Ernest Rutherford

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Le créateur de la physique nucléaire

All science is either physics or stamp collecting (Rutherford)

Jeune Néo-Zélandais venu au laboratoire Cavendish à Cambridge pour y travailler sur le magnétisme et les ondes radio, Rutherford a littéralement créé la physique nucléaire au cours d’une carrière éblouissante.

  1. Au Cavendish Laboratory de Cambridge (1895-1898)
    • Étude de l’ionisation des gaz sous l’effet des rayonnements
    • Découverte des radioactivités alpha et bêta
  2. À l’université MacGill de Montréal (1898-1907)
    • Découverte du radon
    • Découverte de la décroissance radioactive, avec Soddy puis Hahn
    • Découverte des transmutations « atomiques »
    • ce qui lui valut le prix Nobel de chimie en 1908
  3. À l’université de Manchester (1907-1919)
    • Identification des alphas avec des ions hélium
    • Découverte du noyau, avec Geiger et Marsden
    • Collisions nucléaires et découverte du proton, avec Chadwick
  4. À la direction du Cavendish Laboratory de Cambridge (1919-1937)
    • « Invention » du neutron
    • Théorie des noyaux
    • Dirige les recherches de Chadwick, Blackett, Cockroft, Walton, Kapitza…
Portrait de Rutherford
Ernest Rutherford (1871-1937)

Il passa trois ans au laboratoire Cavendish, où il travailla sur les rayons X avec J. J. Thomson. Il y montra en 1899 l’existence de deux rayonnements différents émis par les corps radioactifs, qu’il appela alpha et bêta selon leur pouvoir de pénétration. Ayant obtenu un poste de professeur titulaire à Montréal, à l’Université McGill, il épousa Mary Newton en 1900. Il découvrit en 1902 avec Frederick Soddy que les radioactivités alpha et bêta changeaient la nature chimique de l’atome émetteur, et ils estimèrent l’énergie produite dans cette «transmutation». Professeur ensuite à Manchester en 1907 (où il mit au point avec Hans Geiger l’ébauche du futur compteur Geiger-Müller), il établit avec Thomas Royd que les particules alpha sont bien des noyaux d’hélium. En 1908, il reçut le prix Nobel de chimie pour sa découverte des transmutations. En 1911, il découvrit que l’atome est formé d’un noyau minuscule contenant la quasi-totalité de la masse, entouré d’un immense nuage d’électrons : une mouche dans une cathédrale selon une comparaison célèbre.

Une mouche dans une cathédralePendant la Première Guerre Mondiale, pour lutter contre les sous-marins, il tenta de mettre au point un sonar (ce que Paul Langevin fit au même moment en France). En 1919, il revint à Cambridge prendre la direction du laboratoire Cavendish. Sous son impulsion, Chadwick y découvrit le neutron, Cockroft et Walton y mirent au point les premiers accélérateurs de particules, Appleton découvrit l’ionosphère. Il mourut brutalement en 1937, à la suite d’une opération apparemment banale. On pourrait presque dire que Rutherford a passé dix ans de sa vie à comprendre ce qu’était la radioactivité, puis les années suivantes à l’exploiter comme outil pour explorer la matière, et découvrir ainsi successivement le noyau, le proton, le neutron et les transmutations artificielles. Il mourut juste avant que la découverte de la fission ouvre la voie de l’énergie nucléaire qu’il avait pressentie, sans oser vraiment y croire.

Parmi les élèves et les collaborateurs de Rutherford:

  • Frederick Soddy (Nobel 1921 chimie)
  • Francis Aston (Nobel 1922 chimie)
  • Niels Bohr (Nobel 1922 physique)
  • Charles Wilson (Nobel 1927 physique)
  • James Chadwick (Nobel 1935 physique)
  • Otto Hahn (Nobel 1944 chimie)
  • Edward Appleton (Nobel 1947 physique)
  • Patrick Blackett (Nobel 1948 physique)
  • Cecil Powell (Nobel 1950 physique)
  • John Cockroft (Nobel 1951 physique)
  • Ernest Walton (Nobel 1951 physique)
  • Piotr Kapitza (Nobel 1978 physique)
L’entrée de l'ancien laboratoire Cavendish à Cambridge
L’entrée de l’ancien laboratoire Cavendish à Cambridge

