Ernest Rutherford

gigatos | janvier 24, 2022

Post Views: 59

Résumé

Ernest Rutherford, premier baron de Nelson Rutherford, OM, PC, FRS, PRS (30 août 1871 Spring Grove, Nouvelle-Zélande – 19 octobre 1937 Cambridge, Angleterre, Royaume-Uni) était un physicien britannique né en Nouvelle-Zélande.

Rutherford a eu la possibilité de s »instruire dès l »enfance et en a profité pour réussir ses études. Il a effectué ses propres recherches alors qu »il était encore étudiant et a été accepté dans son premier groupe de recherche en tant qu »étudiant de troisième cycle à l »université de Cambridge, en Angleterre. C »est le début des recherches du physicien sur la radioactivité. Ces activités se sont poursuivies tout au long de sa vie dans diverses universités du monde entier, donnant lieu à des réalisations majeures.

Parmi les grandes découvertes de la physique, on lui attribue la découverte du noyau atomique lors d »une expérience aujourd »hui connue sous le nom d »expérience de Rutherford. Il a étudié la radioactivité et a été le premier à introduire les termes de rayonnement alpha, bêta et gamma. Rutherford a été le premier à découvrir que la moitié de la matière radioactive se désintègre en un temps constant (demi-vie). Rutherford a également découvert le proton et émis l »hypothèse de l »existence de particules non chargées, les neutrons, dans l »atome. Rutherford a reçu le prix Nobel de chimie en 1908 pour ses recherches sur la chimie des éléments radioactifs.

Ernest est né à Spring Grove, Nouvelle-Zélande, le 30 août 1871. Le père d »Ernest, James Rutherford, et sa mère, Martha Thompson, avaient tous deux émigré avec leurs parents en Nouvelle-Zélande au milieu du 19e siècle, le père James venant d »Ecosse à l »âge de 4 ans et la mère Martha venant d »Angleterre à l »âge de 13 ans. Ernest est né dans une famille de la classe moyenne. Selon diverses sources, son père a travaillé comme agriculteur et meunier de lin au cours de sa vie, et a exploité sa propre scierie, où le jeune Ernest a également beaucoup travaillé. Ernest était entouré de gens qui travaillaient dur et avaient de bonnes compétences techniques. Son père a également réparé et entretenu des machines et des pièces pour diverses usines. Sa mère était une enseignante qui a appris à tous ses enfants à lire et à écrire. Douze enfants sont nés dans la famille Rutherford, cinq filles et sept garçons. Ernest était le quatrième enfant et le deuxième fils aîné. Trois des frères d »Ernest sont morts en bas âge, un à la naissance et deux se sont malheureusement noyés lors d »un voyage familial. Cela a conduit la mère d »Ernest à la dépression, dont elle ne s »est jamais remise de son vivant.

Les enfants Rutherford ont tous reçu une bonne éducation parce que leurs parents appréciaient l »éducation. L »appréciation des parents s »explique par le fait que le père James n »a jamais eu cette opportunité et que la mère Martha l »a eue. Sa mère croyait que « toute connaissance est un pouvoir ». Ernest a passé ses années scolaires dans les écoles de campagne de son lieu de résidence jusqu »en 1886 (Foxhill Primary School 1876-81, Havelock Primary School 1882-86). Il a reçu son premier livre de sciences de l »école à l »âge de 10 ans. La même année, Rutherford a construit son propre canon miniature, qui a heureusement explosé sans faire de dégâts.

