Ernest Rutherford - Ernest Rutherford

Le Seigneur Rutherford de Nelson
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Ernest Rutherford
Président de la Société Royale
En poste
1925-1930
Précédé par Sir Charles Scott Sherrington
succédé par Sir Frederick Gowland Hopkins
Détails personnels
Née ( 1871-08-30 )30 août 1871
Brightwater , colonie de Nouvelle-Zélande
Décédés 19 octobre 1937 (1937-10-19)(à 66 ans)
Cambridge , Angleterre
Lieu de repos l'abbaye de Westminster
Citoyenneté Sujet britannique , Nouvelle-Zélande
Résidence Nouvelle-Zélande, Royaume-Uni
Signature
mère nourricière
Laboratoire Cavendish de l'Université de Nouvelle-Zélande , Université de Cambridge
Connu pour
Récompenses
Carrière scientifique
Des champs Physique et chimie
Établissements
Conseillers académiques
Doctorants
D'autres étudiants notables
Influencé

Ernest Rutherford, 1er baron Rutherford de Nelson , OM , FRS , HonFRSE (30 août 1871 - 19 octobre 1937) était un physicien britannique né en Nouvelle-Zélande et connu comme le père de la physique nucléaire . L'Encyclopædia Britannica le considère comme le plus grand expérimentateur depuis Michael Faraday (1791-1867). Il a également passé une quantité importante de sa carrière à l' étranger, à la fois au Canada et au Royaume-Uni .

Dans ses premiers travaux, Rutherford a découvert le concept de demi-vie radioactive, l'élément radioactif radon , et a différencié et nommé les rayonnements alpha et bêta . Ce travail a été réalisé à l'Université McGill à Montréal , Québec, Canada. C'est la base du prix Nobel de chimie qu'il reçut en 1908 « pour ses recherches sur la désintégration des éléments et la chimie des substances radioactives », pour lesquelles il fut le premier lauréat océanien du prix Nobel, et le premier à effectuer le travail récompensé au Canada. En 1904, il est élu membre de l' American Philosophical Society .

Rutherford a déménagé en 1907 à l' Université Victoria de Manchester (aujourd'hui Université de Manchester ) au Royaume-Uni, où lui et Thomas Royds ont prouvé que le rayonnement alpha est constitué de noyaux d' hélium . Rutherford a interprété son œuvre la plus célèbre après être devenu lauréat du prix Nobel. En 1911, bien qu'il n'ait pas pu prouver qu'il était positif ou négatif, il a théorisé que les atomes ont leur charge concentrée dans un très petit noyau , et a ainsi été le pionnier du modèle de Rutherford de l' atome , grâce à sa découverte et à son interprétation de la diffusion Rutherford par l' or. expérience de fleuret de Hans Geiger et Ernest Marsden . Il a effectué la première réaction nucléaire induite artificiellement en 1917 dans des expériences où des noyaux d'azote ont été bombardés de particules alpha. En conséquence, il découvrit l'émission d'une particule subatomique qu'il appela, en 1919, "l'atome d'hydrogène" mais, en 1920, il nomma plus précisément le proton .

Rutherford est devenu directeur du laboratoire Cavendish de 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 visant à diviser le 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 fut enterré dans l'abbaye de Westminster près de Sir Isaac Newton . L'élément chimique rutherfordium (élément 104) a été nommé d'après lui en 1997.

Biographie

Première vie et éducation

Ernest Rutherford était le fils de James Rutherford, un fermier, et de sa femme Martha Thompson, originaire de Hornchurch , Essex, Angleterre. James avait émigré en Nouvelle-Zélande depuis Perth , en Écosse, « pour élever un peu de lin et beaucoup d'enfants ». Ernest est né à Brightwater , près de Nelson , en 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.

