Radioexcitation

La découverte du radium eut un retentissement aussi grand que celle des rayons X deux ans plus tôt. La personnalité des découvreurs y était pour beaucoup, mais aussi la radioactivité considérable du radium. La découverte du radium ressuscita l'intérêt pour les rayons de l'uranium et du thorium. Ernest RutherfordErnest Rutherford à Cambridge, puis à Montréal, André Debierne et Paul Villard à Paris, Friedrich Oskar Giesel, Stefan Meyer et Egon von Schweidler à Vienne, Julius Elster et Hans Friedrich Geitel à Heidelberg, Friedrich Ernest Dorn à Halle, William Ramsay à Londres, tous se passionnèrent pour la radioactivité.

Même BecquerelBecquerel s'y remit ! Le prix Nobel de physiquephysique le récompensa en 1903 pour sa découverte de la radioactivité, ainsi que Pierre et Marie CurieMarie Curie pour leurs contributions à l'étude de cette radioactivité. Pierre dut beaucoup insister pour que Marie partage le prix avec lui, et le prix ne mentionnait pas le poloniumpolonium, ni le radium, dont l'existence était alors contestée par les chimistes (ce n'est qu'après avoir isolé du radium sous forme métallique que Marie Curie reçut le prix Nobel de chimiechimie en 1911).

Caricature parue en 1904 dans Vanity Fair ©ACJC

Rutherford montra dès janvier 1899 que le rayonnement de l'uranium était de deux types, qu'il baptisa alpha et bêtabêta : les rayons alpha ionisaient fortement l'airair mais étaient peu pénétrants, les rayons bêta ionisaient moins mais pénétraient plus les obstacles. Les Curie retrouvèrent cette même distinction pour le rayonnement du radium en novembre 1899. Dans leur laboratoire, toujours en 1899, Debierne découvrit dans la pechblende un nouveau corps radioactif, l'actiniumactinium. La même année, Becquerel identifia les rayons bêta aux rayons cathodiques (les électronsélectrons) et, en même temps que Giesel, il montra qu'ils étaient déviés par un champ magnétiquechamp magnétique. En avril 1900, Villard observa un troisième type de rayonnement, bien plus pénétrant que les deux autres et non dévié par un champ magnétique, les rayons gammarayons gamma. Max von Laue montra en 1912 qu'il s'agissait d'un rayonnement électromagnétique, comme la lumièrelumière ou les rayons X, mais de plus courte longueur d'ondelongueur d'onde. Les rayons alpha semblaient plus intéressants pour la physique du fait de leur forte interaction avec la matièrematière, mais les bêtas et les gammas parurent avoir plus d'avenir en médecine et en biologie.

En effet, en octobre 1900, Giesel plaça pendant quelques heures du radium sur son bras et nota l'évolution de la profonde brûlure que cela entraîna, observation confirmée peu après par Otto Walkoff. Elster et Geitel (inventeurs de la cellule photoélectriquephotoélectrique) étudiaient l'ionisationionisation de l'atmosphèreatmosphère et ils se rendirent compte en 1901 que l'air comme le sol étaient légèrement radioactifs. J.J. Thomson annonça en 1903 que l'eau, elle aussi, était radioactive (elle contient en effet du radonradon dissous) et cela suscita beaucoup d'intérêt pour le thermalisme dont on pensa comprendre l'origine des bienfaits. En 1903 toujours, Elster et Geitel découvrirent (en même temps que William CrookesWilliam Crookes) que le sulfuresulfure de zinczinc scintillait en recevant un rayon alpha. Cela permettait de compter les transmutationstransmutations une par une : si leur rythme moyen était constant, leur survenue se révéla aléatoire, ce qui troubla beaucoup les physiciensphysiciens.

La concurrence devenait très intense, mais les Curie gardaient une longueur d'avance. Les sources radioactives qu'ils préparaient étaient dix à vingt fois plus pures et donc plus intenses que celles de leurs rivaux, ce qui rendait beaucoup plus nets les phénomènes observés. Mais il fallait des tonnes de mineraiminerai d'uranium pour en extraire des milligrammes de radium. Ce minerai était coûteux, mais Pierre obtint à bas prix des résidus de pechblende, du minerai dont l'uranium avait déjà été extrait et qui n'avait (au début) aucune valeur marchande. Cent kilos arrivèrent à Paris début 1899, et Pierre CuriePierre Curie engagea André Debierne pour l'assister. Il passa également un contrat avec la Société Centrale de Produits Chimiques (société qui commercialisait déjà les instruments qu'il avait inventés). Cette société prenait en charge les premières étapes de la séparationséparation chimique des sels radioactifs, en conservait une partie qu'elle commercialisait (les prix montaient en flèche devant une demande sans cesse accrue) et donnait le reste au laboratoire Curie qui effectuait les dernières étapes de séparation. Ce travail final demeurait cependant très lourd (Marie Curie racontera volontiers plus tard les conditions pénibles dans lesquelles elle dut travailler). Une tonne de résidus fut traitée au cours de l'été 1899, deux tonnes supplémentaires fin 1899, six en 1900, cinq en 1902. Mais en 1903, le gouvernement autrichien décréta un embargo sur les exportations de résidus de pechblende. Les Curie furent cependant épargnés par cet embargo (à la grande fureur de leurs collègues, britanniques et allemands en particulier) et ils reçurent dix tonnes de minerai en 1904. Avec les 100 mg de chlorure de radium dont elle disposait alors, Marie Curie donna en 1902 une première estimation de la massemasse atomique du radium : 225±1 . La valeur actuelle est 226. Tous ces résultats lui permirent de soutenir brillamment sa thèse de doctorat en juin 1903, quelques mois avant de partager le prix Nobel de physique avec son mari, et Becquerel.

