Toute science est soit de la physique, soit de la philatélie.
Ernest Rutherford était un physicien britannique né en Nouvelle-Zélande qui est devenu connu comme le père de la physique nucléaire. L'Encyclopædia Britannica le considère comme le plus grand expérimentaliste depuis Michael Faraday.
Au début de ses travaux, Rutherford a découvert le concept de demi-vie radioactive, l'élément radioactif radon, et a différencié et nommé les rayonnements alpha et bêta. Ces travaux ont été effectués à l'Université McGill à Montréal, Québec, Canada. Ils constituent la base du prix Nobel de chimie qu'il a reçu en 1908 « pour ses recherches sur la désintégration des éléments et la chimie des substances radioactives », ce qui en a fait le premier lauréat du prix Nobel canadien et océanien.
Rutherford s'est installé en 1907 à la Victoria University of Manchester aujourd'hui University of Manchester au Royaume-Uni, où lui et Thomas Royds ont prouvé que les rayonnements alpha sont des noyaux d'hélium. Rutherford a effectué son travail le plus célèbre après être devenu lauréat du prix Nobel. En 1911, bien qu'il ne puisse pas prouver que c'était positif ou négatif, il a théorisé que les atomes ont leur charge concentrée dans un noyau très petit, et a ainsi pionnié le modèle de Rutherford de l'atome, par sa découverte et son interprétation de la diffusion de Rutherford par l'expérience de la feuille d'or de Hans Geiger et Ernest Marsden. Il a réalisé la première réaction nucléaire induite artificiellement en 1917 lors d'expériences où les noyaux d'azote ont été bombardés par des particules alpha. En résultat, il a découvert l'émission d'une particule subatomique que, en 1919, il a appelée l'« atome d'hydrogène » mais que, en 1920, il a plus précisément nommée le proton.
Rutherford est devenu directeur du Cavendish Laboratory à l'Université de Cambridge en 1919. Sous sa direction, le neutron a été découvert par James Chadwick en 1932 et, la même année, la première expérience de scission du noyau de manière entièrement contrôlée a été réalisée par des étudiants travaillant sous sa direction, John Cockcroft et Ernest Walton. Après sa mort en 1937, il a été enterré à l'abbaye de Westminster près de Sir Isaac Newton. L'élément chimique rutherfordium élément 104 a été nommé en son honneur en 1997.
Biographie
Jeunesse et éducation
Ernest Rutherford était le fils de James Rutherford, fermier, et de sa femme Martha Thompson, originaire de Hornchurch, Essex, Angleterre. James avait émigré en Nouvelle-Zélande depuis Perth, Écosse, « pour cultiver un peu de lin et beaucoup d'enfants ». Ernest est né à Brightwater, près de Nelson, Nouvelle-Zélande. Son prénom a été orthographié par erreur « Earnest » lors de l'enregistrement de sa naissance. La mère de Rutherford, Martha Thompson, était institutrice.
Il a étudié à la Havelock School puis au Nelson College et a remporté une bourse pour étudier au Canterbury College, Université de Nouvelle-Zélande, où il a participé à la société de débat et a joué au rugby. Après l'obtention de son BA, MA et BSc, et deux ans de recherche pendant lesquels il a inventé une nouvelle forme de récepteur radio, en 1895 Rutherford a reçu une bourse de recherche 1851 de la Commission royale pour l'Exposition de 1851, pour se rendre en Angleterre pour des études de troisième cycle au Cavendish Laboratory, Université de Cambridge. Il faisait partie des premiers des « étrangers » ceux sans diplôme de Cambridge autorisés à faire des recherches à l'université, sous la direction de J. J. Thomson, ce qui a provoqué des jalousies de la part des membres plus conservateurs de la fraternité Cavendish. Avec l'encouragement de Thomson, il a réussi à détecter les ondes radio à un demi-mille et a brièvement détenu le record mondial de la distance sur laquelle les ondes électromagnétiques pouvaient être détectées, bien que lorsqu'il a présenté ses résultats à la réunion de la British Association en 1896, il ait découvert qu'il avait été surpassé par Guglielmo Marconi, qui donnait également une conférence.
En 1898, Thomson a recommandé Rutherford pour un poste à l'Université McGill à Montréal, Canada. Il devait remplacer Hugh Longbourne Callendar qui occupait la chaire de professeur Macdonald de physique et venait à Cambridge. Rutherford a été accepté, ce qui signifiait qu'en 1900 il pouvait épouser Mary Georgina Newton 1876–1954 à qui il s'était fiancé avant de quitter la Nouvelle-Zélande; ils se sont mariés à l'église anglicane St Paul's, Papanui à Christchurch, ils avaient une fille, Eileen Mary 1901–1930, qui a épousé le physicien Ralph Fowler. En 1901, Rutherford a obtenu un DSc de l'Université de Nouvelle-Zélande. En 1907, il est retourné en Bretagne pour occuper la chaire de physique à la Victoria University of Manchester.
