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Rutherford

Ernest Rutherford, baron de Nelson, est un physicien et chimiste le 30 ao√Ľt 1871 √† Brightwater, en Nouvelle-Z√©lande, et mort  le 19 octobre 1937 √† Cambridge, au Royaume-Uni. Ses  th√©ories ont jet√© les bases de la compr√©hension moderne de la structure de l'atome et il est aussi l'un des fondateurs de la physique nucl√©aire. Rutherford a re√ßu le prix Nobel de chimie en 1908 pour ses recherches sur la d√©sint√©gration des √©l√©ments et la chimie des substances radioactives.
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Ernest Rutherford.
Ernest Rutherford (1871-1937).

Apr√®s des √©tudes √† l'universit√© de Canterbury, en Nouvelle-Z√©lande, o√Ļ il a obtenu son dipl√īme en math√©matiques et en physique en 1893, Rutherford d√©croche une bourse pour √©tudier √† l'universit√© de Cambridge, au Royaume-Uni. Il y rejoint le laboratoire Cavendish, dirig√© par J.J. Thomson, et bient√īt se sp√©cialise dans l'√©tude des rayons X, d√©couverts par R√∂ntgen en 1895, puis dans celle des ph√©nom√®nes de radioactivit√©, d√©couverts par Becquerel en 1896. Il s'int√©resse plus particuli√®rement aux effets de ces rayonnement sur la conduction √©lectrique des gaz, ce qui le conduit √† reconna√ģtre deux types de radioactivit√©s, qu'il nomme alpha et b√™ta (1898).

A la suite de ces travaux, Rutherford est appel√© la m√™me ann√©e √† l'universit√© McGill de Montr√©al, au Canada, pour continuer ses recherches sur le rayonnement du radium en collaboration avec Frederick Soddy. Ensemble, ils d√©couvriront bient√īt que la radioactivit√© r√©sulte de la d√©sint√©gration des atomes. Rutherford, tire d√©j√† en 1902 de l'√©tude de la radioactivit√© du thorium dans un gaz, la formulation de la loi de d√©croissance radioactive, qui d√©crit la d√©sint√©gration exponentielle des √©l√©ments radioactifs au fil du temps. La th√©orie de la radioactivit√© des deux chercheurs sera publi√©e en 1903. Elle √©tablit que la radioactivit√© correspond √† la transformation d'un √©l√©ment chimique en un autre √©l√©ment suite √† l'√©mission d'une particule charg√© √©lectriquement, alpha ou b√™ta.

De retour en Angleterre en 1907, Rutherford est nomm√© professeur de physique √† l'universit√© de Manchester, qui est alors, avec Cambridge, l'un des grands centres de la recherche exp√©rimentale dans le pays. C'est l√† qu'il m√®ne notamment son exp√©rience c√©l√®bre sur la diffusion des particules alpha (dont il a montr√© avec J.T. Royds, que ce sont des noyaux d'h√©lium)  √† travers une mince feuille d'or (1909).

L'exp√©rience, que Rutherford effectue avec son √©quipe, Hans Geiger et Ernest Marsden, consiste √† bombarder une fine feuille d'or avec des particules alpha. L'objectif √©tant d'√©tudier le comportement de ces particules lorsqu'elles traversaient sous diverses incidences la feuille d'or afin d'en d√©duire la r√©partition des charges √©lectriques dans le m√©tal. Selon le mod√®le atomique pr√©valent √† l'√©poque, qui √©tait le mod√®le de Thomson (mod√®le dit du pudding aux raisins), l'atome √©tait consid√©r√© comme une masse uniform√©ment r√©partie de charge positive avec des √©lectrons incrust√©s dedans. Selon ce mod√®le, on s'attendait √† ce que les particules alpha traversent la feuille d'or sans √™tre beaucoup d√©vi√©es. Mais l'exp√©rience aboutit √† des r√©sultats tr√®s diff√©rents. Rutherford et ses collaborateurs observent qu'une majorit√©, certes, de particules alpha traversent la feuille d'or, mais aussi que certaines de ces particules  sont d√©vi√©es de mani√®re significative, voire rebroussent chemin, apr√®s 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 concentr√©e dans de toutes petites r√©gions, laissant de grands espaces vides entre elles.
Les r√©sultats de cette exp√©rience conduiront Rutherford √† formuler en 1911 le mod√®le atomique qui porte son nom, dans lequel il propose que  les atomes sont principalement compos√©s de vide, avec la majorit√© de la masse de l'atome  concentr√©e dans un petit noyau central porteur de charges √©lectriques positives, autour duquel les √©lectrons, porteurs de charges n√©gatives, orbitent √† une certaine distance (The Scattering of őĪ and ő≤ particles by Matter and the Structure of the Atom, Philosophical Magazine, 21, 669). Mais il appara√ģt vite que ce mod√®le de type plan√©taire a un grave inconv√©nient : selon les lois de l'√©lectromagn√©tisme classique, les √©lectrons en orbite acc√©l√©reraient continuellement, perdant de l'√©nergie sous forme de rayonnement, et finiraient par s'√©craser sur le noyau. C'est Bohr, qui en ajoutant  √† l'atome de Rutherford l'id√©e d'une quantification de ses √©tats d'√©nergies, 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.

¬ę Je pense que les exp√©riences de physique atomique que l'on peut faire avec un marteau et des clous ont presque toutes √©t√© faites, notamment par Rutherford ¬Ľ, note ironiquement Steven Weinberg  (1983).
En 1919, Rutherford et son √©quipe bombardent de l'azote avec des particules alpha et en viennent √† conclure (en accord en cela avec le constat ancien de Dalton selon lequel les masses atomiques des √©l√©ments √©taient approximativement des multiples de la masse atomique de l'hydrog√®ne), que les noyaux sont compos√©s 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 constitu√©s de protons, mais aussi, pour √©quilibrer les charges √©lectriques observ√©es, sans alt√©rer sensiblement la masse du noyau, d'√©lectrons. Une particule alpha ou un atome d'h√©lium (deux charges √©lectriques positives et environ quatre fois la masse d'un proton) serait ainsi constitu√© d'un noyau form√© de quatre protons et de deux √©lectrons; deux autres √©lectrons, conform√©ment au mod√®le de Rutherford, seraient en orbite autour de ce noyau. Il faudra attendre la d√©couverte du neutron, comme on l'a dit par Chadwick, pour rectifier cette image fausse. Un atome d'h√©lium s'av√®rera alors plut√īt constitu√© de deux protons et de deux neutrons pour le noyau, et de deux √©lectrons en orbite autour.

Rutherford  a continu√© dans les ann√©es 1920 et encore au d√©but des ann√©es 1930 ses exp√©riences de transmutation des √©l√©ments en bombardant diff√©rents mat√©riaux avec des particules alpha, et sur la radioactivit√© artificielle, c'est-√†-dire la radioactivit√© induite par des r√©actions nucl√©aires artificielles. Mais, exp√©rimentateur avant tout, il sera rest√© jusqu'au bout r√©tif aux bouleversements que connaissait la physique th√©orique de son temps. S'il n'a pas √©t√© le dernier physicien classique, au moins aura-t-il √©t√© de ceux qui ont men√© la physique classique aussi loin qu'elle pouvait aller.

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