Ernest Walton était l’un pionnier pour des travaux sur la transmutation des noyaux atomiques
Ernest Walton, physicien irlandais (prix Nobel 1951 pour ses travaux sur le premier accélérateur de particules)
Le physicien Ernest Walton (1903-1995) a partagé la réalisation de la première désintégration artificielle d’un noyau atomique sans utiliser d’éléments radioactifs. Pour ce travail, Walton et John D. Cockroft ont partagé le prix Nobel de physique en 1951.
Ernest Walton était un physicien expérimental irlandais qui s’est rendu célèbre pour avoir réalisé, avec le physicien John D. Cockcroft, la première désintégration artificielle d’un noyau atomique, sans utiliser d’éléments radioactifs. Leur percée a été réalisée en accélérant artificiellement un faisceau de protons (particules de base des noyaux d’atomes qui portent une charge positive d’électricité) et en le dirigeant vers une cible de lithium, l’un des métaux connus les plus légers. L’émission résultante de particules alpha, c’est-à-dire de particules chargées positivement émises par certaines substances radioactives, indiquait non seulement que certains protons avaient réussi à pénétrer dans les noyaux des atomes de lithium, mais aussi qu’ils s’étaient en quelque sorte combinés avec les atomes de lithium et avaient été transformés en quelque chose de nouveau. Bien que le processus ne soit pas un producteur d’énergie efficace, les travaux de Walton et Cockcroft ont stimulé de nombreux développements théoriques et pratiques et ont influencé tout le cours de la physique nucléaire. Pour leur travail de pionniers, Walton et Cockcroft ont partagé le prix Nobel de physique en 1951.
Ernest Thomas Sinton Walton est né le 6 octobre 1903 à Dungarven, dans le comté de Waterford, en République d’Irlande. Son père, John Arthur Walton, était un ministre méthodiste, tandis que sa mère, Anna Elizabeth (Sinton) Walton, était issue d’une très vieille famille d’Ulster, qui vivait dans la même maison à Armagh depuis plus de deux cents ans. Le jeune Walton a été envoyé à l’école au collège méthodiste de Belfast, où il a démontré une aptitude pour les sciences et les mathématiques. Il n’est donc pas surprenant qu’il décide de s’inscrire en maths et en sciences expérimentales au Trinity College de Dublin en 1922. Il obtient un B.A. en 1926, un M.Sc. en 1928 et un M.A. en 1934.
L’année suivante, il se rend à l’université de Cambridge, en Angleterre, grâce à une bourse de recherche de Clerk Maxwell. Là, il rejoint le célèbre Cavendish Laboratory, dirigé par le grand physicien néo-zélandais Ernest Rutherford. Walton se voit attribuer un espace de laboratoire exigu dans une pièce au sous-sol. Bien que ses quartiers ne soient pas luxueux, il a au moins la chance d’avoir des colocataires avec lesquels il se lie d’une amitié immédiate, les physiciens T. E. Allibone et John D. Cockcroft. Walton entrera par la suite dans l’histoire scientifique, en collaboration avec ce dernier, pour un projet qui ouvrira la voie au développement de la bombe atomique. À la suggestion de Rutherford, Walton a commencé à essayer d’augmenter la vitesse des électrons (les particules chargées négativement de l’atome) en les faisant tourner dans le champ électrique produit par un champ magnétique circulaire changeant comme méthode de désintégration nucléaire. Bien que la méthode n’ait pas été couronnée de succès, il a pu déterminer la stabilité des orbites des électrons en rotation, ainsi que les problèmes de conception et d’ingénierie liés à la création d’une machine accélératrice avec un minimum d’outils et de matériaux. Ces premiers travaux de Walton ont ensuite conduit au développement du bétatron, c’est-à-dire un accélérateur de particules dans lequel les électrons sont propulsés par l’action inductive d’un champ magnétique à variation rapide.
Ensuite, Walton a essayé de construire un accélérateur linéaire à haute fréquence. Son objectif est de produire un flux de particules alpha se déplaçant à grande vitesse qui pourrait être utilisé pour faire la lumière sur divers aspects du noyau atomique. Rutherford souhaitait depuis longtemps mettre la main sur une telle source de particules alpha, mais désespérait d’une percée à court terme. Au fur et à mesure que les travaux de Walton progressaient, le souhait de Rutherford a été exaucé plus tôt que prévu.
Ce qu’il fallait, c’était une façon fondamentalement différente d’envisager le problème. Walton et ses collègues du Cavendish tentent d’accélérer les électrons à une vitesse suffisante pour leur permettre de pénétrer dans un noyau atomique. Des vitesses aussi élevées étaient nécessaires, pensaient-ils, pour contrecarrer la charge répulsive des noyaux. Les électrons rapides, pensaient-ils, se fraieraient littéralement un chemin à travers. Cependant, atteindre des vitesses aussi élevées était plus facile à dire qu’à faire. Il fallait appliquer d’énormes quantités d’électricité, environ quatre millions de volts, ce qui était à l’époque impossible à générer dans un tube à décharge (un tube qui contient un gaz ou une vapeur métallique qui conduit une décharge électrique sous forme de lumière). 
