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    50 ans de Nobel de physique  
    Elisabeth Gordon - Science et Avenir - 2000-01-01      
    La liste des travaux et des découvertes qui ont valu à leurs auteurs le prix Nobel de physique
donne une bonne image de ce qu'a été le développement de cette
discipline scientifique dans les cinquante dernières années.
 
    Car, contrairement à Einstein qui a reçu cette distinction en 1921, pour des recherches secondaires (la découverte de la loi de l'effet photoélectrique), alors qu'il avait déjà à cette époque énoncé la théorie de la relativité restreinte, les physiciens lauréats après 1922 ont vu leurs principaux travaux récompensés.  
    Les prix Nobel décernés sont en fait de deux types. Certains ont été attribués pour une découverte importante, mais ponctuelle : découverte du neutron (1935) ou du positron (1936), mise au point du cyclotron (1939), réalisation d'un microscope à contraste de phases (1953), découverte de la particule "phi"(1976), etc. D'autres consacrent l'ouvre d'un chercheur dont les travaux ont véritablement marqué tout le développement de la physique moderne. Tel est le cas par exemple de Bohr, de de Broglie, d'Heisenberg, de Schrödinger, de Dirac,… qui sont les créateurs de la mécanique quantique - dont les théories ont bouleversé tous les concepts classiques de la physique - de Fermi qui est à l'origine de l'essor de la physique nucléaire, ou encore de Pauli qui, lui aussi, a profondément influencé la science de son époque.  
    On peut également distinguer des "lignées de physiciens dont les recherches se sont effectuées en cascade. Dans ce cadre, se situe la famille des théoriciens de la mécanique quantique, dont on vient de parler. A côté d'eux se placent les physiciens atomiques tels que Rabi, "père et grand-père spirituel"de Bloch, Purcell, Kush, Lamb et même Kastler. Puis viennent les promoteurs de la physique nucléaire; le premier de cette lignée est Fermi, auquel ont fait suite des hommes comme Powell, Bothe, Cherenkov ou Born. Plus récemment, les astrophysiciens ont été mis à l'honneur avec Appleton, Bethe, Ryle et Hewish…  
    Si l'on ajoute à cela quelques physiciens du solide - Richardson, Josephson, Anderson, Mott, etc. -, on voit que toutes les disciplines de la physique sont présentes dans la liste des travaux "nobelisés".  
   

Alfred Nobel, industriel suédois et père de la dynamite, à sa mort en 1896 légua la quasi-totalité de sa fortune, qui était considérable, à une fondation chargée de récompenser chaque année les plus grands chercheurs de l'Humanité. Les bénéficiaires sont recrutés dans les domaines de la physique, de la chimie, de la physiologie ou de la médecine, de la littérature et de la Paix. Les cinq prix sont dotés d'une part égale des intérêts annuels du capital initial. Cette année le montant de chacune de ces parts était approximativement de 700'000F.

 
1922   Niels BOHR (1885-1962), danois, pour ses études de la structure des atomes et de leur radiation.
Il a en effet proposé un modèle atomique - le "modèle de Bohr"qui a été la première tentative théorique de calcul des niveaux d'énergie que peuvent occuper les électrons dans l'atome d'hydrogène.
D'après la mécanique classique, les électrons se déplaçaient sur des orbites circulaires autour du noyau, toutes les orbites possibles pouvant être occupées tour à tour. Or ceci contredisait la présence de raies bien précises observées sur le spectre de l'hydrogène, qui montraient que les électrons ne pouvaient se trouver que dans des endroits privilégiés et définis. Pour expliquer l'existence de ces raies, Bohr postula que les électrons ne pouvaient rayonner que lorsqu'ils se trouvaient sur des orbites privilégiées, et qu'ils ne pouvaient en aucun cas en parcourir d'autres.
Ce modèle, qui implique que les niveaux d'énergie des électrons dans un atome sont discontinus (quantifiés), marque les débuts du développement de la mécanique quantique.
 