A lire aussi, histoire – Mur de Berlin

Années d »études

En 1887, à sa deuxième tentative, Ernest, âgé de 15 ans, obtient une bourse du Marlborough Board of Education pour entrer au Nelson College, une école secondaire privée. Il s »est éloigné de la maison et a étudié avec succès dans toutes les matières, en particulier les mathématiques et les sciences. Pendant ses études, il était un joueur de rugby passionné. Après avoir quitté l »école en 1890, toujours à sa deuxième tentative, Ernest réussit à obtenir une bourse d »études au Canterbury College de Christchurch, l »une des quatre universités néo-zélandaises. À Canterbury, Rutherford a eu la chance de recevoir l »enseignement de brillants professeurs qui l »ont réellement intéressé à la recherche scientifique. Pendant ses trois années d »études, il a étudié le latin, le français et les mathématiques. En 1892, il obtient un diplôme (Bachelor of Arts) en mathématiques, mathématiques appliquées, latin, anglais, français et physique. Grâce à ses excellentes notes, il a obtenu une bourse pour une année d »études de troisième cycle (année « Honours »). Pendant cette année supplémentaire, M. Rutherford a obtenu une licence en géologie et en chimie. Il a également poursuivi ses études de mathématiques et de physique tout en menant des recherches indépendantes, principalement axées sur la théorie de l »électricité et du magnétisme. Ses principales recherches à cette époque portaient sur l »induction magnétique à haute fréquence et la viscosité magnétique du fer et de l »acier, sujets sur lesquels il a également publié ses premiers articles. Au cours de ses recherches, il a également mis au point de nouveaux dispositifs de physique, notamment un détecteur d »impulsions de courant rapide. C »est à cette époque qu »il rencontre et tombe amoureux de Mary Newton, la fille du propriétaire de l »appartement où il étudie.

En tant qu »étudiant de troisième cycle à l »université

Après l »université, l »ambition de Rutherford est de devenir chercheur au laboratoire Cavendish de l »université de Cambridge, en Angleterre. Son souhait a heureusement été exaucé lorsque James Maclaurin, l »un des autres candidats, a refusé le poste parce qu »il n »acceptait pas les conditions de la bourse. Rutherford quitte donc la Nouvelle-Zélande pour l »Angleterre et devient le premier diplômé de troisième cycle à obtenir un diplôme en dehors de Cambridge (1895-98). C »est ainsi que Rutherford commence ses travaux de recherche avec le groupe de recherche du professeur J.J. Thompson au laboratoire Cavendish de l »université de Cambridge. En tant qu »ambitieux étudiant diplômé, il a été le premier à réussir à transmettre et à recevoir des ondes électromagnétiques. Au cours de ses recherches, il a réussi à transmettre des ondes électromagnétiques sur une distance d »un demi-mile, un record mondial à l »époque. En plus de montrer qu »une décharge oscillante magnétisait le fer, Rutherford a découvert qu »une aiguille magnétisée perdait son magnétisme dans un champ magnétique produit par un courant alternatif. L »aiguille est ainsi devenue un détecteur de rayonnement électromagnétique, un fait qui avait également été découvert à la même époque par le physicien allemand Heinrich Hertz dans son laboratoire. Les résultats de Rutherford étaient plus simples et avaient un plus grand potentiel commercial. Lorsque Rutherford apprend la découverte des rayons X par l »Allemand Wilhelm Röntgen, il est heureux de passer, à la demande de J.J. Thompson, à l »étude de l »effet des rayons X sur la conduction de l »électricité dans les gaz. Les études de Thompson et Rutherford ont conduit à l »observation de l »ionisation, la décomposition des atomes et des molécules en parties positives et négatives (ions) et l »attraction de ces particules chargées sur des électrodes opposées. Les recherches de Rutherford ont également porté sur les rayonnements produisant des ions, les rayonnements ultraviolets et les rayonnements émis par l »uranium. Rutherford a découvert que le rayonnement émis par l »uranium était beaucoup plus complexe qu »on ne le pensait auparavant. Il a rapidement commencé à comprendre le concept de radioactivité, qui est devenu son principal intérêt et donc l »œuvre de sa vie. En 1898, il a découvert que les atomes radioactifs, dans sa recherche les atomes d »uranium, émettent deux types de rayonnement. Il les a nommés rayonnement alpha (α) et bêta (β). Très vite, le rayonnement bêta s »est avéré être des électrons rapides. Pendant plusieurs années par la suite, les scientifiques ont concentré leur attention sur l »étude des rayonnements alpha et bêta. En plus de ses travaux de recherche, J.J. Thompson et lui ont pu assister aux réunions de la Royal Society et de la British Association. Cela lui a donné l »occasion de partager les résultats de ses recherches et de démontrer son talent, et il a laissé une marque durable à l »université de Cambridge.

