Lauréat du prix Nobel de physique

Pour la détection, Bothe et Geiger développent la "méthode de coïncidence", qui devient une technique largement utilisée en physique nucléaire. Elle permet de voir les détails d'une réaction ou d'une désintégration. Pour leur travail, Geiger et Bothe doivent également développer des circuits et des appareils électroniques entièrement nouveaux afin d'enregistrer électroniquement la réaction des tubes de comptage et de compter automatiquement le nombre d'événements de coïncidence pour lesquels les deux tubes de comptage réagissent simultanément, ou presque.

Leur dispositif expérimental se compose de deux compteurs à aiguilles immergés dans une atmosphère d'hydrogène, entre lesquels un faisceau de rayons X est dirigé, sans qu'ils se touchent. L'hydrogène n'absorbe que faiblement les rayons X, mais les diffuse fortement.

L'un des tubes de comptage est ouvert et donc rempli d'hydrogène. L'autre tube de comptage, recouvert d'une feuille de platine, est rempli d'air. Ce tube de comptage ne réagit pas aux électrons, car la feuille de platine absorbe les électrons de recul. Cependant, les photons traversent la feuille et libèrent ainsi des photoélectrons de l'air et de la feuille, que le tube de comptage enregistre. En revanche, le tube de comptage ouvert n'enregistre presque pas de photons, car ceux-ci sont à peine absorbés par l'hydrogène. En revanche, les électrons de recul sont mesurés.

Grâce à la méthode de la coincidence, Bothe et Geiger peuvent prouver sans aucun doute la nature quantique du photon et réfuter ainsi l'idée - encore largement acceptée à l'époque - défendue par Niels Bohr et quelques autres physiciens de renom, selon laquelle deux principes physiques importants, à savoir la conservation de l'énergie et de l'impulsion, ne sont satisfaits que statistiquement, c'est-à-dire en moyenne, mais sont violés lors du processus individuel.

Bothe résume ses travaux dans plusieurs articles de manuel et prépare ainsi les bases méthodologiques pour l'analyse des processus de diffusion. Lorsque Geiger répond à un appel à l'université de Kiel en 1925, Bothe lui succède à la tête du Lauboratorium für Radioaktivität. Lors de la répartition des domaines travaillés jusqu'alors en commun, Bothe se voit attribuer la méthode de coïncidence sur la généreuse proposition de Geiger. Les années de collaboration avec Geiger, dont il parle toujours avec beaucoup d'admiration et d'affection, marquent un tournant décisif dans la carrière scientifique de Bothe.

En 1925, Bothe obtient son habilitation auprès de Max Planck à l'université de Berlin avec la thèse "Über den Elementarprozess der photoelektrischen Elektronenauslösung". Dans les années qui suivent, Bothe développe la mesure de la coïncidence pour en faire une méthode importante dans l'étude des rayons cosmiques. Il superpose plusieurs des compteurs Geiger-Müller les plus récents et dispose entre et au-dessus des compteurs des couches absorbantes d'épaisseur variable afin de pouvoir déterminer l'absorption des rayons cosmiques dans différents matériaux en réduisant en conséquence le nombre de coïncidences. Il attend de l'étude du rayonnement d'altitude, découvert en 1912 par Victor Hess lors de voyages en ballon, des connaissances approfondies.

En collaboration avec l'astronome Werner Kolhörster, il effectue des mesures de coïncidence dans lesquelles les rayons sont guidés à travers des compteurs Geiger et la réponse des tubes de comptage n'est indiquée que si les mesures sont effectuées l'une après l'autre dans un court intervalle de temps prédéfini. Comme cela ne se produit que lorsqu'une seule et même particule passe à travers tous les tubes de comptage, seul le rayonnement provenant d'une direction donnée est enregistré. Cette nouvelle méthode de comptage aléatoire permet de suivre la trajectoire d'une particule chargée à travers les tubes de comptage. On constate alors que les particules tombent de préférence perpendiculairement à la surface de la Terre. En revanche, si l'appareil est incliné vers l'horizon, l'intensité d'incidence diminue. Comme les particules qui tombent perpendiculairement ont le chemin le plus court à travers l'atmosphère terrestre, elles sont le moins absorbées, ce qui indique clairement que le rayonnement étudié provient de l'extérieur de la Terre.

Grâce à leurs expériences, Bothe et Kolhörster apportent la preuve que les rayons cosmiques ne se composent pas en premier lieu de rayons gamma, comme on le pensait jusqu'à présent en raison de leur grande puissance de pénétration, mais de particules matérielles d'une énergie d'au moins 1.000 millions d'électronvolts.

En 1930, Bothe est nommé professeur de physique et directeur de l'Institut de physique de l'université de Giessen. Il est le premier à thématiser la mécanique quantique dans ses cours et fait de son institut un lieu de recherche important. Lorsqu'il bombarde du béryllium avec des rayons alpha, il obtient un rayonnement inhabituellement pénétrant. Il ne se rend cependant pas compte qu'il s'agit d'une nouvelle particule. Deux ans plus tard, Sir James Chadwick découvre le neutron et reçoit le prix Nobel en 1935.

