Le blog d'histoire des sciences

Joseph John Thomson (1856-1940) est né près de Manchester. Après ses premières années de scolarité dans cette ville il rejoint le Trinity College à Cambridge où il effectue de brillantes études de mathématiques appliquées à la physique. Nourri des théories de Maxwell, qui a été son professeur, il imagine, dès 1883, un modèle présentant l'atome sous la forme de tourbillons d'éther entrelacés. L'année suivante il est nommé professeur de physique expérimentale à Cambridge et placé à la tête du "Cavendish Laboratory" dans lequel, avant lui, Maxwell et Rayleigh avaient développé de rigoureuses pratiques expérimentales.

J.J. Thomson est, quant à lui, plutôt attiré par la physique théorique. Ses premières réflexions sur la structure des atomes l'amènent à orienter le laboratoire vers l'étude des décharges électriques dans les gaz, étude dans laquelle son compatriote Crookes s'était déjà illustré. Le sujet de la nature des "rayons cathodiques" est alors l'objet de controverses entre les physiciens britanniques qui les considèrent comme constitués de particules chargées et les physiciens allemands qui y voient des ondes électromagnétiques se propageant dans l'éther. Héritier, à la fois, de Crookes et de Maxwell, Thomson se place ainsi au centre du conflit.

Son laboratoire développe un équipement et des savoir-faire appropriés : pompes à vide puissantes, tubes à vide de formes diverses... Quand, en décembre 1895, Röntgen annonce sa découverte des rayons X, les chercheurs qui y travaillent sont en mesure, non seulement de la vérifier, mais aussi d'imaginer des développements immédiats. Dès janvier 1896 ils constatent que les rayons X ionisent les gaz qu'ils traversent; ils peuvent donc, à présent, se dispenser des tubes à vide et travailler sur des gaz ionisés à la pression atmosphérique.

Parmi ses collaborateurs Thomson compte de précieux expérimentateurs comme Ernest Rutherford ou Charles Thomson Rees Wilson qui a mis au point une "chambre à condensation" dans laquelle de fines gouttelettes de brouillard se forment autour des particules de gaz ionisé. La mesure de leur vitesse de chute dans un champ électrique permettra d'en mesurer la charge et la masse.

En 1897, Thomson publie un article, devenu célèbre qui fait le point sur leurs premiers travaux. Après Perrin en 1895, il y décrit les rayons cathodiques comme formés de "corpuscules" arrachés aux atomes. Mesurant le rapport de leur masse à leur charge, il estime qu'ils ont une masse deux mille fois plus petite que celle de l'atome d'hydrogène et qu'ils sont animés d'une vitesse de l'ordre de 200 kilomètres par seconde. Plus tard le physicien allemand Emil Wiechert estimera cette vitesse entre le dixième et le cinquième de la vitesse de la lumière soit entre 30 000 kilomètres et 60 000 kilomètres par seconde. Par ailleurs la chambre de Wilson sera mise à contribution pour confirmer la faible masse de ces particules et mesurer leur charge électrique. Ces "corpuscules" seront plus tard désignés par le nom d'électrons, un terme initialement créé par le physicien irlandais George Johnstone Stoney pour désigner "l'atome d'électricité" intervenant dans les électrolyses.

Ces "électrons" ont cependant du mal à s'imposer tant leurs propriétés semblent extraordinaires. Un article de la revue "La Nature", daté de 1898, estime que leur énergie pour un seul gramme de matière rayonnée serait équivalente à celle de "10 000 trains de cent tonnes marchant à près de 100 kilomètres-heure". Pour la première fois les atomes révèlent la formidable réserve d'énergie que recèle leur structure. La conviction du monde scientifique sera finalement acquise quand on mettra en évidence l'existence de ces mêmes électrons dans l'effet photo-électrique puis dans le rayonnement radioactif.

Rayonnements cathodiques, rayons X, radioactivité, découverte des électrons... cette fin de 19ème siècle ne peut que susciter l'enthousiasme des jeunes générations de chercheurs. Le Français Paul Langevin était l'un des ces jeunes physiciens à avoir rejoint le Cavendish Laboratory en l'année 1897. Dans une préface à la traduction française de "Electricité et Matière" (Paris, Gauthier-Villars, 1922) publié par Thomson en 1903, il témoigne :

" Le moment était particulièrement favorable. Dans ce milieu d'étudiants, venus vers le jeune maître de toutes les parties du monde, s'accomplissait avec enthousiasme l'exploration du nouveau domaine des ions et des électrons, ouvert par la découverte des rayons cathodiques et des rayons de Röntgen et que devait féconder de manière si prodigieuse celle du radium, poursuivie en silence cette même année, par M. et Mme Curie, dans les vieux laboratoires de l'Ecole de Physique et Chimie."

L'électron et l'atome, de Thomson à Rutherford.

 Ayant découvert l'électron, Thomson imagine un modèle d'atome souvent désigné sous le terme de "pudding". Il est constitué d'une sphère de matière positive, relativement peu dense, dans laquelle se déplaceraient des électrons soumis à la fois à leur propre répulsion et à l'attraction des différentes parties de la sphère positive.