Rutherford en 1892, à l'âge de 21 ans

Il a étudié à l' école Havelock puis Collège Nelson et a gagné une bourse d'études à Canterbury College , Université de la Nouvelle - Zélande , où il a participé à la société débat et joué au rugby . Après avoir obtenu son BA, MA et BSc, et fait deux années de recherche au cours desquelles il a inventé une nouvelle forme de récepteur radio, en 1895 Rutherford a reçu une bourse de recherche de 1851 de la Commission royale pour l'exposition de 1851 , pour se rendre en Angleterre pour études de troisième cycle au Cavendish Laboratory , Université de Cambridge . Il fut parmi les premiers « extraterrestres » (ceux sans diplôme de Cambridge) autorisés à faire des recherches à l'université, sous la direction de JJ Thomson , ce qui suscita des jalousies de la part des membres les plus conservateurs de la fraternité Cavendish. Avec les encouragements de Thomson, il réussit à détecter les ondes radio à 800 mètres et détena brièvement le record du monde de la distance à laquelle les ondes électromagnétiques pouvaient être détectées, mais lorsqu'il présenta ses résultats à la réunion de la British Association en 1896, il découvrit qu'il avait surpassé par Guglielmo Marconi , qui donnait également des conférences.

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 du professeur Macdonald de physique et venait à Cambridge. Rutherford est accepté, ce qui signifie qu'en 1900, il pourra épouser Mary Georgina Newton (1876-1954) avec laquelle il s'était fiancé avant de quitter la Nouvelle-Zélande ; ils se sont mariés à l' église anglicane St Paul, Papanui à Christchurch , ils ont eu une fille, Eileen Mary (1901-1930), qui a épousé le physicien Ralph Fowler . En 1901, Rutherford a obtenu un doctorat en sciences de l'Université de Nouvelle-Zélande. En 1907, il retourne en Grande-Bretagne pour occuper la chaire de physique à l' Université Victoria de Manchester .

Dernières années 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 détection de sous-marins par sonar . En 1916, il reçoit la Médaille commémorative Hector . En 1919, il retourne au Cavendish succédant à JJ Thomson en tant que professeur et directeur de Cavendish. Sous lui, des prix Nobel ont été décernés à James Chadwick pour la découverte du neutron (en 1932), à John Cockcroft et à Ernest Walton pour une expérience connue sous le nom de division de l'atome à l' aide d'un accélérateur de particules , et à Edward Appleton pour avoir démontré l'existence de la ionosphère . En 1925, Rutherford a lancé des appels au gouvernement néo-zélandais pour soutenir l'éducation et la recherche, ce qui a conduit à la formation du Département de la recherche scientifique et industrielle (DSIR) l'année suivante. Entre 1925 et 1930, il a été président de la Royal Society , puis président du Conseil d'assistance académique qui a aidé près de 1 000 réfugiés universitaires d'Allemagne. Il a été nommé à l' Ordre du mérite dans les honneurs du Nouvel An 1925 et élevé à la pairie en tant que baron Rutherford de Nelson , de Cambridge dans le comté de Cambridge en 1931, un titre qui s'est éteint à sa mort inattendue en 1937. En 1933, Rutherford a été l'un des deux premiers récipiendaires de la TK Sidey Medal , créée par la Royal Society of New Zealand pour récompenser une recherche scientifique exceptionnelle.

La tombe de Lord Rutherford dans l'abbaye de Westminster

Pendant un certain temps avant sa mort, Rutherford avait une petite hernie , qu'il avait négligé de faire réparer, et elle s'est étranglée, ce qui l'a rendu gravement malade. Malgré une opération d'urgence à Londres, il est décédé quatre jours plus tard de ce que les médecins ont appelé « paralysie intestinale », à Cambridge. Après la crémation au crématorium Golders Green , il reçut le grand honneur d'être inhumé à l'abbaye de Westminster , près d' Isaac Newton et d'autres illustres scientifiques britanniques.