Le laboratoire Cavendish de Cambridge

Lord Cavendish avait financé en 1869 la création d’une chaire de physique expérimentale à l’université de Cambridge, confiée à Maxwell (bien qu’il fût plutôt un théoricien) qui donna sa leçon inaugurale en 1871. À sa suggestion, un laboratoire fut adjoint à la chaire et inauguré le 16 juin 1874. À la suite de la mort prématurée de Maxwell, John William Strutt, lord Rayleigh (1842-1919), en prit la direction, puis la confia en 1884 à J. J. Thomson qui n’avait alors que 28 ans. Le laboratoire Cavendish devint l’un des plus importants laboratoires de physique expérimentale au monde. Rutherford succéda à Thomson en 1919. Vingt-neuf membres du Cavendish reçurent le prix Nobel de physique, de chimie ou de médecine.

La cour intérieure de l'ancien laboratoire Cavendish à Cambridge
La cour intérieure de l’ancien laboratoire Cavendish à Cambridge

L’origine du surnom de crocodile donné à Rutherford est controversée: la voix puissante de Rutherford annonçant son approche à travers le laboratoire, comme le tic-tac du crocodile de Peter Pan, le symbole ancien des alchimistes car Rutherford transmutait la matière, le fait que le crocodile ne se retourne jamais et est donc un symbole de persévérance, ou enfin un surnom que Kapitza lui aurait donné car le crocodile serait en argot russe le patron (крокодил), mais Kapitza ne confirma pas cette origine tout en disant qu’elle devait rester secrète.

Bas-relief à l’entrée de l’ancien Cavendish Laboratory de Cambridge en l’honneur de Lord Rutherford.
Bas-relief à l’entrée de l’ancien Cavendish Laboratory de Cambridge en l’honneur de Lord Rutherford.

Alphas et bêtas

Ces expériences montrent que le rayonnement de l’uranium est complexe et qu’il comporte au moins deux types distincts de rayonnements – l’un qui est très facilement absorbé et que l’on appellera par commodité le rayonnement alpha, et l’autre de caractère plus pénétrant qui sera appelé le rayonnement bêta (Rutherford)

Ernest Rutherford était le quatrième des douze enfants d’un fermier néo-zélandais (qui était aussi mécanicien et ingénieur) et d’une institutrice. Il reçut une éducation soignée, et se montra aussi un excellent joueur de rugby. Il obtint une bourse pour l’université de Christchurch où il fut diplômé en 1893 en mathématiques et physique. Il se lança dans des recherches personnelles sur la magnétisation du fer par les ondes hertziennes (analogues au cohéreur de Branly). Publiés dans les Transactions of the New Zealand Institute, ses résultats lui permirent d’obtenir en 1895 une bourse de 3 années lui permettant d’aller au Royaume-Uni. Son objectif était très concret: déposer des brevets sur la radiotélégraphie, et faire ainsi fortune pour se marier avec sa fiancée, Mary Newton.

Au laboratoire Cavendish, Thomson et McClelland avaient en 1896 observé l’ionisation de l’air par les rayons X en utilisant une des toutes premières chambres d’ionisation. Deux plateaux séparés sont soumis à une différence de potentiel: les rayons X arrachaient des électrons aux atomes qui devenaient des ions positifs, et la différence de potentiel attirait les électrons d’un côté, les ions de l’autre (empêchant leur recombinaison). Un courant électrique passait donc entre les plateaux.