Une percée cruciale a lieu en 1929, lorsque le physicien russe George Gamow visite le laboratoire Cavendish. Avec le physicien Niels Bohr à Copenhague, il avait élaboré une théorie de la pénétration des particules basée sur la mécanique ondulatoire, selon laquelle les particules traversaient les barrières potentielles par effet tunnel plutôt que de les franchir. Cela signifie que des particules propulsées par environ 500 000 volts, et non des millions, pourraient éventuellement traverser la barrière et pénétrer dans le noyau si elles étaient présentes en nombre suffisamment important. En d’autres termes, il faudrait un faisceau de plusieurs milliers de millions de particules en mouvement pour produire des désintégrations atomiques susceptibles d’être observées.
Rutherford donne le feu vert à Walton et Cockcroft pour tester cette hypothèse. L’appareil à haute tension qu’ils ont construit pour leur permettre d’accélérer les particules atomiques a coûté près de 1 000 £ (livres sterling). C’était une somme énorme à l’époque, qui représentait la quasi-totalité du budget annuel du laboratoire.
La machine, la première de ce type jamais construite et aujourd’hui exposée au Musée des sciences de Londres, à South Kensington, était constituée d’un transformateur ordinaire, renforcé par deux piles de grands condensateurs (ou ce que l’on appellerait aujourd’hui des condensateurs), qui pouvaient être activés et désactivés au moyen d’un interrupteur électronique. Ce dispositif générait jusqu’à un demi-million de volts, qui étaient dirigés vers un tube à décharge électrique. Au sommet du tube, des protons étaient produits. La vitesse des protons était augmentée pour former un faisceau qui pouvait être utilisé pour atteindre n’importe quelle marque au bas des tubes. Bien qu’il puisse être considéré comme primitif selon les normes d’aujourd’hui, leur appareil était en fait une construction ingénieuse, bricolée à partir de cylindres de verre provenant de vieilles pompes à essence, de feuilles de métal plates, de plasticine et de pompes à vide. Le courant généré par le tube à décharge était de près d’un cent millième d’ampère, ce qui signifiait qu’environ 50 millions de protons étaient produits par seconde. La disponibilité d’une source de particules aussi importante et étroitement contrôlée – comparée à celle produite, par exemple, par une source radioactive – augmentait considérablement les chances qu’un noyau soit pénétré par les particules atomiques rapides.
Au milieu de l’année 1931, alors que leur expérience n’en était qu’à ses débuts, Walton et Cockcroft furent contraints de quitter leur sous-sol lorsque des physico-chimistes s’en emparèrent. Ils ont été obligés de déconstruire leur installation et de la reconstruire. Il s’est avéré que c’était un coup de chance. Leur nouveau laboratoire était un ancien amphithéâtre, dont le haut plafond était beaucoup plus adapté à leurs besoins. Lorsque Walton et Cockcroft sont allés réassembler leur énorme appareil, ils en ont profité pour introduire quelques modifications. Cette fois, ils incorporèrent à leur appareil un nouveau circuit multiplicateur de tension, que Cockcroft venait de mettre au point. Il leur faut attendre la fin de l’année 1931 pour produire un courant constant de cinq ou six cents volts.
Lorsque l’accélérateur est enfin terminé, ils reprennent le laborieux processus de pénétration d’un noyau atomique à l’aide d’un flux de protons accélérés. Ils ont positionné une fine cible en lithium en oblique par rapport au faisceau de protons afin d’observer les particules alpha de part et d’autre de celle-ci. Afin de détecter les particules alpha qu’ils espéraient produire, ils ont installé un minuscule écran en sulfure de zinc, qu’ils ont observé avec un microscope de faible puissance, une technique empruntée à Rutherford.
Les premiers mois de 1932 sont consacrés à rendre l’installation plus fiable et à mesurer la portée et la vitesse des protons accélérés. Ce n’est que le 13 avril 1932 qu’ils réalisent une percée. À cette date fatidique, Walton se rendit compte pour la première fois que leur expérience avait réussie. Sur le petit écran, il détecte des éclairs, appelés scintillations. Ceux-ci indiquent que non seulement la vapeur de protons a réussi à percer les noyaux atomiques, mais aussi qu’une transformation s’est produite au cours du processus. Les protons à grande vitesse s’étaient combinés avec la cible en lithium pour produire une nouvelle substance, les particules alpha, qui apparaissaient sur l’écran sous forme de scintillations.
Walton et Cockcroft confirment ces observations à l’aide d’un enregistreur sur papier muni de deux stylos, chacun actionné par une touche. Walton actionnait une touche, Cockcroft l’autre. Lorsque l’un ou l’autre remarquait un flash, il appuyait sur sa touche. Comme les deux touches étaient constamment pressées en même temps, il était clair que les alphas étaient émis par paires. L’implication était que le noyau de lithium, avec une masse de sept et une charge de trois, s’était, au contact d’un proton accéléré, divisé en deux particules alpha, chacune de masse quatre et de charge deux. Lors de cette transformation, une petite quantité d’énergie a été perdue, équivalente à environ un quart de pour cent de la masse du lithium.
