Ernest Rutherford ( à Brightwater, Nouvelle-Zélande - à Cambridge, Angleterre) est un physicien et chimiste néo-zélandais, considéré comme le père de la physique nucléaire. Il découvre les rayonnements alpha, les rayonnements bêta ; il découvre aussi que la radioactivité s'accompagne d'une désintégration des éléments chimiques, ce qui lui vaut le prix Nobel de chimie en 1908. C'est encore lui qui met en évidence l'existence d'un noyau atomique dans lequel sont réunies toute la charge positive et presque toute la masse de l'atome.
Si, pendant la première partie de sa vie, il se consacre exclusivement à la recherche, il passe la seconde à enseigner et à diriger le laboratoire Cavendish à Cambridge, où est découvert le neutron et où les physiciens Niels Bohr et Robert Oppenheimer sont venus se former. Son influence dans ce domaine de la physique qu'il a découvert est donc particulièrement importante.
Il interprète en 1911 la vision du modèle de Thomson ainsi que son expérience de la feuille d'or, ce qui le conduit à proposer son propre modèle.
Les premières années Ernest Rutherford est le quatrième des douze enfants de James et Martha RutherfordMcGill Physics collections. Son père était fermier, mais aussi mécanicien, ingénieur, voire meunier, tandis que sa mère, avant leur mariage, était institutrice. Tous deux tenaient à ce que leurs enfants reçoivent une bonne éducation.
Ernest se distingue très tôt par sa curiosité et ses dons pour l'arithmétique, encouragé en cela par ses parents et par son instituteur. Brillant élève, il entre au Nelson College. Il est également doué pour le rugby à XV. et très populaire dans son école. Au bout de sa troisième année au collège, il termine premier dans toutes les matières, ce qui lui permet d'entrer à l'université au Canterbury College tout en continuant à pratiquer le rugby et en fréquentant plusieurs clubs scientifiques et intellectuels.
Dès cette époque, le génie de Rutherford pour l'expérimentation commence à se manifester. Ses premières recherches montrent que le fer peut être magnétisé par les hautes fréquences, ce qui constitue en soi une découverte. Le détecteur magnétique de réception des ondes radios est annoncé au public le , par l'intermédiaire du Proceedings of the Royal Society. Ses excellents résultats scolaires lui permettent de poursuivre ses études et ses recherches pendant cinq ans dans cette université, qui lui avait attribué la seule bourse de Nouvelle-Zélande pour étudier les mathématiques. Il finance sa dernière année en donnant des cours.
Il obtient le titre de maîtrise des arts, avec une double première classe en mathématiques et en physique. En 1894, il obtient le titre de baccalauréat ès sciences, ce qui lui permet de poursuivre ses études en Angleterre, au laboratoire Cavendish à Cambridge, sous la direction du découvreur de l'électron, Joseph John Thomson à partir de 1895. Il est le premier étudiant venant d'outre-mer à le faire. Avant de quitter la Nouvelle-Zélande, il se fiance avec Mary Newton, une jeune fille de Christchurch qu'il épousera en 1900.
Cambridge, 1895-1898
Il poursuit ses travaux sur les ondes hertziennes et sur leur réception à grande distance. Il fait devant la Cambridge Physical Society un exposé qui — fait rare pour un si jeune chercheur — est publié dans les Philosophical Transactions de la Royal Society de Londres.
En , il se met à étudier avec Thomson l'effet des rayons X sur un gaz. Ils découvrent que les rayons X ont la propriété d'ioniser l'air en produisant de grandes quantités de particules chargées, autant positives que négatives, et que ces particules peuvent se recombiner pour donner des atomes neutres. De son côté, Rutherford invente une technique pour mesurer la vitesse des ions, et leur taux de recombinaison. Ce sont ces travaux qui l'orientent définitivement dans la voie qui le rendra célèbre.
Montréal, 1898-1907 : radioactivité
En 1898, à l'âge de 26 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. Il arrive à Montréal un peu plus tard, âgé de 27 ans.
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 (1876-1954) ; de ce mariage naît leur seul enfant, Eileen (1901-30), qui épouse le physicien Ralph Fowler.
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 (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 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 plus tard, un début de confirmation théorique avec la découverte par Einstein de l'équivalence masse-énergie. À la suite de ces travaux, Otto Hahn, futur découvreur de la fission nucléaire (1938), 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. En 1977, McGill nomme son pavillon Rutherford en son honneur.
Manchester, 1907-1919 : le noyau atomique
En 1907, il obtient un poste de professeur à l'université de Manchester, où il travaille avec Hans Geiger avec qui il invente un compteur permettant de détecter les particules alpha émises par les substances radioactives (ébauche du futur compteur Geiger), car en ionisant le gaz qui se trouve dans l'appareil, elles produisent une décharge détectable. thumb|Ernest Rutherford en 1908. En 1908, avec un de ses étudiants, Thomas Royds, il prouve définitivement ce qu'on supposait, à savoir que les particules alpha sont bien des noyaux d'hélium. Ou plutôt, que les particules alpha sont des atomes d'hélium une fois débarrassés de leurs charges négatives. Pour le prouver, il isole la substance radioactive dans un matériau suffisamment mince pour que les particules alpha le traversent effectivement, mais pour que cela bloque toute « émanation » des éléments radioactifs, c'est-à-dire tout produit de la désintégration. Il recueille ensuite le gaz qui se trouve autour de la boîte qui contient les échantillons et analyse son spectre. Il y trouve alors une grande quantité d'hélium : les noyaux que sont les particules alpha ont récupéré des électrons disponibles.
Il obtient la même année le prix Nobel de chimie . Il en conserve cependant une certaine déception, car il se considère avant tout comme un physicien. Une de ses citations célèbres est : « La science, soit c'est de la physique, soit c'est de la philatélie », voulant sans doute signifier par là qu'il plaçait la physique au-dessus des autres sciences.
C'est en 1911 qu'il fait sa plus grande contribution à la science en découvrant le noyau atomique. Il avait observé à Montréal qu'en bombardant une fine feuille de mica avec des particules alpha, on obtenait une déflexion de ces particules. Geiger et Marsden, refaisant de façon plus poussée ces expériences en utilisant une feuille d'or, avaient constaté que certaines particules alpha étaient déviées de plus de . Rutherford émet alors l'hypothèse qu'au centre de l'atome devait se trouver un « noyau » contenant presque toute la masse et toute la charge positive de l'atome, les électrons déterminant en fait la taille de l'atome. Geiger et Marsden vérifièrent par la suite ces conclusions par l'expérience.