Schéma de principe d'une chambre d'ionisation (Wikipedia)
Schéma de principe d’une chambre d’ionisation (Wikipedia)

Thomson et McClelland avaient conclu que l’ionisation de l’air ressemblait à une électrolyse, mais leurs résultats étaient seulement qualitatifs. Si Rutherford était arrivé au laboratoire Cavendish en novembre 1895 pour mener des expériences de transmission d’ondes hertziennes sur des distances de l’ordre du kilomètre, Thomson avait une tout autre idée: il le chargea d’explorer quantitativement les effets d’ionisation des gaz par les rayons X de Röntgen. Cela occupa Rutherford pendant plus d’un an, avant qu’il se tourne vers les rayons de Becquerel en février 1898 et inverse ses priorités, utilisant désormais l’ionisation pour étudier la radioactivité.

Son montage initial était extrêmement simple: une chambre d’ionisation reliée à un électroscope à feuilles d’or.

Montage alpha
Premier montage de Rutherford avec un électroscope

Pour plus de précision, il remplaça rapidement l’électroscope par un électromètre à quadrants de Kelvin, beaucoup plus sensible et précis. Son montage était donc analogue à celui utilisé par Pierre et Marie Curie au même moment (mais sans balance à quartz). Les expériences de Rutherford furent toujours très simples, très ingénieuses et très minutieuses pour éliminer artefacts et varier facilement les paramètres (sources, absorbants, géométrie, environnement). Rutherford n’observa ni réfraction ni polarisation des rayons de Becquerel (à la différence de ce dernier, qui changea ensuite d’avis).

Deuxième montage
Deuxième montage de Rutherford avec un électromètre

Puis Rutherford examina la manière dont les rayons de Becquerel étaient absorbés par différentes substances, en interposant un nombre croissant de feuilles métalliques (de 5 nm): le courant d’ionisation diminuait d’abord très vite quand le nombre de feuilles augmentait, puis il ne variait presque plus, même en augmentant le nombre de feuilles.

Troisième montage de Rutherford
Troisième montage de Rutherford pour étudier l’absorption des rayons

Rutherford effectua une étude systématique, en variant la composition et la disposition du sel d’uranium (en bloc, en poudre plus ou moins étalée…) et selon la nature des feuilles interposées : laiton (cuivre + zinc), aluminium, puis cuivre, argent, étain, platine et verre. Il finit par conclure le 1° septembre 1898 qu’il existait deux composantes dans le rayonnement de l’uranium:

  1. l’une fortement absorbée qu’il nomma composante alpha
  2. l’autre beaucoup moins absorbée, qu’il nomma composante bêta

Rutherford remarqua également que la composante alpha était d’autant plus facilement absorbée par une substance que celle-ci avait une masse atomique élevée: l’aluminium (masse de 27) absorbait moins que le cuivre (64) à épaisseur égale, lui-même moins que le zinc (65), que l’argent (108), que l’étain (119) et que le platine (195). De très faibles épaisseurs suffisaient: quelques centimètres d’air arrêtaient les rayons alpha. La composante bêta était absorbée elle aussi, mais beaucoup plus difficilement: 100 fois moins pour l’aluminium par exemple.

Figure de l’article de Rutherford montrant la décroissance exponentielle du rayonnement avec l’épaisseur d’aluminium
Figure de l’article de Rutherford montrant la décroissance exponentielle du rayonnement avec l’épaisseur d’aluminium

Les rayons bêta se révélèrent assez vite être des électrons. En 1899, Becquerel d’une part et Giesel de l’autre parvinrent en effet à dévier des rayons bêta par des champs électrique et magnétique et obtinrent ainsi une valeur du rapport masse/charge électrique voisine de celle obtenue par Thomson pour les rayons cathodiques. L’identification des rayons bêta avec des électrons était donc très plausible, ce qui fut renforcé par les mesures plus précises de Kaufmann en 1907. Les vitesses étaient par contre bien plus élevées, proches de la vitesse de la lumière, ce qui voulait dire que les énergies étaient près de 1000 fois plus grandes (de l’ordre du MeV au lieu du keV pour les rayons cathodiques).

