cela soulevait la question de la manière dont les particules chargées négativement (électrons) et leurs particules associées chargées positivement étaient disposées à l’intérieur de l’atome. La réponse à cette question résidait dans la prochaine grande découverte de Rutherford.
Rutherford et Geiger ont construit un écran recouvert de sulfure de zinc, qui produisait de petites lueurs lorsque des particules chargées telles que les particules alpha y entraient en collision. Lorsqu’il travaillait à McGill, Rutherford avait observé que, lorsqu’elles traversaient une fine feuille de mica, les particules alpha semblaient dévier de leur trajectoire.
Étant donné que les particules alpha se déplaçaient à 15 000 km par seconde, c’était surprenant. La déviation des particules alpha suggérait la présence d’une force bien plus puissante que toute force électrique ou magnétique connue. De là, Rutherford en déduisit qu’une force aussi puissante devait exister à l’intérieur de l’atome.
L’inspiration pour le modèle atomique
Geiger avait un jeune étudiant du nom d’Ernest Marsden. En 1909, Rutherford suggéra à Marsden d’observer si les particules alpha subissaient de grandes déviations. Marsden utilisa une feuille d’or ultrafine et un écran lumineux pour détecter les particules alpha qui se dispersaient. Lorsqu’il rapporta que 1 sur 20 000 de ces particules rebondissaient dans la direction opposée, tout le monde fut stupéfait.
Cela se produisit uniquement lorsqu’elles frappaient une feuille d’or incroyablement mince, ne mesurant que quelques centaines d’atomes d’épaisseur. Rutherford s’exclama alors cette phrase célèbre : « Tu lances un obus de 15 pouces sur un morceau de papier de soie, et cet obus rebondit et te frappe ! »
Il réfléchit à ce phénomène pendant un an et finit par découvrir que la charge positive et la masse extrêmement concentrée de l’atome se concentraient dans un noyau. Ce qui faisait rebondir les particules alpha, relativement légères par rapport au noyau de l’atome d’or, était la répulsion de charges identiques. Le noyau, comparé à la taille de l’atome, avait la taille d’une mouche dans une cathédrale.
L’invention du modèle atomique
En découvrant le noyau atomique, Rutherford ouvrait la voie à son assistant Niels Bohr, qui créa le modèle atomique en 1913. Ce modèle, inspiré des idées embryonnaires de la théorie quantique, représentait un atome comme un « système solaire » miniature, avec des électrons légers en orbite autour d’un noyau lourd ressemblant au soleil. Bien que ces idées aient été affinées plus tard avec la mécanique quantique et la relativité, cette image simple du modèle atomique a survécu pendant plus d’un siècle.
La fragmentation de l’atome par Ernest Rutherford
Ces expériences avaient prouvé l’existence du noyau atomique, mais elles n’avaient pas permis d’examiner sa structure. Dans un atome électriquement neutre, la charge positive du noyau est équilibrée par la charge négative des électrons qui l’entourent. Rutherford découvrit que les éléments plus légers, ayant moins d’électrons que les atomes plus lourds, devaient aussi avoir une charge nucléaire plus faible. Il en conclut que la résistance aux particules alpha devait être plus faible dans ces noyaux et que les particules alpha pouvaient donc s’en approcher davantage.
L’hydrogène étant l’élément le plus léger, Rutherford et Marsden commencèrent à envoyer des particules alpha sur de l’hydrogène. Les particules alpha étaient produites par une source radioactive, passaient à travers le gaz d’hydrogène, et leur impact sur un écran recouvert de sulfure de zinc était détecté par une lumière. Si l’écran était trop éloigné, la lumière s’éteignait, car les particules alpha perdaient de l’énergie en percutant les molécules d’air entre l’écran et la source radioactive, et elles s’arrêtaient à une distance à peu près constante.
Comment Rutherford a découvert le proton
Rutherford prouva qu’il existait des particules plus légères et chargées positivement que les particules alpha, en utilisant un champ magnétique. Ces particules plus légères, chargées positivement, étaient émises lorsque les particules alpha frappaient les atomes d’hydrogène. Rutherford les appela « H-particules », aujourd’hui connues sous le nom de protons.
Il s’agissait d’une découverte majeure, mais cela ne permettait pas encore de démontrer que les protons étaient les particules chargées positivement présentes dans tous les noyaux atomiques. Cette avancée importante survint après trois années de réflexion de Rutherford sur une anomalie découverte par Marsden : des H-particules étaient également produites lorsque les particules alpha traversaient l’air.
Marsden avait découvert cela en 1914. Il partit ensuite pour la Nouvelle-Zélande, et de nombreux autres étudiants partirent pour la Première Guerre mondiale. Rutherford, avec patience, poursuivit ses recherches seul et finit par comprendre ce qui se passait.
En envoyant des particules alpha sur différents éléments légers, il observa que des H-particules étaient émises par les noyaux de ces éléments, notamment le nitrogène, un des composants importants de l’atmosphère. Cette nouvelle découverte amena Rutherford à conclure que les H-particules étaient la particule fondamentale des noyaux atomiques. En 1919, il donna à ces particules le nom de « protons ».