Recherche scientifique

Ernest Rutherford à l'Université McGill en 1905

A Cambridge, Rutherford a commencé à travailler avec JJ Thomson sur les effets conducteurs des rayons X sur les gaz, travaux qui ont conduit à la découverte de l' électron que Thomson a présenté au monde en 1897. En entendant parler de l'expérience de Becquerel avec l' uranium , Rutherford a commencé d'explorer sa radioactivité , en découvrant deux types qui différaient des rayons X par 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 découvrit alors que le thorium dégageait un gaz qui produisait une émanation elle-même radioactive et enrobait d'autres substances. Il a découvert qu'un échantillon de cette matière radioactive de n'importe quelle taille prenait invariablement le même temps pour que la moitié de l'échantillon se désintègre – sa « demi-vie » (11 minutes et demie dans ce cas).

De 1900 à 1903, il est rejoint à McGill par le jeune chimiste Frederick Soddy ( prix Nobel de chimie , 1921) à qui il pose le problème de l'identification des émanations de thorium. Une fois qu'il eut éliminé toutes les réactions chimiques normales, Soddy suggéra qu'il devait s'agir de l'un des gaz inertes, qu'ils nommèrent thoron (qui s'avéra plus tard 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 d'"Uranium X" de William Crookes et de radium de Marie Curie .

En 1903, ils publièrent leur "Loi du changement radioactif", pour rendre compte de toutes leurs expériences. Jusque-là, les atomes étaient supposés être la base indestructible de toute matière et bien que Curie ait suggéré que la radioactivité était un phénomène atomique, l'idée de la rupture des atomes de substances radioactives était une idée radicalement nouvelle. Rutherford et Soddy ont démontré que la radioactivité impliquait la désintégration spontanée des atomes en une autre matière non encore identifiée. 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 considérait un type de rayonnement découvert (mais non nommé) par le chimiste français Paul Villard en 1900, comme une émission du radium , et réalisa que cette observation devait représenter quelque chose de différent de ses propres rayons alpha et bêta, en raison de sa très pouvoir de pénétration beaucoup plus important. Rutherford a donc donné à ce troisième type de rayonnement le nom de rayon gamma . Les trois termes de Rutherford sont couramment utilisés aujourd'hui – d'autres types de désintégration 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 nécessaires à la lente évolution biologique sur Terre proposée par des biologistes tels que Charles Darwin . Le physicien Lord Kelvin avait plaidé plus tôt pour une Terre beaucoup plus jeune (voir aussi William Thomson, 1er baron Kelvin#Age of the Earth: geology ) sur la base de 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 le rayonnement alpha. En collaboration avec Hans Geiger , il a développé des écrans à scintillation au sulfure de zinc et des chambres d'ionisation pour compter les alphas. En divisant la charge totale qu'ils ont produite 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 une fenêtre très mince dans un tube sous vide. Au fur et à mesure qu'ils déclenchaient la décharge du tube , le spectre obtenu à partir de celui-ci a changé, à mesure que les alphas s'accumulaient dans le tube. Finalement, le spectre clair de l'hélium gazeux 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, allant au moins jusqu'en 2017, selon lequel Rutherford était 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'une des plus grandes réalisations de Rutherford. Le gouvernement néo-zélandais a même émis un timbre commémoratif dans la conviction que la découverte de l'azote en oxygène appartenait à Rutherford. À partir de 2017, de nombreuses institutions scientifiques ont corrigé leurs versions de cette histoire pour indiquer que le mérite de la découverte de la réaction appartient à Patrick Blackett . Rutherford a détecté le proton éjecté en 1919 et l'a interprété comme une 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 vraie réaction comme 14 N + α → 17 O + p. Rutherford a donc reconnu « que le noyau peut augmenter plutôt que diminuer en masse à la suite de collisions dans lesquelles le proton est expulsé ».

Expérience de feuille d'or

En haut : Résultats attendus : des particules alpha traversant le modèle de pudding de prune de l'atome sans être perturbées.
En bas : Résultats observés : une petite partie des particules a été déviée, indiquant une petite charge concentrée . Le diagramme n'est pas à l'échelle ; en réalité, le noyau est beaucoup plus petit que la couche électronique.