Pénétration comparée des rayons alpha, bâta et gamma
Pénétration comparée des rayons alpha, bâta et gamma

En 1900, Paul Villard observa un 3° type de rayonnement encore plus pénétrant que les bêta et impossible à dévier. Il pouvait donc s’agir soit d’une particule très lourde ou très rapide, ou d’une particule neutre. Rutherford lui donna en 1903 le nom de rayonnement gamma, pour continuer l’alphabet grec. Costa Andrades et Ruth montrèrent en 1914 que le rayonnement gamma était un rayonnement électro-magnétique de très courte longueur d’onde (< 1 pm = 10-12 m) en observant sa diffraction par des cristaux.

Identifier dans le rayonnement alpha des noyaux d’hélium se révéla plus difficile, et prit près de 10 ans à Rutherford. L’hélium avait été découvert en 1868 par l’astronome Norman Lockyer dans le spectre du Soleil, mais il ne fut identifié sur Terre qu’en 1895 par Ramsay, justement dans des minerais d’uranium. En 1903, Ramsay et Soddy observèrent la production d’hélium par le radium, et finalement en 1907-1908 Rutherford et Royds observèrent les raies caractéristiques de l’hélium en collectant des alpha. Entretemps, Rutherford était parvenu en 1903 à dévier des rayons alphas par un champ électrique intense, et à mesurer en 1905 leur rapport masse/charge électrique et à montrer qu’il avait la même valeur pour des alphas émis par du polonium et par du radium, et que cette valeur était compatible avec celle d’un ion d’hélium.

Déviations des rayons alpha, bâta et gamma par un champ électrique
Déviations des rayons alpha, bâta et gamma par un champ électrique

Remarques:

  • L’expérience de Rutherford est analogue à celle des Curie, mais sans balance à quartz. Rutherford allait cependant plus loin dans son étude des absorptions des rayonnements par le laiton, l’aluminium, la distinction entre effets de surface (alpha) et effets de profondeur (bêta), et l’observation d’une opacité croissante avec la masse atomique
  • Rutherford obtint des résultats similaires avec le thorium, qui émettait aussi rayonnements alpha et bêta
  • Les Curie observèrent aussi des rayonnements alpha et bêta avec le radium
  • En fait, U238, Th232 et Ra226 sont de purs émetteurs alpha, les bêtas viennent de transmutations des éléments suivants dans les chaînes de transmutation, dont la présence est inévitable (équilibre séculaire).

L’université McGill de Montréal

Sceau de l'université McGill
Sceau de l’université McGill

Université anglophone de Montréal depuis 1821, un département (et une chaire) de physique furent créés en 1891 par scission du département de mathématiques et sciences naturelles, grâce à un don du philanthrope (et magnat du tabac quoique non-fumeur) William MacDonald. Une seconde chaire fut créée en 1893, avec un laboratoire très bien équipé pour l’époque.

Rutherford y fut nommé professeur de physique à l’automne 1898. Pour lui, l’inconvénient majeur était que Montréal était très loin d’être un centre aussi en pointe que Cambridge! En contrepartie, il bénéficiait d’un poste de titulaire plutôt bien payé (→ Rutherford put ainsi épouser Mary Newton en 1900), il disposait d’un laboratoire moderne et d’un collaborateur exceptionnel en la personne de Frederick Soddy.

Ernest Rutherford en 1905 à McGill
Ernest Rutherford en 1905 à McGill

La découverte du radon

Moi j’ai dit « bizarre »? Comme c’est bizarre! (Drôle de drame)

En 1898, quand il était encore au Cavendish à étudier la radioactivité de l’uranium et du thorium, Rutherford avait observé que la radioactivité de ce dernier « variait de la manière la plus capricieuse » alors que le rayonnement des composés d’uranium demeurait constante. Il avait cependant fini par remarquer que c’était les courants d’air dans le laboratoire qui perturbaient les mesures de radioactivité. En gardant fermée la chambre d’ionisation, il avait pu mener ses mesures à bien mais l’origine des perturbations l’intriguait.