La découverte du neutron
L’importance de cette découverte est illustrée par une anecdote. Pendant la guerre, l’expertise de Rutherford fut sollicitée, et il inventa des méthodes pour détecter les sous-marins. Lors d’une étape cruciale dans ses expériences sur le proton, il demanda l’autorisation au comité scientifique du gouvernement, en leur disant que si ses hypothèses étaient correctes, cela serait plus important que de gagner la guerre.
Lorsque l’on considère la découverte du noyau atomique de Rutherford et son rôle dans la bombe atomique qui mit fin à la Seconde Guerre mondiale, on comprend à quel point il était visionnaire.
Dans les années 1920, le rôle du proton dans le transport de la charge nucléaire était établi, mais il ne suffisait pas à expliquer le poids relatif des noyaux atomiques des différents éléments. Une particule alpha, ayant une charge deux fois supérieure à celle du proton, était quatre fois plus lourde.
En 1920, Rutherford suggéra l’existence d’une particule, le neutron, ayant une masse similaire à celle du proton mais étant électriquement neutre. Ainsi, la raison pour laquelle une particule alpha était quatre fois plus lourde qu’un proton était qu’elle contenait deux protons et deux neutrons. À ce stade, Rutherford, nommé professeur Cavendish à Cambridge, succéda à Thomson.
Sous la direction de Rutherford, James Chadwick découvrit le neutron en 1932.
À cette époque, Rutherford, dans la cinquantaine, dirigeait des recherches, plutôt que de réaliser des expériences lui-même. Le laboratoire Cavendish, équipé de dispositifs sensibles qui pouvaient être facilement perturbés ou endommagés par un coup maladroit, nécessitait une grande précaution. Même le bruit pouvait affecter certains instruments, et Rutherford, connu pour ses éclats de voix, était un potentiel danger pour les appareils. Sur une photo célèbre, il apparaît sous un panneau indiquant : « Parlez doucement, s’il vous plaît. »
La découverte de la transformation artificielle des éléments
À ce stade, Rutherford commença à utiliser de grands appareils scientifiques, marquant l’entrée dans ce que l’on appelle la « grande science » : l’utilisation de grands instruments pour explorer les labyrinthes de l’atome. Il savait qu’il avait défini les éléments fondamentaux du noyau atomique avec le proton et le neutron.
Cependant, la véritable structure de ces noyaux restait un mystère. Les particules alpha, produites par la radioactivité naturelle, n’avaient qu’une capacité limitée à pénétrer dans le champ électrique intense entourant le noyau. Il fallait des moyens pour augmenter l’énergie des particules alpha et pénétrer plus profondément dans la structure des noyaux.
Sous la direction de Rutherford, le premier « accélérateur de particules » fut construit. Avec cet appareil, John Cockroft et Ernest Walton accélérèrent des protons, plus légers que les particules alpha, et les envoyèrent sur du lithium. Ils découvrirent qu’un proton pouvait fendre un noyau de lithium, le divisant en deux particules alpha. C’était la première transformation artificielle d’éléments, un accomplissement majeur dans la science nucléaire.
Ernest Rutherford et ses travaux en physique nucléaire
Jusqu’à cette époque, la radioactivité concernait uniquement la transformation spontanée des éléments. Au laboratoire Cavendish, un élément, qui ne subissait pas de transformation de manière naturelle, a été converti artificiellement. Ainsi est née une nouvelle science : la physique nucléaire.
Bien que la radioactivité naturelle libérait une énergie notable, elle restait loin d’être prometteuse pour des applications pratiques. L’affirmation de Rutherford en 1930 selon laquelle quiconque suggérait que l’énergie pourrait être extraite du noyau faisait « des discours vains », était encore juste jusqu’à la découverte de la transformation artificielle des éléments.
Cependant, avec la capacité de provoquer la transformation des éléments, de nouvelles possibilités se sont ouvertes. L’une d’elles concernait la tendance des éléments tels que l’uranium à libérer des neutrons en fissionnant les atomes de leur environnement, créant ainsi des réactions en chaîne de fission. Ce processus devint une source d’énergie potentielle, tant pour des applications pacifiques que militaires.
Dans les années 1930, Ernest Rutherford était reconnu comme l’un des plus grands physiciens expérimentaux du monde. Il fut fait chevalier en 1914, reçu la médaille de la légion d’honneur en 1925 et en 1931 fut élevé au rang de Lord Rutherford of Nelson. Sa célébrité aurait pu indirectement contribuer à sa mort prématurée.
En 1937, il souffrit d’une hernie inguinale, et selon le protocole de l’époque en Angleterre, les membres de la Chambre des Lords devaient être opérés uniquement par un chirurgien ayant un titre. Le temps qu’il fallut pour trouver un médecin qualifié aurait, dit-on, causé son décès prématuré.
Deux ans plus tard, la Seconde Guerre mondiale éclata. Bien que l’on ne puisse que spéculer sur les contributions qu’il aurait pu apporter au projet Manhattan, qui a abouti à la création de la bombe atomique et au développement du radar, fondé sur ses découvertes en physique nucléaire et son premier amour pour les radiations électromagnétiques, son héritage scientifique fut immense. Il fut enterré près de la tombe d’Isaac Newton à l’abbaye de Westminster.