(1871 - 1937)
Première découverte
En 1898, il démontre que les substances radioactives émettent deux types de radiations: alpha (a) et bêta (b). En 1900, le Français Paul Villard identifie le rayon gamma(g).En 1902, à l'Université McGill de Montréal, Rutherford et le physicien anglais Frederick Soddy découvrent que la radioactivité est le résultat de la désintégration du noyau de l'atome au cours de laquelle il y a production de trois sortes de rayonnements.
- Les particules alpha (a) sont des noyaux d'atomes d'hélium (2 protons et 2 neutrons) dotés d'un faible pouvoir de pénétration. Elles sont arrêtées par une simple feuille de papier. Dans un champ électrique, les rayons dévient vers le pôle négatif. Leur charge est donc positive (2+).
- Les particules bêta (b) sont des électrons ayant un pouvoir de pénétration plus puissant que celui des particules alpha. Elles ne peuvent toutefois pas traverser une planche de bois de 2,5 cm d'épaisseur. Dans un champ électrique, les rayons dévient vers le pôle positif. Leur charge est donc négative (1-).
- Les rayons gamma (g) sont une onde électromagnétique du même type que les rayons X et la lumière. Cependant, leur longueur d'onde est encore plus petite que celle des rayons X et possèdent beaucoup plus d'énergie. Ces rayons n'ont pas de charge électrique et possèdent un très puissant pouvoir de pénétration. Seuls les blocs de béton ou de plomb d'un mètre d'épaisseur peuvent les arrêter.
Deuxième découverte
En
1907, J.J. Thomson demande à son élève
Rutherford de vérifier l'exactitude de son modèle atomique. Rutherford
accepte d'approfondir la théorie du «Plum-Pudding» de Thomson
et il veut étudier davantage la structure interne de l'atome. Avec l'aide
de deux assistants, Hans Geiger et Ernest Marsden, il décide d'utiliser
les particules alpha, très petites et très rapides, qu'il a découvertes
pour bombarder une feuille d'or très mince (il utilise l'or, car ses
atomes sont très lourds). Il s'attend à l'un ou l'autre de ces
comportements: ou toutes les particules traversent la feuille d'or, ou aucune
d'elles ne la traverse puisque la matière est homogène.
Dans cette expérience, les particules alpha sont produites à partir d'un échantillon de radium radioactif enfermé dans une enceinte de plomb. Elles sont polarisées en un seul faisceau par une fine fente dans le bouclier de plomb. Des écrans fluorescents sont placés derrière la feuille d'or et en avant de celle-ci (en angle bien sûr, afin de ne pas freiner le passage du faisceau). Ces écrans émettent une scintillation (un point brillant) lorsqu'ils sont atteints par une particule alpha. Ils permettent donc de suivre la trajectoire des particules.
En faisant l'expérience, Rutherford et ses assistants font ces observations:
- La plupart des particules alpha traversent la feuille d'or sans déviation comme si elles n'avaient jamais rencontré les atomes d'or (1).
- Plusieurs particules alpha sont légèrement déviées lors de la traversée de la feuille d'or (2).
- Certaines particules alpha rebondissent carrément vers la source comme si elles avaient frappé un mur (3).
- La déviation des particules alpha est d'autant plus importante que la masse atomique du métal composant la feuille est élevée.
Ces faits vont complètement à l'encontre des attentes de Rutherford. Très surpris, il s'exclame: «C'est aussi peu croyable que si nous avions tiré un obus sur du papier de soie et que l'obus nous soit revenu en pleine figure.»
Rutherford en déduit que cette déviation de particules alpha positives ne peut résulter que de la présence d'un corps chargé positivement (puisqu'il y eu répulsion). De plus, puisque la majorité des particules alpha ne sont pas déviées, c'est qu'elles ne rencontrent pas de matière, donc que la majeure partie des atomes est vide.
En 1911, Rutherford propose son modèle atomique:
- L'atome offre des espaces vides immenses.
- Le centre de l'atome, qu'il nomme «noyau» est minuscule et dense. Il est chargé positivement.
- Les électrons négatifs circulent autour du noyau à une très grande vitesse et se déplacent jusqu'à des distances très éloignées du noyau (si nous imaginons la taille du stade olympique de Montréal, le noyau ne serait pas plus gros qu'une mouche!). Ces derniers sont retenus au noyau par des forces électriques.
- La somme des charges des électrons est égale à la charge du noyau, l'atome étant électriquement neutre.
Rutherford compare l'atome à un minuscule système solaire où des électrons (planètes) gravitent autour d'un noyau central (Soleil).
En 1919, Rutherford utilisera les particules alpha pour provoquer la première désintégration artificielle de l'atome en transmuant des atomes d'azote en atome d'hydrogène. Les véritables réactions nucléaires verront ainsi le jour. Le noyau d'hydrogène produit recevra le nom de proton, particule positive du noyau. Ce proton a une masse environ 1836 fois plus élevée que celle de l'électron.
Ce grand scientifique participera avec Chadwick à la fabrication de la première bombe atomique. Il s'opposera cependant au caractère secret de ce projet et redoutera les conséquences de ce développement destructeur.
L'atome, l'électron et le proton sont maintenant connus. Mais il reste encore quelques mystères. En fait, ce nouveau modèle planétaire va à l'encontre des lois de la physique. Comment expliquer que les électrons puissent graviter autour du noyau positif de l'atome sans jamais s'écraser dessus? Comment se déplacent-ils autour du noyau? Quelle est leur distribution? Comment les protons chargés positivement surmontent-ils la force de répulsion électrique qui devrait normalement les éloigner les uns des autres et provoquer l'éclatement du noyau? Les réponses viendront de Niels Bohr et de James Chadwick.
Pour en savoir davantage sur ce scientifique, vous pouvez consulter la recherche de Grégoire Wolff: Le modèle atomique selon Rutherford du site «Chimisterie».
Bibliographie
BANDZUCK, C., L. BÉLISLE et P. VALIQUETTE. Odyssée, Montréal, Éditions du Renouveau pédagogique inc., 1991, 527 p.
BOUCHARD, Régent, et Roger DIONNE. Découvertes - Manuel d'apprentissage, Montréal, Lidec inc., 1992, 617 p.
GRENIER, Eva. En quête des propriétés et de la structure, Montréal, Les Éditions HRW ltée, 1991, 150 p.
VEILLEUX, Gaétan. L'essentiel des sciences physiques 416 et 436, Anjou, Les Éditions CEC inc., 1998, 290 p.
«Rutherford of Nelson and Cambridge». Axis : L'encyclopédie Multimédia Hachette [CD-ROM]. Version 1.01.00, © Le livre de Paris - Hachette, 1993.
«Rutherford (Ernest, lord)». Encyclopédie Microsoft Encarta 98 [CD-ROM]. Microsoft Corporation, 1997.
Ouellet, Danielle. (1994, Mars). «Saga de l'atome: l'épisode montréalais». Québec Science [CD-ROM]. Sainte-Foy, Les Logiciels de Marque inc., 1997.
Verkindt, Didier. (Page consultée le 21 octobre 1999). La
radioactivité a 100 ans, [En ligne]. Adresse URL: http://wwwlapp.in2p3.fr/centenaire/rad.html