Après la découverte des neutrons, la physique nucléaire expérimentale commence à se développer activement, notamment grâce à l'achèvement des premiers accélérateurs et à l'amélioration considérable des techniques de mesure et de comptage.

En 1932, Bothe est nommé à l'université de Heidelberg, mais démissionne de son poste d'enseignant et de la direction de l'institut après l'arrivée au pouvoir du régime nazi. En 1934, il prend la direction du département de physique du Kaiser-Wilhelm-Institut für medizinische Forschung, fondé en 1930 et composé de quatre instituts partiels indépendants. Celui-ci deviendra plus tard l'Institut Max-Planck de physique nucléaire. Bothe peut à nouveau se consacrer à la recherche fondamentale et travailler sur la réaction en chaîne contrôlée de fission nucléaire. Lui et ses collaborateurs comptent parmi les premiers scientifiques à étudier les réactions nucléaires, les propriétés et les structures de l'atome, à réaliser des études de spectroscopie nucléaire et à produire des isotopes artificiels.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, l'Office des armes de l'armée de terre entreprend des efforts pour construire des armes nucléaires et fait travailler les meilleurs physiciens nucléaires allemands sur le projet Uranium. L'institut de Bothe participe également à ce projet. En mesurant l'absorption des neutrons lents dans le graphite, il arrive à la conclusion que le graphite n'est pas approprié comme modérateur nucléaire. Jusqu'à la fin de la guerre, cette évaluation empêche les nationaux-socialistes de fabriquer des armes nucléaires. Ce n'est qu'en 1945 que l'on se rend compte que Bothe a déterminé une valeur erronée, car le graphite qu'il a utilisé était contaminé. Mais un scientifique aussi consciencieux et méticuleux que Bothe, qui travaille avec une grande concentration, peut-il réellement avoir commis une erreur aussi grave ? Le premier réacteur modéré au graphite est construit en 1945 par Enrico Fermi à Chicago. La fission de l'uranium produit des neutrons rapides. Le graphite les ralentit et les renvoie dans le cœur du réacteur, où ils sont alors disponibles pour d'autres fissions et maintiennent ainsi la réaction nucléaire en chaîne.

Pour ses recherches, Bothe a besoin d'un cyclotron, un accélérateur de particules dans lequel des particules élémentaires, des noyaux atomiques, des atomes ionisés ou des molécules sont accélérés à des vitesses élevées par des champs électriques. Il réussit à se procurer les moyens nécessaires à cet effet et à construire, avec son assistant Wolfgang Gentner, le premier cyclotron allemand à Heidelberg, qui sera utilisé pour la première fois à l'automne 1943. Après la Seconde Guerre mondiale, les Américains utilisent l'institut comme Aero-Medical Center et également le cyclotron. Le département de physique est en revanche fermé.

Bien qu'il ne soit pas autorisé dans un premier temps à travailler dans son domaine d'origine, la physique nucléaire, Bothe revient en 1945 à l'Institut de physique de l'université de Heidelberg en tant que directeur. Il veille à ce que Hans Jensen soit nommé à Heidelberg en 1949, remet le cyclotron en service et réalise des expériences de physique nucléaire avec ses étudiants. (10) .

La société Max-Planck est créée pour succéder à la Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft et Bothe peut poursuivre son travail à l'Institut de physique en 1952 et se consacrer à la recherche dans les domaines de la physique nucléaire et des rayons cosmiques et travailler au développement de la spectroscopie nucléaire.

Mais un rétrécissement progressif des vaisseaux sanguins, qui nécessite même l'amputation d'une jambe, l'oblige finalement à se retirer de la recherche. À partir de 1953, il ne peut plus s'occuper que de la direction de l'Institut de physique.

Dix ans après la mort de Hans Geiger, Walther Bothe reçoit en 1954 le prix Nobel de physique pour le développement de la méthode des coïncidences et les découvertes qu'il a faites avec Max Born, récompensé pour ses recherches fondamentales en mécanique quantique. Pour des raisons de santé, Bothe ne peut malheureusement pas se rendre à Stockholm. À sa demande, c'est sa fille, le Dr Elena Riedel, qui reçoit le prix.(11) La méthode des coïncidences est encore aujourd'hui l'un des principaux moyens d'étude des rayons cosmiques et de tous les types de processus nucléaires et de particules élémentaires.

Aux côtés d'autres lauréats du prix Nobel, Bothe signe le 15 juillet 1955 un appel toujours d'actualité aux hommes politiques du monde entier pour qu'ils renoncent à la violence comme moyen de politique. Le 10 février 1957, le professeur Walter Bothe (12) meurt à Heidelberg à l'âge de 66 ans des suites d'une longue maladie et trouve sa dernière demeure au cimetière de Handschuhsheim.