Années ultérieures et honneurs
Rutherford a été fait chevalier en 1914. Pendant la Première Guerre mondiale, il a travaillé sur un projet top secret pour résoudre les problèmes pratiques de la détection des sous-marins par sonar. En 1916, il a reçu la médaille Hector Memorial. En 1919, il est retourné au Cavendish, succédant à J. J. Thomson en tant que professeur Cavendish et directeur. Sous sa direction, des prix Nobel ont été décernés à James Chadwick pour la découverte du neutron en 1932, à John Cockcroft et Ernest Walton pour une expérience qui allait être connue sous le nom de scission de l'atome à l'aide d'un accélérateur de particules, et à Edward Appleton pour avoir démontré l'existence de l'ionosphère. En 1925, Rutherford a poussé des appels au gouvernement de la Nouvelle-Zélande pour soutenir l'éducation et la recherche, ce qui a conduit à la formation du Department of Scientific and Industrial Research DSIR l'année suivante. Entre 1925 et 1930, il a servi en tant que président de la Royal Society, et plus tard en tant que président de l'Academic Assistance Council qui a aidé près de 1 000 réfugiés universitaires en provenance d'Allemagne. Il a été nommé à l'Ordre du Mérite dans les honneurs du Nouvel An 1925 et a été élevé à la pairie en tant que Baron Rutherford of Nelson, of Cambridge dans le comté de Cambridge en 1931, titre qui s'est éteint lors de sa mort inattendue en 1937. En 1933, Rutherford a été l'un des deux premiers récipiendaires de la médaille T. K. Sidey, établie par la Royal Society of New Zealand comme un prix pour la recherche scientifique exceptionnelle.
Quelque temps avant sa mort, Rutherford avait une petite hernie, qu'il avait négligé de faire corriger, et elle est devenue étranglée, le rendant violemment malade. Malgré une opération d'urgence à Londres, il est décédé quatre jours après de ce que les médecins ont appelé une « paralysie intestinale », à Cambridge. Après la crémation au crématorium de Golders Green, il a reçu l'honneur insigne d'être enterré à l'abbaye de Westminster, près d'Isaac Newton et d'autres éminents scientifiques britanniques.
Recherche scientifique
À Cambridge, Rutherford a commencé à travailler avec J. J. Thomson sur les effets conducteurs des rayons X sur les gaz, travail qui a mené à la découverte de l'électron que Thomson a présenté au monde en 1897. Ayant entendu parler de l'expérience de Becquerel avec l'uranium, Rutherford a commencé à explorer sa radioactivité, découvrant deux types qui différaient des rayons X dans leur pouvoir de pénétration. Poursuivant ses recherches au Canada, il a inventé les termes rayon alpha et rayon bêta en 1899 pour décrire les deux types distincts de rayonnement. Il a ensuite découvert que le thorium émettait un gaz qui produisait une émanation elle-même radioactive et qui recouvrait d'autres substances. Il a constaté qu'un échantillon de ce matériau radioactif de n'importe quelle taille prenait invariablement le même temps pour que la moitié de l'échantillon se désintègre – sa « demi-vie » 11½ minutes dans ce cas.
De 1900 à 1903, il a été rejoint à McGill par le jeune chimiste Frederick Soddy prix Nobel de chimie, 1921 à qui il a posé le problème d'identifier les émanations du thorium. Une fois qu'il avait éliminé toutes les réactions chimiques normales, Soddy a suggéré que ce devait être l'un des gaz inertes, qu'ils ont nommé thoron plus tard trouvé être un isotope du radon. Ils ont également trouvé un autre type de thorium qu'ils ont appelé Thorium X, et ont continué à trouver des traces d'hélium. Ils ont également travaillé avec des échantillons de « Uranium X » de William Crookes et du radium de Marie Curie.
En 1903, ils ont publié leur « Loi du changement radioactif », pour expliquer toutes leurs expériences. Jusque-là, on supposait que les atomes étaient la base indestructible de toute matière et bien que Curie ait suggéré que la radioactivité était un phénomène atomique, l'idée que les atomes de substances radioactives se décomposaient était une idée radicalement nouvelle. Rutherford et Soddy ont démontré que la radioactivité impliquait la désintégration spontanée des atomes en d'autres matières, encore non identifiées. Le prix Nobel de chimie 1908 a été décerné à Ernest Rutherford « pour ses recherches sur la désintégration des éléments et la chimie des substances radioactives ».
En 1903, Rutherford a envisagé un type de rayonnement découvert mais non nommé par le chimiste français Paul Villard en 1900, comme une émission du radium, et a réalisé que cette observation devait représenter quelque chose de différent de ses propres rayons alpha et bêta, en raison de son pouvoir de pénétration bien plus grand. Rutherford a donc donné à ce troisième type de rayonnement le nom de rayon gamma. Les trois termes de Rutherford sont tous en usage standard aujourd'hui – d'autres types de décroissance radioactive ont depuis été découverts, mais les trois types de Rutherford sont parmi les plus courants.