Recherche et réalisations dans les universités

Université McGill, Montréal, Canada (1898-1907)

Université de Manchester, Angleterre (1907-19)

Université de Cambridge, Laboratoire Cavendish, Angleterre (1919-1937)

En 1898, Rutherford accepte un poste de professeur à l »université McGill de Montréal, au Canada (1898-1907). L »université avait des laboratoires bien équipés, alors Rutherford a traversé l »océan. Il a recruté un jeune chimiste, Frederick Soddy, pour l »aider dans ses recherches, et une étudiante diplômée, Harriet Brooks, comme assistante. Avec leur aide, il a démontré le mystère de la désintégration radioactive : les atomes de certains éléments se décomposent spontanément en atomes d »éléments plus légers. C »est l »une des percées de sa carrière. Après avoir découvert que le produit final de la désintégration de l »uranium est le plomb, Rutherford a compris qu »en mesurant les proportions relatives d »uranium et de plomb dans les minéraux et la vitesse de désintégration des atomes d »uranium, il était possible de déterminer l »âge des minéraux. La datation radioactive d »échantillons de sol constitue encore aujourd »hui une partie importante de la recherche géologique. C »est à la suite d »études sur la désintégration des éléments lourds qu »est apparu le concept de demi-vie, c »est-à-dire le temps nécessaire à la moitié des noyaux atomiques d »une substance radioactive pour se désintégrer en d »autres noyaux atomiques.

Entre 1902 et 1903, Rutherford et Soddy ont élaboré la théorie de la désintégration comme explication de la radioactivité, qui est considérée comme la plus grande réalisation de Rutherford à l »Université McGill. Dans l »alchimie et la théorie des éléments de transition, les atomes étaient considérés comme stables, mais Rutherford et Soddy ont soutenu que l »énergie radioactive provenait de l »intérieur de l »atome et que l »émission spontanée de particules alpha et bêta marquait la transformation chimique des atomes d »un élément à un autre. Les preuves accablantes des études expérimentales ont étouffé les sceptiques. Rutherford pensait que la particule alpha était la principale responsable de ce changement chimique en raison de la masse concrète de la particule alpha. Il a identifié une charge positive sur la particule alpha, mais n »a pas encore pu déterminer s »il s »agissait d »un ion d »hydrogène ou d »hélium.

Pendant son séjour à l »université McGill, Rutherford accueille de plus en plus d »étudiants chercheurs, y compris des femmes, qui sont peu nombreuses à l »université à l »époque. Elle était une conférencière et une journaliste très demandée. Il a été élu membre de la Société royale du Canada en 1900 et de la Société royale de Londres en 1903. Il a également rédigé les manuels les plus importants sur la radioactivité au cours de cette période. Son premier livre, Radioactivity, a été publié en 1904. Il a reçu des subventions, des médailles et de nombreuses offres d »emploi. Plus tard, en 1908, il a reçu le prix Nobel de chimie pour ses recherches sur la décomposition des éléments et ses résultats chimiques sur les substances radioactives. Un Rutherford déconcerté disait souvent à ses amis que le changement le plus rapide qu »il connaissait était son passage de physicien à chimiste.

En 1900, Rutherford retourne brièvement en Nouvelle-Zélande pour épouser sa bien-aimée Mary Newton. Leur seul enfant, Eileen, est né en 1901. Le couple s »est rendu en Nouvelle-Zélande en 1905 pour renouer les liens avec leurs familles.