1923   Robert MILLIKAN (18681953), américain, pour sa mesure de la charge d'électron. L'expérience de Millikan"est fondée sur l'utilisation d'un condensateur dans lequel sont vaporisées des gouttelettes d'huile. Ces gouttes se chargent électriquement par frottement lors de la pulvérisation et, en l'absence de champ électrique extérieur, ne sont soumises qu'aux forces de pesanteur et aux forces de frottement sur l'air. En soumettant ces gouttes à un champ électrostatique, Millikan observa qu'elles étaient parfois animées de vitesse ascendante, mais surtout que la vitesse d'une même goutte subissait des variations discontinues. Il nota alors que ces variations brusques étaient toujours un multiple entier d'une même quantité - la charge élémentaire qu'il put ainsi mesurer.  
1924   Manne SIEGBAHN (né en 1886), suédois, pour la mise au point d'une méthode spectroscopique aux rayons X qui lui a permis de mettre en évidence les couches électriques internes des atomes et des molécules.  
1925   James FRANCK (1882-1964), américain d'origine allemande et Gustav HERTZ (1887-1975), allemand, pour leur découverte des lois de la collision d'un électron libre et d'un atome. Par leur célèbre expérience, qui porte maintenant leur nom, ils ont montré que lorsqu'on envoie un électron sur un atome, l'électron ne peut perdre son énergie que de façon discontinue (ou quantifiée). Ils ont ainsi apporté la première base expérimentale à la mécanique quantique.  
1926   Jean PERRIN (1870-1942), français, pour ses travaux sur la structure discontinue de la matière, en particulier pour sa découverte de l'équilibre de sédimentation. Il a essentiellement étudié les problèmes liés au mouvement Brownien, ce mouvement désordonné et incessant qui anime les molécules dans un gaz ou dans un liquide. Il s'est notamment intéressé à l'influence du caractère moléculaire (donc microscopique) d'un fluide sur ses propriétés macroscopiques.  
1927   Arthur COMPTON (1892-1962), américain, pour la découverte de l'effet qui porte son nom. En envoyant une radiation électromagnétique d'une fréquence déterminée sur des électrons libres, Compton a constaté que le rayonnement diffusé possédait une fréquence plus faible que celle du rayonnement incident, ce qui signifie que les photons incidents ont transféré une partie de leur énergie aux électrons. Ce phénomène, appelé effet Compton >. constitue une preuve de la validité du concept de photon.
Charles T. R. WILSON (1869-1959), écossais, pour la mise au point de la chambre de Wilson grâce à laquelle on a pu observer, pour la première fois, les trajectoires des particules chargées. Wilson a en effet découvert qu'on pouvait provoquer la condensation de gouttelettes d'eau sur des ions produits dans un gaz par des radiations ionisantes qui le traversent, cela en détendant de façon convenable une masse d'air humide. Les trajectoires des particules traversant la chambre sont ainsi matérialisées par une fine ligne de gouttelettes, et deviennent observables. Ce dispositif est l'ancêtre de la chambre à bulles réalisée par Glaser (voir prix Nobel 1960).
 
1928   Owen RICHARDSON (1879-1959), anglais, pour ses travaux sur le phénomène thermo-ionique, en d'autres termes pour sa découverte du fait qu'un corps, sous l'influence de la chaleur, émet des électrons. La loi qui porte son nom relie la quantité d'électrons produits à la température appliquée au corps.  
1929   Louis de BROGUE (né en 1892). français, pour sa découverte de la nature ondulatoire de l'électron.
Avant les travaux de de Broglie, on classait les phénomènes naturels en deux catégories très distinctes : la "matière"formée de fines particules (atomes ou électrons) - dont le mouvement est régi par la mécanique classique de Newton ou, dans le cas de vitesses très grandes. par la théorie de la Relativité - et les radiations. considérées comme des ondes obéissant aux équations électromagnétiques. De Broglie a supprimé cette frontière entre matière et rayonnement en proposant une théorie selon laquelle, à chaque particule est associée une onde. Il a ainsi créé la mécanique ondulatoire, ancêtre directe de la mécanique quantique.
 
1930   Sir Venkata RAMAN (1888-1970), hindou, pour ses travaux sur la diffusion de la lumière et pour sa découverte de l'effet qui porte son nom. Selon la théorie classique de la diffusion, la lumière diffusée à travers un solide, un liquide ou un gaz doit avoir même la longueur d'onde que la lumière incidente. Raman a montré que ceci n'était pas vérifié expérimentalement, et que les écarts de longueur d'onde observés entre les deux rayonnements étaient fonction des divers groupes atomiques et des liaisons présents dans les molécules constituant le milieu diffusant. Cette découverte est à l'origine de la spectroscopie Raman, technique couramment utilisée pour déterminer la structure des molécules.  
1931   Le prix n'a pas été décerné.  
1932   Werner HEISENBERG (1901-1976), allemand, a formulé les postulats fondamentaux de la mécanique quantique. La théorie classique considérait que les électrons tournaient sur les orbites concentriques autour du noyau; Heisenberg a imaginé une nouvelle théorie décrivant l'atome, non plus en fonction d'orbites, mais à partir des fréquences et des intensités de la radiation qu'il émet, quantités physiques qu'il a calculés en utilisant un formalisme de matrices. Il a également formulé le "principe d'incertitude", selon lequel on ne peut pas mesurer avec exactitude à la fois la vitesse et la position d'un électron dans un atome.
L'utilisation de la mécanique quantique l'a en outre amené à la découverte des formes allotropiques de l'hydrogène - l'ortho et le para-hydrogène qui se distinguent par le sens selon lequel pivotent les deux atomes d'hydrogène autour de l'axe qui les joint dans la molécule.
 