Un fois installé à McGill, Rutherford revint donc à l’effet des courants d’air sur la radioactivité du thorium. En collaboration avec Robert Owens, il finit par démontrer que le thorium libérait continuellement des particules radioactives, ce qu’il baptisa une «émanation», probablement gazeuse. Cette émanation était elle aussi ionisante et sa présence ou son absence (quand le vent l’emportait) modifiait l’ionisation due au thorium lui-même (Rutherford, A radioactive substance emitted from thorium compounds. Phil. Mag., Ser. 5, 49:1-14:1900). L’émanation était électriquement neutre (→ ni alpha ni bêta). Pour l’étudier efficacement, il envoya de l’air sur du thorium et recueillit les gaz dans un flacon. Son contenu était ionisant, donc probablement radioactif lui-aussi. Il se rendit même compte que la radioactivité qu’il avait mesuré pour le thorium était en grande partie due en réalité à l’émanation.

En fait il existe un grand nombre d’éléments radioactifs présents en même temps que le thorium, et tous contribuent à des degrés divers à la radioactivité « du thorium ».

Nature de l’émanation

Montage de Rutherford pour déterminer la nature de l’émanation en septembre 1899:

  • Oxyde de thorium enveloppé dans du papier (laissant passer l’émanation mais pas le rayonnement α du thorium lui-même)
  • L’émanation est aspirée par un tube dans une chambre d’ionisation, reliée à un électromètre à quadrants
  • L’électromètre permet de mesurer la radioactivité de l’émanation
Montage de Rutherford pour l'étude de "l'émanation" du thorium
Montage de Rutherford pour l’étude de « l’émanation » du thorium

Procédure:

  • Aspirer l’air jusqu’à stabilisation du courant d’ionisation
  • Arrêter l’aspiration
  • Mesurer le courant d’ionisation pendant une dizaine de minutes
  • Recommencer
Le montage de Rutherford sur la paillasse du laboratoire
Le montage de Rutherford sur la paillasse du laboratoire

Le nombre de corps radioactifs découverts ne cessait de croître

  • Uranium (Becquerel 1896)
  • Thorium (Schmidt 1898)
  • Polonium (Curie 1898)
  • Radium (Curie 1898)
  • Actinium (Debierne 1899)
  • « Émanation » (Rutherford 1899)

mais la particularité la plus spectaculaire de l’émanation était que son activité diminuait rapidement: le courant d’ionisation mesurant l’activité de l’émanation diminuait de moitié chaque minute, alors que tous les autres corps radioactifs alors connus voyaient leur activité stable au cours du temps (ce qui était d’ailleurs une source majeurs d’interrogations pour les physiciens). Mais la répétition des mesures ne laissait aucune place au doute:

  • t = 0        courant 100%
  • t = 62 s   courant 51%
  • t = 118 s  courant 23%
  • t = 210 s  courant 7%
  • t = 360 s  courant 2%

Une diminution de moitié de la radioactivité chaque minute se traduit mathématiquement par une décroissance exponentielle de la forme A(t) = A(0) exp{-t/τ) avec τ ~ 80 secondes [t½ = τln 2 = 56s].

☞ il parut invraisemblable que cette « émanation » soit un nouvel élément : il serait instable ! Par définition quasiment, un élément chimique ne pouvait être ni créé ni détruit, il se conservait intact à travers toute réaction chimique, ne changeant que son association avec d’autres éléments.

Rétrospectivement, ce fut une grande chance pour Rutherford que la demi-vie de cette « émanation » soit de l’ordre de la minute. La décroissance de l’activité aurait en effet pu ne pas être remarquée si la demi-vie avait été de plusieurs semaines, ou inversement de quelques fractions de seconde.

Par toute une série d’astucieux montages, Rutherford vérifia que la décroissance de l’activité de l’émanation ne dépendait pas de la chimie du thorium, ni des conditions ambiantes (pression ou température), ni du voltage (il ne s’agissait donc pas d’une destruction de l’émanation par le champ électrique). Il vérifia également que l’émanation du thorium était bien un gaz, et non des poussières ou des « vapeurs » de thorium (sublimation?) en intercalant des obstacles mécaniques (une bourre de coton par exemple).