La réalisation de Walton et Cockcroft était révolutionnaire et historique à bien des égards. C’était la première fois que quelqu’un produisait un changement dans un noyau atomique par des moyens totalement sous contrôle humain. Ils ont également découvert une nouvelle source d’énergie. En outre, ils ont confirmé la théorie de George Gamow selon laquelle les particules peuvent creuser un tunnel ou se frayer un chemin dans un noyau, malgré la répulsion des charges électriques. Enfin, ils ont fourni une précieuse confirmation de la théorie du physicien Albert Einstein selon laquelle l’énergie et la masse sont interchangeables. L’énergie supplémentaire des particules alpha, une fois l’énergie du proton prise en compte, correspondait exactement à la perte de masse.
L’exploit de Walton et Cockcroft est annoncé dans une lettre publiée dans Nature, puis lors d’une réunion de la Royal Society de Londres le 15 juin 1932. À cette date, ils avaient réussi à diviser les noyaux de 15 éléments, du béryllium, le plus léger, à l’uranium, le plus lourd. Tous ont produit des particules alpha, mais les résultats les plus spectaculaires ont été obtenus avec le fluor, le lithium et le bore. La nouvelle fait sensation dans le monde entier. En raison de leur découverte, Walton et Cockcroft sont les vedettes de la conférence Solvay, un important rassemblement de physiciens internationaux, qui se tient en 1933, et de la conférence internationale de physique, qui se tient à Londres en 1934.
L’accélérateur de particules de Walton et Cockcroft a donné naissance à de nombreux modèles plus sophistiqués, dont celui construit par leur collègue physicien Marcus Oliphant au Cavendish. Il était capable de produire une quantité plus abondante de particules, non seulement des protons, mais aussi des deutérons (noyaux d’hydrogène lourd). De nombreuses transformations nucléaires révolutionnaires ont ainsi pu être réalisées. Leur invention a également inspiré le physicien nucléaire américain Ernest Orlando Lawrence à construire un cyclotron, un accélérateur cyclique, capable d’atteindre des vitesses énormes. Bien que les scientifiques de la fin du vingtième siècle puissent considérer l’équipement utilisé par Walton et Cockcroft comme primitif, l’idée de base de l’accélérateur de particules est restée la même.
En 1932, Walton obtient son doctorat à Cambridge et deux ans plus tard, il retourne à Dublin comme membre du Trinity College, sa réputation le précédant. La même année, il épouse Winifreda Wilson, une ancienne élève du Methodist College de Belfast. Ils ont eu deux fils et deux filles, Alan, Marian, Philip et Jean.
Les années qui suivent s’écoulent plutôt tranquillement pour Walton. Alors que son ancien partenaire, John D. Cockcroft, passe d’un poste de haut niveau à un autre, Walton préfère rester légèrement à l’écart du courant dominant de la physique. Il s’attache plutôt à établir la réputation d’excellence de son département. Ses efforts sont récompensés en 1946 lorsqu’il est nommé professeur Erasmus Smith de philosophie naturelle et expérimentale.
En 1951, près de vingt ans après avoir réalisé la percée qui a changé la face de la physique nucléaire, Walton et Cockcroft obtiennent enfin la reconnaissance que beaucoup pensaient avoir été attendue depuis longtemps. Le prix Nobel de physique leur est décerné conjointement pour leur travail de pionnier sur la transmutation des noyaux atomiques par des particules atomiques artificiellement accélérées. L’année suivante, Walton devient président de l’école de physique cosmique de l’Institut d’études avancées de Dublin. Il est élu senior fellow du Trinity College en 1960.
En dehors de ses travaux scientifiques, Ernest Walton a été actif dans des comités concernant le gouvernement, l’église, la recherche et les normes, les académies scientifiques et le Royal City of Dublin Hospital. Il est décédé le 25 juin 1995, à l’âge de 91 ans.
Ernest Walton (1903-1995)
Ernest Thomas Sinton Walton est un physicien irlandais qui a été Co-récipiendaire, avec l’Anglais Sir John Douglas Cockcroft, du prix Nobel de physique 1951 pour la mise au point du premier accélérateur de particules nucléaires, connu sous le nom de générateur Cockcroft-Walton. L’accélérateur a été construit dans une pièce désaffectée du Cavendish Laboratory et alimenté en plusieurs centaines de kilovolts par un circuit multiplicateur de tension conçu et fabriqué par Cockroft et Walton. Le 14 avril 1932, Walton dirige le faisceau de protons vers une cible en lithium. Malgré tous les obstacles, ils réussissent à être les premiers à fendre l’atome, et Walton est le premier à voir la réaction se produire. Ils ont identifié les produits de désintégration comme étant des particules alpha (noyaux d’hélium).
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