Ernest Rutherford - Définition

Montréal, 1898-1907 : radioactivité

En 1898, à l'âge de 27 ans, après trois ans passés à Cambridge, on lui propose une chaire de physique à l'Université McGill de Montréal, qu'il s'empresse d'accepter, voyant là l'occasion de faire venir auprès de lui celle qui l'attendait en Nouvelle-Zélande.

Becquerel découvre à cette époque (1896) que l'uranium émet un rayonnement inconnu, le « rayonnement uranique ».

Rutherford publie en 1899 un papier essentiel, où il étudie la façon dont ces rayonnements ionisent l'air en plaçant de l'uranium entre deux plaques chargées et en mesurant le courant qui passait. Il étudie ainsi le pouvoir de pénétration des rayonnements, en couvrant ses échantillons d'uranium avec des feuilles métalliques d'épaisseurs différentes.

Il remarque que l'ionisation commence par diminuer très rapidement avec l'augmentation de l'épaisseur des feuilles, puis, au-delà d'un certain seuil, diminue très doucement.

Il en déduit que l'uranium émet deux radiations différentes, parce qu'ayant des pouvoirs de pénétration différents. Il nomme la radiation la moins pénétrante le rayonnement alpha, et la radiation la plus pénétrante (qui produit forcément une moindre ionisation puisqu'elle traverse l'air) le rayonnement bêta.

En 1900, Rutherford épouse Mary Newton ; de ce mariage naît en 1901 leur seule fille, Eileen.

À cette époque, Rutherford étudie le thorium et constate, en utilisant le même dispositif que pour l'uranium, que le fait d'ouvrir une porte dans le laboratoire perturbe nettement l'expérience, comme si les mouvements de l'air dans l'expérience pouvaient la perturber. Il en vient bientôt à la conclusion que le thorium dégage une émanation, elle aussi radio-active, puisqu'en aspirant l'air qui entoure le thorium, il s'aperçoit que cet air laisse facilement passer le courant, même à grande distance du thorium.

Il remarque aussi que les émanations du thorium ne restent radioactives qu'une dizaine de minutes et que ce sont des particules neutres. Leur radio-activité n'est perturbée par aucune réaction chimique, ni changement de conditions (température, champ électrique). Il trouve même que la radioactivité de ces particules décroît exponentiellement, puisque le courant qui passe entre les électrodes fait de même, et découvre ainsi en 1900 la période des éléments radio-actifs.

Avec l'aide d'un chimiste de Montréal, Frederick Soddy, il arrive en 1902 à la conclusion que les émanations du thorium sont bien des atomes radioactifs, mais sans être du thorium, et que la radio-activité s'accompagne donc d'une désintégration des éléments.

Cette découverte provoque une grande agitation parmi les chimistes, très attachés au concept d'indestructibilité de la matière. C'est sur ce concept qu'était d'ailleurs bâtie une grande partie de la science de l'époque. Cette découverte est donc un véritable bouleversement ; mais la qualité des travaux de Rutherford ne pouvait laisser de doute. Pierre Curie lui-même n'accepte cette idée que deux ans plus tard, alors qu'il avait déjà constaté avec Marie Curie que la radioactivité s'accompagnait d'une perte de masse des échantillons (il pensait que les atomes perdaient du poids sans changer de nature).

Les travaux de Rutherford sont reconnus en 1903 par la Royal Society, qui lui décerne la Médaille Rumford en 1904. Il résume le résultat de ses recherches dans un livre intitulé Radio-activité en 1904, où il explique que la radioactivité n'est influencée ni par les conditions extérieures de pression et de température, ni par les réactions chimiques, et qu'elle produit un dégagement de chaleur très supérieur à celui d'une réaction chimique. Il explique également que de nouveaux éléments sont produits, ayant des caractéristiques chimiques différentes, tandis que les éléments radioactifs disparaissent.

Avec Frederick Soddy, il estime que le dégagement d'énergie dû aux désintégrations nucléaires est de 20 000 à 100 000 fois plus important que celui qui résulterait d'une réaction chimique. Il émet également l'idée qu'une telle énergie pourrait expliquer l'énergie dégagée par le soleil. Avec Rutt, il estime que si la Terre conserve une température constante (en tous les cas pour ce qui est de son noyau), c'est sans doute dû aux réactions de désintégration qui se produisent en son sein.

Cette idée d'une grande énergie potentielle contenue dans les atomes trouve un an après un début de confirmation théorique avec la découverte d'Einstein de l'équivalence masse-énergie. À la suite de ces travaux, Otto Hahn, le découvreur de la fission nucléaire, vient étudier avec Rutherford à McGill pendant quelques mois.

Il commence dès 1903 à se poser des questions sur la nature exacte des rayonnements alpha ; en leur faisant traverser des champs électriques et magnétiques, il en déduit leur vitesse, le signe (positif) de leur charge et le rapport entre leur charge et leur masse. C'est la voie qui le mènera vers ses travaux les plus célèbres.

Pendant son séjour à McGill, il publie environ 80 articles et invente de nombreux dispositifs sans rapport avec la physique nucléaire.