Rutherford modifia ensuite légèrement son montage pour aspirer toute l’émanation et mesurer l’augmentation de radioactivité au fur et à mesure qu’elle se reformait à partir du thorium. Les deux courbes étaient parfaitement symétriques. Rutherford fut si fier de ce résultat que, lors de son élévation à la pairie (Lord Rutherford), il choisit de faire figurer ces deux courbes sur son blason.

Demi-vie du radon
Demi-vie du radon

Quelle était la nature de l’émanation? Rutherford pensa avoir affaire à un gaz inerte, peut-être l’un de ceux que Ramsay isolait l’un après l’autre à cette époque: argon (1894), hélium (1895), néon (1898), krypton (1898), xénon (1898). En collaboration avec son étudiante Harriet Brooks (1876-1933), Rutherford pencha d’abord pour l’argon avant se convaincre qu’il avait affaire à un nouvel élément (The new gas from radium Trans. R. Soc. Can. 1901). Soddy et Ruth montrèrent ensuite en 1902, qu’il était bien chimiquement inerte en lui faisant traverser divers réactifs chimiques sans qu’il en soit affecté.

L’émanation du radium

L’article de Rutherford et Brooks portait en effet sur l’émanation du radium, car entretemps le radium avait également manifesté une « émanation ». Pierre et Marie Curie avaient eux aussi rencontré des instabilités de mesure en présence de courants d’air et ils avaient signalé une « radioactivité induite »: une substance placée à proximité du radium devenait elle aussi radioactive, l’air lui-même semblait devenir radioactif (Sur la radioactivité provoquée par les rayons de Becquerel Comptes Rendus Ac Sc, 129: 714-716:1899). En 1900, Friedrich Dorn avait vérifié les résultats de Rutherford avec le thorium confirmé la présence similaire d’une émanation radioactive avec le radium, mais pas avec l’uranium ni le polonium (Über die von radioaktiven Substanzen ausgesandte Emanation, Sur l’émanation émise par les substances radioactives). En 1903, André Debierne signala que l’actinium lui aussi libérait une émanation radioactive. La situation devenait confuse.

DangerVérifier la chronologie exacte des dates de soumission des articles originaux: selon les sources secondaires, on a soit Rutherford → Dorn, soit Curie → Dorn→ Rutherford, voire Dorn→Curie

Les Curie pensaient en 1903 que cette émanation résultait d’une «activation» d’un élément connu par l’énergie rayonnée, mais la majorité des physiciens penchait pour un nouvel élément. Rutherford soutint en 1904 que les émanations du thorium, du radium et de l’actinium différant grandement par leur demi-vie, il devait s’agir d’éléments distincts:

  • t½ = 3.8 jours pour l’émanation du radium
  • t½ = 56 s pour celle du thorium
  • t½ = 4 s pour celle de l’actinium

Ces trois éléments reçurent alors les noms de exradio, exthorio, et exactinio en 1904. En 1910, Ramsay proposa le nouveau nom de niton (le brillant) pour l’émanation du radium, la terminaison en -on, celle des gaz inertes, étant justifiée car Ramsay avait montré en 1904 que les trois émanations présentaient des spectres analogues à ceux de l’argon, du krypton et du xénon, suggérant qu’il appartenaient bien à la famille des gaz inertes comme Rutherford l’avait pensé. En 1918, les trois émanations furent rebaptisées radon, thoron, et akton. Les noms devia

Déviation d'une charge par un champ électrique
Déviation d’une charge par un champ électrique

nrent radeon, thoreon, et actineon en 1919 avant de redevenir en 1920 radon, thoron, et acton (à nouveau modifié en actineon en 1923). Aujourd’hui, on les appelle radon 222, radon 220 et radon 219, selon la décision prise de baptiser tous les isotopes d’un même élément chimique (ici l’élément Z=86) du nom du plus stable d’entre eux, le radon.