1933   Erwin SCHRÔDINGER (1887-1961) autrichien, et Paul DIRAC (né en 1902). anglais, pour la découverte de nouvelles formes de la théorie atomique.
E. Schrödinger a développé, en même temps qu'Heisenberg et indépendamment de lui, un formalisme de la mécanique quantique. Mais, alors que le physicien allemand utilisait la notion de matrices. Schrödinger a employé celle de "fonction d'onde"qui permet de calculer la probabilité de présence d'un électron à tout instant, aux alentours du noyau.
P. Dirac a pour sa part montré que les formalismes de Heisenberg et Schrödinger étaient équivalents, et a proposé une théorie plus générale englobant les deux précédentes. Il a en outre étendu la mécanique quantique à des problèmes relativistes, ce qui lui a permis d'expliquer aisément la rotation - le "spin"- de l'électron.
 
1934   Le prix n'a pas été décerné.  
1935   James CHADWICK (1891-1974). anglais. pour sa découverte du neutron, cette particule électriquement neutre qui est l'un des constituants du noyau atomique.  
1936   Victor HESS (1882-1964), autrichien, pour sa découverte des rayons cosmiques. c'est-à-dire de l'existence, d'un flux de particules, chargées ou non, d'origine extra-terrestre, et Carl D. ANDERSON (né en 1905), américain. pour sa découverte du positon (ou électron chargé positivement)  
1937   Clinton J. DAVISSON(1881-1958), américain, et G. P. THOMSON (né en 1892), anglais. pour leur découverte expérimentale de la diffraction d'électrons par des cristaux. Cette expérience montre la validité de l'hypothèse de L. de Broglie sur la nature ondulatoire des électrons  
1938   Enrico FERMI (1901-1954), italien, pour avoir produit de nouveaux éléments par irradiations de neutrons et pour sa découverte des réactions nucléaires sous l'effet des neutrons lents. Fermi a été un "physicien universel ", mais il est surtout à l'origine de tout le développement, dans les années 1935 à 50, de la physique nucléaire dans les piles atomiques. Il a notamment formulé la première théorie de la radioactivité 3 , établi les premières propriétés des mésons "pi", construit les premières piles atomiques à Chicago, etc.  
1939   Ernest O. LAUWRENCE(1901-1958), américain, pour l'invention et le développement du cyclotron, accélérateur de particules dans lequel les ions sont accélérés par des impulsions successives grâce à un principe de résonance magnétique. A l'aide de cet appareil, il a en particulier obtenu des éléments radioactifs artificiels.  
1940-1942   Le prix n'a pas été décerné.  
1943   Otto STERN (1888-1969), américain, pour sa découverte du moment magnétique du proton, réalisée grâce à une expérience devenue célèbre. En faisant passer un faisceau de protons dans un champ magnétique inhomogène, il a montré que ce jet subissait des déflexions - matérialisées par des taches créées sur un écran interposé sur son chemin -, ce qui prouve que le proton se conduit comme un petit aimant.  
1944   Isidore I. RABI (né en 1898), américain, pour la mise au point d'une méthode de résonance magnétique dans des jets atomiques qui lui a permis d'étudier les caractéristiques magnétiques du noyau atomique. I. I. Rabi a eu une influence profonde sur le développement de la physique atomique, et il peut être considéré comme le "père spirituel"de nombreux physiciens qui ont développé la résonance magnétique, notamment Bloch et Purcell (prix Nobel 1952) et Kastler (prix Nobel 1966) (voir plus loin).  
1945   Wolfgang PAULI (1900-1958), suisse, pour sa découverte du principe d'exclusion, nommé "principe de Pauli", qui indique que, dans un atome, deux électrons ne peuvent pas avoir le même jeu de nombres quantiques. Pauli a également "inventé"le neutrino, c'est-à-dire émis l'hypothèse de l'existence de cette particule - qui expliquait des phénomènes incompris lors de la désintégration - et décrit toutes ses propriétés. Le neutrino n'a été observé que vingt ans plus tard.  
1946   Percy Williams BRIDGMAN (1882-1961),. américain, pour l'invention d'un appareil permettant l'obtention de très hautes pressions (supérieures à 100 kbars, c'est-à-dire environ à 100'000 atmosphères). A l'aide de cet appareil, il a étudié les changements de phase dans les solides; il a mis aussi en évidence expérimentalement des changements de phase électronique qui se traduisent par une nouvelle répartition des électrons sur les orbitales électroniques, de telle sorte que les atomes occupent une place réduite.  
1947   Sir Edward V APPLETON (1892-1965), anglais, pour ses travaux en physique de l'atmosphère, et spécialement pour sa découverte de la "couche d'Appleton"- couche ionisée au-dessus de l'atmosphère - qui est actuellement utilisée dans la réflexion des ondes courtes de radio.  
1948   Patrick M. S. BLACKETT (1897-1974), anglais, pour le développement de la méthode de Wilson (voir prix Nobel 1927) dans laquelle il a introduit des compteurs : la "chambre de Wilson"ne se déclenche que lorsqu'une particule a traversé un (ou plusieurs) compteur. Dans ces conditions, tous les déclenchements sont "efficaces". A l'aide de ce dispositif, Blackett a étudié les rayons cosmiques. Il a joué par ailleurs un rôle important dans le développement de la radioastronomie en Angleterre.  
    50 ans de Nobel de physique - suite…  
       
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