Rutherford ne voulait jamais rester immobile longtemps et il avait souvent de nouvelles possibilités alternatives en tête. L »Amérique du Nord possédait une bonne communauté scientifique, mais le centre de la physique terrestre se trouvait en Europe. L »Angleterre l »attire à nouveau. L »Angleterre était plus proche des principaux centres scientifiques et comptait à la fois plus d »étudiants diplômés et de meilleure qualité. En 1907, lorsque Rutherford se voit proposer le poste de directeur de l »université de Manchester, il accepte.

À l »université de Manchester, Rutherford a recentré ses recherches sur les rayonnements alpha, bêta et gamma et sur la manière dont ces types de rayonnements pouvaient apporter de nouvelles connaissances sur la nature des atomes. Il laisse la radiochimie à d »autres scientifiques et retourne à la physique. Rutherford a réussi à prouver dans ses études physiques ce qu »il soupçonnait depuis longtemps. La particule alpha était un atome d »hélium sans ses électrons. Cependant, il souhaitait obtenir de meilleures preuves pour étayer ses conclusions et a réalisé plusieurs nouvelles expériences avec son équipe de recherche. Avec Hans Geiger, Rutherford a mis au point un détecteur électrique, l » »électromètre », pour détecter les particules ionisées. Grâce à cet instrument, il a pu déterminer des constantes physiques importantes sur le plan expérimental, notamment la constante d »Avogadro. Plus tard, Geiger a complété avec Walther Mϋller un instrument de mesure de la radioactivité, le tube de Geiger (Mϋller), qui est encore aujourd »hui un instrument universel de mesure de la radioactivité. Sous la direction de Geiger, Rutherford charge son jeune étudiant Ernest Madsen de mesurer le nombre relatif de particules alpha par rapport à l »angle de diffusion et de déterminer si un rayonnement alpha est réfléchi par les métaux (expérience dite de Rutherford). M. Madsen a constaté qu »une partie du rayonnement alpha était réfléchie par les métaux et même directement par la fine pellicule d »or. Ce résultat a surpris même Rutherford un peu. À partir de ces résultats, il conclut en 1911 que la quasi-totalité de la masse d »un atome est concentrée dans son minuscule noyau, qui est 1 000 fois plus petit que l »atome lui-même, et que la majeure partie de l »atome serait donc un espace vide. Le noyau de l »atome avait été trouvé. Cette deuxième grande découverte de Rutherford l »a rendu durablement célèbre. En 1912, le physicien danois Niels Bohr a visité le laboratoire de Rutherford et, un an plus tard, a démontré l »importance des découvertes de Rutherford. Bohr a prouvé que la radioactivité trouve son origine dans le noyau de l »atome et les propriétés chimiques dans les électrons qui gravitent autour du noyau. Il a utilisé l »idée quantique de Rutherford pour créer un modèle orbital des électrons dans l »atome. Ainsi, un nouveau modèle atomique a été créé. Les modèles atomiques de Rutherford et Bohr figurent toujours dans les manuels de chimie et de physique d »aujourd »hui. En outre, la diffusion de Rutherford est toujours utilisée pour aider les dispositifs de microélectronique utilisés pour détecter les particules nucléaires et les orbitales atomiques.

L »année du déclenchement de la Première Guerre mondiale (1914-1918), Rutherford a été fait chevalier. Pendant la guerre, il a mené des recherches pour le gouvernement, développant des méthodes acoustiques pour détecter les sous-marins. Ces informations ont ensuite été partagées avec les Américains. Dans le même temps, il tente sans succès de persuader les jeunes scientifiques qu »il serait préférable de les utiliser pour développer et rechercher des défis en temps de guerre plutôt que de voir leur vie et leur talent scientifique détruits dans les tranchées. Vers la fin de la guerre, en 1917, Rutherford revient à la pratique de la science atomique. En bombardant des atomes légers avec un rayonnement alpha, Rutherford a remarqué que les particules éjectées avaient une énergie supérieure à celle du rayonnement alpha et a deviné que ces particules étaient des noyaux d »hydrogène (protons H+). Sur la base de cette observation, il a conclu que le bombardement avait simultanément transformé des atomes d »azote en atomes d »oxygène. Il avait donc réussi à utiliser des particules alpha (He2+) pour transformer un élément en un autre élément à la suite d »une réaction nucléaire. Rutherford est ainsi devenu le premier alchimiste à avoir réussi et le premier à diviser le noyau, ce qui lui a valu une réputation scientifique durable. Ces résultats ont été publiés après la guerre, en 1919.