En 1904, Rutherford a suggéré que la radioactivité fournit une source d'énergie suffisante pour expliquer l'existence du Soleil pendant les millions d'années requises pour l'évolution biologique lente sur Terre proposée par des biologistes comme Charles Darwin. Le physicien Lord Kelvin avait argumenté plus tôt en faveur d'une Terre beaucoup plus jeune voir également William Thomson, 1er Baron Kelvin#Âge de la Terre : géologie basée sur l'insuffisance des sources d'énergie connues, mais Rutherford a souligné lors d'une conférence à laquelle Kelvin a assisté que la radioactivité pourrait résoudre ce problème.
À Manchester, il a continué à travailler avec les rayonnements alpha. En conjonction avec Hans Geiger, il a développé des écrans de scintillation de sulfure de zinc et des chambres d'ionisation pour compter les alphas. En divisant la charge totale qu'ils produisaient par le nombre compté, Rutherford a décidé que la charge sur l'alpha était de deux. À la fin de 1907, Ernest Rutherford et Thomas Royds ont permis aux alphas de pénétrer à travers une fenêtre très fine dans un tube évacué. Lorsqu'ils ont excité le tube en décharge, le spectre obtenu à partir de celui-ci a changé, à mesure que les alphas s'accumulaient dans le tube. Finalement, le spectre clair du gaz hélium est apparu, prouvant que les alphas étaient au moins des atomes d'hélium ionisés, et probablement des noyaux d'hélium.
Un mythe de longue date existait, au moins dès 1948, et au moins jusqu'en 2017, selon lequel Rutherford aurait été le premier scientifique à observer et à signaler une transmutation artificielle d'un élément stable en un autre élément : l'azote en oxygène. Beaucoup de gens pensaient que c'était l'un des plus grands accomplissements de Rutherford. Le gouvernement néo-zélandais a même émis un timbre commémoratif dans la conviction que la découverte de la transformation azote-oxygène appartenait à Rutherford. À partir de 2017, de nombreuses institutions scientifiques ont corrigé leurs versions de cette histoire pour indiquer que le crédit de la découverte de la réaction appartient à Patrick Blackett. Rutherford a détecté le proton éjecté en 1919 et l'a interprété comme la preuve de la désintégration du noyau d'azote en noyaux plus légers. En 1925, Blackett a montré que le produit réel est l'oxygène et a identifié la véritable réaction comme 14N + α → 17O + p. Rutherford a donc reconnu « que le noyau peut augmenter plutôt que diminuer en masse en raison des collisions dans lesquelles le proton est expulsé ».
Expérience de la feuille d'or
Rutherford a réalisé son travail le plus célèbre après avoir reçu le prix Nobel en 1908. Avec Hans Geiger et Ernest Marsden en 1909, il a mené l'expérience de Geiger–Marsden, qui a démontré la nature nucléaire des atomes en déviant les particules alpha passant à travers une fine feuille d'or. Rutherford a été inspiré à demander à Geiger et Marsden dans cette expérience de rechercher des particules alpha avec des angles de déviation très élevés, d'un type non attendu par aucune théorie de la matière à cette époque. De telles déviations, bien que rares, ont été trouvées, et se sont avérées être une fonction lisse mais d'ordre élevé de l'angle de déviation. C'était l'interprétation de Rutherford de ces données qui l'a conduit à formuler le modèle de Rutherford de l'atome en 1911 – qu'un très petit noyau chargé, contenant une grande partie de la masse de l'atome, était en orbite par des électrons de faible masse.
En 1919–1920, Rutherford a constaté que l'azote et d'autres éléments légers ont éjecté un proton, qu'il a appelé un « atome d'hydrogène », quand ils ont été frappés avec des particules α alpha. Ce résultat a montré à Rutherford que les noyaux d'hydrogène faisaient partie des noyaux d'azote et, par inférence, probablement aussi d'autres noyaux. Une telle construction avait été suspectée pendant de nombreuses années sur la base des poids atomiques qui étaient des nombres entiers de celui de l'hydrogène; voir l'hypothèse de Prout. L'hydrogène était connu pour être l'élément le plus léger, et ses noyaux probablement les noyaux les plus légers. Maintenant, en raison de toutes ces considérations, Rutherford a décidé qu'un noyau d'hydrogène était possiblement un élément constitutif fondamental de tous les noyaux, et aussi possiblement une nouvelle particule fondamentale, puisque rien n'était connu du noyau qui était plus léger. Ainsi, confirmant et prolongeant le travail de Wilhelm Wien qui en 1898 a découvert