Les rayons gamma ne sont pas produits par des changements d'énergie des électrons dans l'enveloppe électronique, mais par des changements d'énergie des noyaux atomiques. Ici aussi, comme pour la lumière visible, il y a des processus d'absorption et d'émission. Toutefois, les rapports sont ici nettement plus compliqués.

La longueur d'onde exacte du rayonnement émis ou absorbé dépend de l'état de mouvement de l'émetteur ou de l'absorbeur. L'effet Doppler, décrit pour la première fois en 1842 par le physicien autrichien Christian Doppler, est tout à fait similaire. Ce phénomène nous est familier dans la vie de tous les jours, car il se traduit par un changement soudain de la hauteur du son de l'aigu vers le grave lorsqu'une source sonore s'approche puis s'éloigne. Un exemple typique est le changement de hauteur de la sirène d'un camion de pompiers qui passe.

Un exemple tiré de l'astronomie est le décalage vers le rouge de la lumière d'une galaxie qui s'éloigne. On peut ainsi déterminer, pour une fréquence connue de la source, sa vitesse par rapport à l'observateur.

Dans le cas des rayons gamma émis par les noyaux atomiques, on a toutefois observé que le rayonnement émis n'était pas facilement absorbé par des noyaux de même type. Apparemment, l'énergie contenue dans le quantum gamma émis ne correspondait pas à l'énergie d'excitation nécessaire de l'absorbeur.

Mößbauer utilise l'effet Doppler pour son expérience. Il fait donc en sorte que la source des rayons gamma se rapproche et s'éloigne de l'échantillon à des vitesses différentes. De cette manière, il peut déterminer avec précision à quelle vitesse une absorption se produit à nouveau et convertir cette vitesse en énergie.

En 1957, lors de ses expériences avec les rayons gamma dans l'iridium-191, un isotope (le mot grec "isotope" désigne différents types d'atomes du même élément chimique) de l'élément iridium, il observe des écarts minimes par rapport au résultat de mesure normalement attendu. En cherchant la raison de cet effet peu clair et, dans un premier temps, apparemment négligeable, il découvre le phénomène selon lequel le rayonnement γ émis par un noyau atomique peut être absorbé par des noyaux du même isotope dans un autre échantillon sans perte d'énergie.

Mössbauer trouve la solution de l'énigme. Si des noyaux atomiques libres émettent des rayons gamma, la loi physique de la conservation de l'impulsion exige que la particule émise -donc le quantum gamma- ne reçoive pas toute son énergie, mais qu'une partie de cette énergie soit consommée lors du recul du noyau émetteur. La longueur d'onde du rayonnement gamma change alors avec l'intensité du recul et il se produit un décalage entre les raies d'absorption et d'émission.

Dans les premières années d'après-guerre, il est difficile pour les scientifiques allemands d'accéder à des revues scientifiques internationales. Jensen est donc heureux de pouvoir se rendre à nouveau à Copenhague en 1948 et de lire dans un numéro de la "Physical Review", dans un article de Maria Goeppert-Mayer (1906-1972), professeur de physique à l'université de Chicago, qu'elle aussi a trouvé des preuves expérimentales des "magic numbers" et qu'elle travaille comme lui à une explication.

Jensen prend contact avec elle et un échange scientifique intense se développe entre eux, qui les amène finalement à développer ensemble les modèles qu'ils avaient jusqu'alors établis indépendamment l'un de l'autre pour aboutir à ce que l'on appelle le "modèle en coquille" du noyau atomique.

Le physicien nucléaire danois Niels Bohr a une grande influence sur leurs tentatives de compréhension des noyaux. Mais alors que le modèle de la gouttelette développé par Niels Bohr en 1936 compare le noyau atomique à une goutte d'eau qui se comporte selon les règles de la mécanique, le modèle de la coquille qui en découle considère les nucléons individuels et leur mouvement selon les lois de la mécanique quantique (le "principe de Pauli", du nom du physicien Wolfgang Pauli).

Pour le développement du modèle de la coquille, Jensen se voit attribuer en 1963, à parts égales avec Maria Goeppert-Mayer, la moitié du prix Nobel de physique (24), l'autre moitié étant attribuée à Eugene Wigner pour la découverte de la structure nucléaire en coquille du noyau atomique (25), qui a montré que la plupart des propriétés essentielles des noyaux découlent de symétries généralement valables des lois du mouvement.

Malgré de nombreux appels honorables en Allemagne et à l'étranger, le professeur Hans Jensen (26) reste fidèle à l'université de Heidelberg et permet à Heidelberg de jouer un rôle de premier plan dans le domaine de la physique nucléaire. Il prend sa retraite en 1969 et meurt de manière inattendue le 11 février 1973, à l'âge de 65 ans, dans son Institut de physique théorique de Heidelberg, qui se trouve encore aujourd'hui au 16 Philosophenweg. En 2007, il reçoit le nom de "Jensen-Haus" et une plaque commémorative rappelle l'éminent chercheur. (27)