La thèse de doctorat de Marie Curie

Assez rapidement, les Curie se plaignirent que les mesures devenaient difficiles dans leur laboratoire car l'air y était ionisé presque en permanence. Cela faussait les délicates mesures, la radioactivité serait-elle contagieuse ? Les Curie pensèrent que des poussières riches en radium causaient ces troubles, mais cette radioactivité « induite » diminuait rapidement avec le temps, ce qui n'était pas le cas des sels de radium. Dorn découvrit que du radium émanait un gazgaz, que l'on baptisa faute de mieux « émanation du radium ». Il ne reçut son nom actuel de radon 222 qu'en 1923. Cette émanation laissait à son tour un dépôt radioactif sur les instruments. À Montréal, Rutherford découvrait, lui, une « émanation du thorium », appelé ensuite thoron et aujourd'hui radon 220. Cela le conduisit à découvrir la transmutation nucléaire, et à comprendre peu à peu pourquoi le radium et le polonium étaient toujours mêlés à l'uranium et au thorium, la raison de leurs proportions relatives, et de leurs différences de radioactivité.

Mais ce qui surprenait le plus les physiciens, c'était la propriété des corps radioactifs de libérer en permanence de l'énergieénergie de façon apparemment inépuisable. Non seulement cela allait à l'encontre de la loi bien vérifiée de la conservation de l'énergie, mais il s'agissait en plus d'une énergie considérable.

Le radium rayonne de la lumière en permanence (ou pour être exact il excite les moléculesmolécules d'air qui rayonnent de la lumière) ainsi qu'une chaleurchaleur suffisante pour chauffer de l'eau : Pierre Curie et Albert Laborde mesurèrent en 1903 un dégagement constant de chaleur de l'ordre de 100 caloriescalories par gramme et par heure. Quelle pouvait être la source de cette énergie inépuisable ? En 1900, Marie Curie pensait que « le rayonnement est une émissionémission de la matière accompagnée de la perte de poids des substances radioactives ». Prémonitoire ? Oui, mais il n'y avait pas d'indication expérimentale allant en ce sens, la perte de masse supposée n'était pas mesurable, et aucun changement de nature de l'uranium, du thorium ou du radium ne se manifestait jusque-là dans les expériences. En 1902, Pierre et Marie Curie revinrent donc à l'idée « que le radium utilise une énergie extérieure de nature inconnue », fonctionnant comme une antenne qui capterait continuellement une énergie diffuse baignant tout l'espace. Ils s'intéressaient beaucoup au spiritisme à ce moment-là, participant à des expériences avec des médiums comme Eusapia Palladino. Rutherford penchait, lui, pour une transformation interne de l'atomeatome, conforté en ce sens par les expériences qu'il menait alors avec Frederick Soddy et qui les conduisirent à la transmutation des atomes et à l'alchimie nucléaire.

En 1905, EinsteinEinstein publia E = mc2, donnant une explication à l'énergie considérable libérée par les corps radioactifs au prix d'une diminution infinitésimale de leur masse.

Quelle que fût l'origine de l'énergie du radium, Pierre Curie en entrevit immédiatement toutes les conséquences et il termina en 1905 sa conférence Nobel par : « On peut concevoir encore que dans des mains criminelles le radium puisse devenir très dangereux, et ici on peut se demander si l'humanité a avantage à connaître les secrets de la nature, si elle est mûre pour en profiter ou si cette connaissance ne lui sera pas nuisible. L'exemple des découvertes de Nobel est caractéristique ; les explosifs puissants ont permis aux hommes de faire des travaux admirables. Ils sont aussi un moyen terrible de destruction entre les mains des grands criminels qui entraînent les peuples vers la guerre. Je suis de ceux qui pensent avec Nobel que l'humanité tirera plus de bien que de mal des découvertes nouvelles. » En s'inspirant du livre de vulgarisation sur le radium écrit en 1909 par Frederick Soddy, le romancier Herbert-George Wells décrivit dans The World Set Free (publié début 1914) le développement de l'énergie nucléaire, et une guerre dans laquelle des bombes nucléaires seraient larguées d'avion. Il imagina au passage que la possibilité de rendre des corps artificiellement radioactifs serait mise au point en 1933 (ce n'est qu'en 1934 que les Joliot-Curie découvrirent la radioactivité artificielle !).

Le roman de H.G. Wells qui anticipe l’énergie nucléaire

La mort accidentelle de Pierre Curie en 1906 entraîna l'arrêt de nombreux travaux du laboratoire Curie consacrés à la physique de la radioactivité, et le laboratoire s'orienta plutôt vers la chimie des substances radioactives, la métrologie et les applicationsapplications thérapeutiques (par un rapprochement avec l'Institut Pasteur où Jean Danysz étudiait les effets du radium sur divers organismes vivants, les bactériesbactéries en particulier).

Ernest Rutherford (1871-1937)

Cela laissa le champ libre à Rutherford et ses collaborateurs pour résoudre la question de l'origine de la radioactivité, de son énergie, et de la structure de l'atome. Les « années Rutherford » changèrent directement et indirectement la face du monde, et nous y reviendrons dans un prochain dossier.