L'ensemble est, cependant, loin de l'image statique d'un gâteau truffé de grains de raisin. Les électrons se déplacent dans cette sphère à des vitesses prodigieuses. En effet, tout apport d'énergie à l'atome doit se traduire, sous forme d'énergie cinétique, par une accélération du mouvement des électrons pouvant aller jusqu'à provoquer leur expulsion à des vitesses proches de celle de la lumière.

Proposition après proposition, Thomson s'attache à expliquer par son modèle beaucoup des propriétés connues des gaz ionisés et de leur émission lumineuse. Pendant plus de dix ans, ce modèle sera perfectionné avant que son ancien élève Rutherford vienne en proposer un autre dont le succès sera tel qu'il occupe encore une place essentielle dans la représentation que se font nos contemporains de la structure d'un atome.

Ernest Rutherford (1871-1937) est le fils d'immigrés écossais installés en Nouvelle Zélande. Il fait ses études dans son pays natal où il s'intéresse, en particulier, à la détection des ondes hertziennes. Profitant d'une bourse d'études, il rejoint J.J. Thomson au Cavendish Laboratory de Cambridge en 1895 et participe avec lui à l'étude des gaz ionisés.

En 1898, il se voit proposer une chaire à l'Université Mc Gill de Montréal. Peu de temps auparavant Becquerel avait découvert les "rayons uraniques". Rutherford s'empare du sujet et étudie le pouvoir ionisant du rayonnement et son pouvoir de pénétration à travers des plaques métalliques de différentes épaisseurs. Comme Pierre et Marie Curie, il distingue deux rayonnements distincts de particules. L'un, peu pénétrant et très ionisant, qu'il désigne comme "rayonnement α". L'autre, plus pénétrant et moins ionisant, le "rayonnement β".

Marie Curie avait déjà imaginé que le rayonnement α était constitué de particules massives perdant rapidement leur énergie en traversant la matière. Rayleigh puis Crookes avaient constaté que ce rayonnement était constitué de particules chargées d'électricité positive. Rutherford était lui-même arrivé indépendamment à la même conclusion.  Il montrera ultérieurement que ces particules sont des noyaux d'hélium résultant d'une "transmutation" du corps radioactif les produisant. Leur énergie cinétique est prodigieuse. A masse égale, Rutherford, les estimera à 600 millions de fois celle d'une balle de fusil sortant du canon  avec une vitesse de 1 kilomètre par seconde.

Ces projectiles vaudront à Rutherford sa plus célèbre découverte en 1911. Il est alors revenu en Angleterre et est professeur à l'université de Manchester. L'expérience qu'il réalise, en compagnie de Hans Geiger et Ernest Marsden, consiste à bombarder une mince feuille d'or par des particules α devant un écran fluorescent.

Si on s'en tient au modèle de Thomson, d'un atome plein d'une matière positive peu dense, ces particules devraient traverser l'obstacle sans pratiquement être déviées. Or si c'est le cas pour la majorité d'entre elles, une faible proportion (moins de 1 sur 10 000) est déviée, et parfois très fortement. Certaines particules semblent même rebondir vers l'arrière. On prête à Rutherford des phrases traduisant son étonnement : "c'est comme si un boulet de canon rebondissait sur une feuille de papier de soie" aurait-il dit.

Pour interpréter ce phénomène Rutherford imagine un noyau très dense de matière positive où serait concentrée l'essentiel de la masse des atomes. Autour de ce centre positif très attractif, les électrons tournent comme des satellites autour d'un astre central. Plus tard on comprendra que ce noyau est lui-même composé de particules positives, les protons, et de particules neutres, les neutrons. Le modèle "planétaire" de l'atome est né.

Dans notre imagerie contemporaine, ce modèle est resté très populaire. L'atome c'est ce noyau granulaire entouré d'électrons. On le trouve encore, ainsi représenté, dans de très sérieuses publications de vulgarisation scientifique ou sur des sites internet très visités et très bien référencés.

Pourtant Rutherford lui-même savait qu'il souffrait d'un grave défaut. Maxwell avait montré que tout électron subissant une accélération rayonnait de l'énergie, or un électron tournant autour d'un noyau est accéléré vers le centre en permanence. L'énergie qu'il rayonne est telle qu'il devrait être ralenti et tomber sur le noyau en un temps infime. Dès 1913 Niels Bohr proposait un autre modèle qui répondait mieux à cette objection.

L'atome de Bohr.

Niels Bohr (1885-1962), est jeune physicien danois qui a fréquenté le laboratoire de Rutherford à Cambridge. Reprenant, en 1913, le modèle planétaire de ce dernier il postule que les électrons ne peuvent circuler autour du noyau que sur des orbites circulaires de rayons déterminés dont la valeur est liée à une constante proposée par Max Planck en 1900. Chaque orbite possible correspond à un "niveau d'énergie" de l'électron. Il peut passer à une orbite supérieure par l'absorption d'une énergie correspondant à l'écart entre les deux niveaux. Il peut émettre une radiation lumineuse de fréquence donnée, en passant d'un niveau à un niveau inférieur.

Sur le plan pratique le modèle de Bohr sera un outil qui révolutionnera aussi bien la physique que la chimie et la biologie.