Après la guerre, en 1919, il retourne à ses racines de chercheur universitaire et a l »honneur d »occuper le poste de professeur de physique expérimentale à Cambridge et le poste de directeur du laboratoire Cavendish, succédant au célèbre Sir J. J. Thomson. Son temps étant désormais occupé par des tâches administratives, il n »avait plus autant de temps à consacrer à la recherche qu »auparavant.

Rutherford invite James Chadwick, un étudiant diplômé de Manchester, à le rejoindre à Cavendish pour poursuivre leurs recherches communes. Dans des expériences de laboratoire, ils ont bombardé des atomes légers avec des rayons alpha, provoquant des changements dans leur structure, mais n »ont pas réussi à pénétrer les noyaux des éléments plus lourds avec des rayons alpha. Les charges mutuelles entre le rayonnement alpha et les noyaux des atomes plus lourds semblaient se repousser mutuellement. En outre, ils n »ont pas pu déterminer si la particule alpha a été réfléchie ou si elle a fusionné avec le noyau pour être bombardée de toute façon. Finalement, à la fin des années 1920, les progrès de l »écotechnologie ont permis de résoudre ces questions. Entre-temps, au cours de sa première décennie en tant que professeur d »université et directeur de laboratoire, Rutherford se concentre sur la création de groupes de recherche de premier ordre. Il s »est avéré être un leader humain et solidaire qui a veillé à ce que les étudiants s »attribuent le mérite des recherches qu »il a encadrées. Il a fait campagne à l »université pour que les femmes aient les mêmes droits que les hommes.

En 1925, Rutherford voyage pour la dernière fois, en Australie et en Nouvelle-Zélande. Pendant sa visite de six semaines en Nouvelle-Zélande, il a donné plusieurs conférences publiques. Partout où il a donné des conférences, il a reçu un accueil respectueux. Les salles étaient bondées de gens qui voulaient l »entendre parler de la structure de l »atome. Rutherford a déclaré qu »il avait toujours été fier d »être néo-zélandais. Il a exprimé son soutien à l »éducation et à la recherche et a recommandé que des recherches scientifiques soient effectuées au profit des agriculteurs. Grâce à son soutien, un institut de recherche scientifique et industrielle a été créé en Nouvelle-Zélande en 1926. Pendant sa visite en Nouvelle-Zélande, il a également pris soin de ses parents malades.

La fille unique des Rutherford, Eileen, était mariée à Ralph Fowler, physicien mathématicien au laboratoire Cavendish. Ils ont eu quatre enfants, tous très instruits. La tristesse s »abat sur la famille Rutherford lorsque Eileen meurt d »un caillot de sang en 1930, à l »âge de 29 ans seulement, neuf jours après la naissance de son plus jeune enfant et deux jours avant Noël 1930. Le jour de l »an de cette année-là, Rutherford est créé baronnet, Baron Rutherford of Nelson, mais cet honneur est éclipsé par la tristesse de la mort de sa fille.