Détermination de la masse atomique

Dans un premier temps, les physiciens pensèrent que l’émanation était une sorte de vapeur de thorium ou de radium, et en 1901 Rutherford voulut vérifier ou exclure cette possibilité en mesurant son poids atomique. Il construisit un longue chambre d’ionisation cylindrique qu’un capot pouvait séparer en deux parties. Le clapet était d’abord fermé, la partie gauche remplie d’émanation jusqu’à stabilisation de l’ionisation mesurée par un électromètre. Rutherford utilisa l’émanation du radium, dont la durée de vie de 4 jours rendait la mesure plus simple que celle du thorium de durée de vie limitée à 1 mn.

Montage de Rutherford pour déterminer la masse atomique du radon
Montage de Rutherford pour déterminer la masse atomique du radon

Puis le clapet était ouvert, laissant l’émanation (et l’air) se répandre dans la deuxième moitié, et l’ionisation des deux chambres était mesurée en parallèle. Quand elles se stabilisaient à la même valeur, on estimait que l’émanation était répartie de manière homogène. Le temps nécessaire pour arriver à cette homogénéisation dépendait, selon la théorie cinétique des gaz, de la masse moléculaire, que Rutherford et Brooks estimèrent entre 40 et 100. Marie Curie avait estimé en 1899 que la masse atomique du radium était supérieure à 140 (Sur le poids atomique du métal dans le chlorure de baryum radifère Comptes Rendus Ac Sc, 129: 760-762:1899). Rutherford rejeta alors l’idée que l’émanation était une vapeur métallique. En fait, l’expérience était sujette à nombre d’erreurs et d’incertitudes, et la masse atomique du radium est de 226 et celle de l’émanation du radium est de 222. Ironiquement, une meilleure expérience aurait donc conduit Rutherford à l’erreur.

Durée de vie

Que l’activité de l’émanation du thorium diminue de moitié toutes les minutes, et que celle du radium diminue de moitié tous les 4 jours ne pouvait s’expliquer que si le phénomène était intrinsèquement probabiliste, et que la probabilité qu’un atome d’émanation du thorium disparaisse au cours d’une minute était constante, toujours égale à 50%. Autrement dit, l’atome d’émanation ne vieillissait pas et il pouvait disparaître à tout moment (et certainement pas brusquement au bout d’une minute comme on l’imagine parfois).

Ce phénomène était totalement nouveau en physique et ne trouva d’explication qu’avec l’avènement de la mécanique quantique. Mais il devint facile à observer par tous à partir de 1903 quand Crookes diffusa son spinthariscope: une aiguille porteuse d’une (très petite) quantité de bromure de radium émetteur de rayons alphas, un écran de sulfure de zinc provoquant une étincelle à chaque impact d’une particule alpha et un oculaire permettant de mieux voir l’étincelle. En regardant dans le spinthariscope, on voyait des étincelles s’allumer de manière aléatoire sur le fond sombre de l’écran: Crookes parlait d’une « mer lumineuse turbulente ».

Spinthariscope de 1910 (modèle de Crookes) au radium
Spinthariscope de 1910 (modèle de Crookes) au radium

Principe de fonctionnement du spinthariscope de Crookes
Principe de fonctionnement du spinthariscope de Crookes

Tous les éléments radioactifs se comportent de cette façon: chacun de leur atomes a une probabilité définie et constante de disparaître pendant chaque seconde (ou chaque minute, ou chaque million d’années selon l’activité de l’atome en question). La durée au bout de laquelle la moitié des atomes radioactifs d’un échantillon a disparu (et donc l’activité de l’échantillon a diminué de moitié) est la demi-vie t½ de l’élément en question. Elle est reliée simplement à la période de décroissance exponentielle τ qui intervient dans l’équation A(t) = A(0) exp{-t/τ) qui donne l’activité au temps t connaissance l’activité au temps t=0.

t½ = τln 2

Les demi-vies des éléments radioactifs sont extrêmement variables et bien sûr, pour des durées extrêmement brèves ou extrêmement longues, il n’est pas possible d’observer directement la lois de décroissance exponentielle. Mais la demi-vie se calcule simplement en mesurant l’activité par unité de masse de l’élément.


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