Rutherford a réalisé son œuvre la plus célèbre après avoir reçu le prix Nobel en 1908. Avec Hans Geiger et Ernest Marsden en 1909, il a réalisé l' expérience 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 pour demander à Geiger et Marsden dans cette expérience de rechercher des particules alpha avec des angles de déviation très élevés, d'un type qu'aucune théorie de la matière n'attendait à l'époque. De telles déflexions, bien que rares, ont été trouvées et se sont avérées être une fonction régulière mais d'ordre élevé de l'angle de déflexion. C'est l'interprétation de Rutherford de ces données qui l'a amené 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 mis en orbite par des électrons de faible masse .

En 1919-1920, Rutherford a découvert que l'azote et d'autres éléments légers éjectaient un proton, qu'il appelait un « atome d'hydrogène », lorsqu'ils étaient touchés par des particules (alpha). Ce résultat a montré à Rutherford que les noyaux d'hydrogène faisaient partie des noyaux d'azote (et par inférence, probablement d'autres noyaux également). Une telle construction avait été suspectée depuis de nombreuses années sur la base de 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 vraisemblablement les noyaux les plus légers. Maintenant, à cause de toutes ces considérations, Rutherford a décidé qu'un noyau d'hydrogène était peut-être un élément fondamental de tous les noyaux, et peut-être aussi une nouvelle particule fondamentale, puisque rien n'était connu du noyau qui était plus léger. Ainsi, confirmant et prolongeant les travaux de Wilhelm Wien qui, en 1898, découvrit le proton dans des flux de gaz ionisé , Rutherford postula le noyau d'hydrogène comme étant une nouvelle particule en 1920, qu'il baptisa le proton .

En 1921, alors qu'il travaillait avec Niels Bohr (qui postulait que les électrons se déplaçaient sur des orbites spécifiques), Rutherford théorisa l'existence de neutrons (qu'il avait baptisés dans sa Bakerian Lecture de 1920 ), qui pourraient en quelque sorte compenser l'effet répulsif du positif charges de protons en provoquant une force nucléaire attractive et ainsi empêcher les noyaux de voler en dehors de la répulsion entre les protons. La seule alternative aux neutrons était l'existence d'"électrons nucléaires" qui contrebalanceraient certaines des charges de protons dans le noyau, car on savait alors que les noyaux avaient environ le double de la masse qui pourrait être expliquée s'ils étaient simplement assemblés à partir d'hydrogène. noyaux (protons). Mais comment ces électrons nucléaires pouvaient être piégés dans le noyau, était un mystère.

Rutherford est largement cité comme disant, concernant les résultats de ces expériences : « C'était tout à fait l'événement le plus incroyable qui me soit jamais arrivé dans ma vie. C'était presque aussi incroyable que si vous tiriez un obus de 15 pouces sur un morceau de du papier de soie et il est revenu et vous a frappé.

La théorie des neutrons de Rutherford a été prouvée en 1932 par son associé James Chadwick , qui a reconnu les neutrons immédiatement lorsqu'ils ont été produits par d'autres scientifiques et plus tard lui-même, en bombardant le béryllium de particules alpha. En 1935, Chadwick a reçu le prix Nobel de physique pour cette découverte.

Héritage

Une plaque commémorant la présence de Rutherford à l' Université de Manchester

Rutherford est considéré comme l'un des plus grands scientifiques de l'histoire. Lors de la séance d'ouverture du Congrès scientifique indien de 1938, que Rutherford devait présider avant sa mort, l'astrophysicien James Jeans a pris la parole à sa place et l'a considéré comme « l'un des plus grands scientifiques de tous les temps », déclarant :

Dans son flair pour la bonne approche d'un problème, ainsi que dans la simplicité de ses méthodes d'attaque, [Rutherford] nous rappelle souvent Faraday, mais il avait deux grands avantages que Faraday ne possédait pas, d'abord, exubérant la santé et l'énergie corporelles, et deuxièmement, la possibilité et la capacité de diriger un groupe de collègues enthousiastes. Si grande que fût la production de Faraday, il me semble que pour égaler le travail de Rutherford en quantité aussi bien qu'en qualité, nous devons retourner à Newton. À certains égards, il était plus chanceux que Newton. Rutherford a toujours été le guerrier heureux – heureux dans son travail, heureux dans son résultat et heureux dans ses contacts humains.