Avec le développement de la technologie, les années 30 constituent l »âge d »or des équipes de recherche de Rutherford. En 1932, James Chadwick a découvert le neutron, démontrant ainsi que le noyau était composé de protons et de neutrons. Rutherford avait prédit l »existence du neutron une décennie plus tôt et avait guidé Chadwick dans ses recherches en lui indiquant quelles propriétés le neutron devait avoir. La même année, John Cockcroft et Ernest Walton réussissent à scinder l »atome de lithium en le bombardant de protons, les noyaux de l »atome d »hydrogène, accélérés à très grande vitesse par un accélérateur à haute tension. L »atome de lithium s »est divisé en deux particules alpha. Les deux hommes ont ensuite reçu le prix Nobel de physique pour leurs travaux en 1951.

Après l »invention de la chambre à nuages (par le physicien anglais Charles Wilson, prix Nobel de physique en 1927), on a obtenu des preuves visuelles de ce qui se passe réellement dans les collisions. Le physicien anglais Patrick Blackett a utilisé la chambre à nuages pour étudier 400 000 collisions de particules alpha et a découvert que la plupart d »entre elles étaient des collisions élastiques ordinaires. Cependant, certaines de ces collisions ont entraîné une désintégration. Dans ces derniers, le rayonnement alpha pénètre le noyau de l »ion cible, après quoi le noyau se divise en deux. Il s »agissait d »une étape très importante dans la compréhension des réactions nucléaires et Blackett a reçu le prix Nobel de physique en 1948 pour ses résultats. Une grande ère scientifique avait commencé sous la direction de Rutherford. Des années plus tôt, Rutherford avait supposé que pour pénétrer le noyau d »un atome, il fallait des particules accélérées de quelques millions de volts pour égaler l »énergie des particules retirées de l »atome radioactif. À cette fin, pendant des années, il a poussé l »industrie de son pays à développer des sources de haute tension. Cependant, George Gamow et Norman Feather, dans le cadre de leurs propres recherches, ont fait une découverte qui a montré que les particules de plus faible énergie étaient plus efficaces pour pénétrer le noyau de l »atome. Rutherford met en service un accélérateur de particules à basse tension avec un flux de particules bien meilleur. En conséquence, Gilbert Lewis a pu expérimenter avec de l »hydrogène plus lourd, le deutérium et le tritium, et de l »hélium léger (He-3). En conséquence, en 1932, Rutherford, le physicien australien Mark Oliphant et le chimiste allemand Paul Harteck ont collaboré pour réaliser la première réaction de fusion. Ils ont bombardé du deutérium (2H) avec des deutérons (2H+) pour produire du tritium (3H). Rutherford espérait que la fission nucléaire, qui pouvait libérer efficacement l »énergie de l »uranium, ne serait pas découverte avant que les humains puissent vivre en harmonie avec leurs voisins. Toutefois, cet objectif n »a été atteint que quelques années après sa mort.

Epilogue

Rutherford avait quelques intérêts en dehors de la science, principalement le golf et l »automobile. Il était libéral mais pas politiquement actif, bien qu »il ait été membre du conseil consultatif de l »Institut gouvernemental pour la recherche scientifique et industrielle et président du Conseil auxiliaire académique.

Au cours de sa vie, Rutherford a reçu de nombreux prix scientifiques et doctorats honorifiques dans de nombreux pays, ainsi que des subventions de nombreuses sociétés et organisations. Plusieurs bâtiments ont été baptisés de son nom et il est apparu sur des timbres-poste de quatre pays différents et sur des billets de banque néo-zélandais. L »élément rutherfordium est nommé en son honneur.

Rutherford est mort à Cambridge à l »âge de 66 ans le 19 octobre 1937 des complications d »une opération de la hernie et a été enterré dans l »abbaye de Westminster à Londres. Lady Rutherford se retire pour ses vieux jours dans sa Nouvelle-Zélande natale, à Christchurch, où elle meurt en 1954.

« C »était presque aussi incroyable que de bombarder du papier de soie avec des projectiles de 15 pouces et de les voir rebondir et me toucher. » (Rutherford a déclaré que son expérience était le résultat de recherches qui ont conduit à la découverte du noyau atomique).

Publications

Sources