Physique nucléaire

plasma d'azote

Les recherches de Rutherford et les travaux effectués sous sa direction en tant que directeur de laboratoire ont établi la structure nucléaire de l'atome et la nature essentielle de la désintégration radioactive en tant que processus nucléaire. Patrick Blackett , un chercheur travaillant sous Rutherford, utilisant des particules alpha naturelles, a démontré la transmutation nucléaire induite . Plus tard, l'équipe de Rutherford, utilisant des protons provenant d'un accélérateur, a démontré des réactions nucléaires et une transmutation induites artificiellement . Il est connu comme le père de la physique nucléaire. Rutherford est mort trop tôt pour voir naître l'idée de Leó Szilárd de réactions nucléaires en chaîne contrôlées . Cependant, un discours de Rutherford sur sa transmutation artificiellement induite dans le lithium, imprimé le 12 septembre 1933 dans le journal londonien The Times , a été rapporté par Szilárd comme ayant été son inspiration pour penser à la possibilité d'une réaction nucléaire en chaîne productrice d'énergie contrôlée . Szilard a eu cette idée en se promenant dans Londres, le même jour.

Le discours de Rutherford a abordé le travail de 1932 de ses étudiants John Cockcroft et Ernest Walton dans la « division » du lithium en particules alpha par bombardement avec des protons provenant d'un accélérateur de particules qu'ils avaient construit. Rutherford s'est rendu compte que l'énergie libérée par les atomes de lithium divisés était énorme, mais il s'est également rendu compte que l'énergie nécessaire à l'accélérateur et son inefficacité essentielle à diviser les atomes de cette manière rendaient le projet impossible en tant que source d'énergie pratique (accélérateur -la fission induite des éléments légers reste trop inefficace pour être utilisée de cette manière, même aujourd'hui). Le discours de Rutherford en partie, lire :

Nous pourrions, dans ces processus, obtenir beaucoup plus d'énergie que le proton fourni, mais en moyenne, nous ne pouvions pas nous attendre à obtenir de l'énergie de cette manière. C'était un moyen très pauvre et inefficace de produire de l'énergie, et quiconque cherchait une source d'énergie dans la transformation des atomes parlait de clair de lune. Mais le sujet était scientifiquement intéressant car il donnait un aperçu des atomes.

Articles nommés en l'honneur de la vie et de l'œuvre de Rutherford

Une statue d'un jeune Ernest Rutherford à son mémorial à Brightwater, Nouvelle-Zélande .
Découvertes scientifiques
Établissements
Récompenses
Immeubles
Des rues
Autre

Publications

  • Radio-activité (1904), [56] 2e éd. (1905), ISBN  978-1-60355-058-1
  • Transformations radioactives (1906) , ISBN  978-1-60355-054-3
  • Substances radioactives et leurs rayonnements (1913)
  • La structure électrique de la matière (1926)
  • La transmutation artificielle des éléments (1933)
  • La nouvelle alchimie (1937)

Des articles

Les bras

Armoiries d'Ernest Rutherford
Ernest Rutherford Arms.svg
Remarques
Les armoiries d'Ernest Rutherford se composent de :
Crête
Une couronne de baron. Sur un heaume auréolé des Couleurs, un kiwi Proper.
Écusson
Le sautoir arqué de gueules et d'or, à deux écussons vides du premier en fasce, à l'intérieur de chacun une merlette de sable.
Partisans
Dexter, Hermes Trismégiste (patron mythologique de la connaissance et des alchimistes). Sinister, un guerrier maori.
Devise
Primordia Quaerere Rerum (« Chercher les premiers principes des choses. »)

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes

Pairie du Royaume-Uni
Nouvelle création Baron Rutherford de Nelson
1931-1937
Disparu
Bureaux académiques
Précédé par
Professeur Langworthy
à l' Université de Manchester

1907-1919
succédé par