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Radiopionnier : Henri Becquerel, savant conformiste

Dossier - Radioactivité : les pionniers
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Ce deuxième dossier traite des pionniers, d'abord les découvreurs de la radioactivité, Becquerel et les Curie, puis de l'immense engouement qu'elle a connu pendant près d'un demi-siècle avant que les dangers qu'elle comporte ne deviennent de plus en plus inquiétants, et enfin des pionniers de la radiothérapie qui ont peu à peu fait de la radioactivité une arme de plus en plus efficace contre certains cancers.

  
DossiersRadioactivité : les pionniers
 

Becquerel était en effet le spécialiste français de la fluorescence et de la phosphorescence, et il avait de qui tenir : son grand-père Antoine-César Becquerel et son père Alexandre-Edmond l'avaient précédé à la chaire de physique du Muséum d'Histoire Naturelle, et ils avaient été avant lui membres de l'Académie des Sciences. Antoine-César était l'auteur de découvertes importantes en électromagnétisme et en électrochimie, Alexandre-Edmond avait été un pionnier des recherches sur la fluorescence et la phosphorescence.

Il avait en particulier classé les matériaux phosphorescents, les plus actifs étant certains sulfates d'uranium, vingt fois plus phosphorescents que le sulfate de calcium placé en seconde position sur sa liste. Henri avait pris part très jeune à ces travaux et il les poursuivit grâce à la remarquable collection de minéraux dont il héritait, dont plusieurs sels d'uranium. Sans connaître l'origine de ces phénomènes, ils avaient compris qu'un corps fluorescent absorbait de la lumière à une certaine longueur d'onde et la réémettait immédiatement à une autre longueur d'onde, et que la phosphorescence était un phénomène analogue, à cette différence près qu'un corps phosphorescent continuait à émettre de la lumière quelque temps après la fin de l'éclairement.

Becquerel demeure le mal aimé de la saga de la radioactivité : c'était un héritier, il avait le profil banal d'un savant de son époque, et les journalistes ne trouvaient pas grand-chose de passionnant à en dire. Il faut bien admettre qu'il a beaucoup moins de relief que les Curie. Par la suite, c'est tout juste si on ne jugea pas immérité son prix Nobel, comme s'il avait trouvé par hasard quelque chose d'extraordinaire sans même s'en rendre compte, et sans en tirer aucun parti. En fait Becquerel était un remarquable physicien, et sa démarche fut très logique devant un phénomène inattendu qu'il a exploré avec beaucoup de soin. Mais il fut limité par ses instruments et par le contexte de ses travaux.

Henri Becquerel (1852-1908)

Reprenant la suggestion de Poincaré, Becquerel choisit très logiquement dans sa collection un sel d'uranium particulièrement phosphorescent, l'exposa au soleil pour exciter cette phosphorescence, l'enveloppa d'un épais papier noir pour absorber la lumière visible et le plaça sur une plaque photographique.

Becquerel observa en la développant que la plaque avait bien été impressionnée à travers le papier. Elle montrait même l'ombre d'une croix en cuivre placée entre le sel d'uranium et la plaque. L'idée de Poincaré semblait donc confirmée et Becquerel rapporta ces résultats le 24 février 1896 à l'Académie des Sciences sous le titre Sur les radiations émises par phosphorescence. Il demeura cependant très prudent et ne souffla pas un mot des rayons X. Il n'était d'ailleurs pas le seul à avoir suivi la suggestion de Poincaré, Niewenglowki et Troost avait rapporté des observations apparemment positives avec le sulfure de calcium et le sulfure de zinc, mais la situation était quelque peu confuse. Becquerel voulut répéter ses expériences, mais le temps gris de février l'empêcha d'exposer au soleil sa préparation qui resta plusieurs jours dans un tiroir. Il développa cependant la plaque le 1er mars, et constata qu'elle était bien plus noircie que la première fois, et que la silhouette de la croix était bien nette.

Les rayonnements de l’uranium dessinent l’ombre d’une croix de cuivre

L'exposition au soleil ne semblait donc pas nécessaire, et il communiqua cette découverte dès le lendemain dans une note à l'Académie des Sciences Sur les radiations invisibles émises par les corps phosphorescents :

La découverte de la radioactivité (Comptes-rendus à l’Académie des Sciences, 2 mars 1896)

À ce moment, il pensait encore à une sorte de phosphorescence de très longue durée, dont « la durée de persistance [serait] infiniment plus grande que la durée de persistance des radiations lumineuses émises par ces corps». Mais au fil des mois, constatant la persistance de l'émission de l'uranium, il abandonna cette idée et finit par admettre que l'uranium émettait spontanément des rayonnements pénétrants, indépendamment d'un éclairement préalable.

Pourquoi Becquerel a-t-il développé sa plaque le 1er mars, alors qu'il s'attendait à ne rien observer ? Probablement pour vérifier que la phosphorescence (à la suite d'une exposition au soleil) était bien nécessaire. C'était une expérience de contrôle qu'il aurait certainement faite plus tard si le soleil s'était montré en février, mais que le hasard de la météo l'a incité à faire plus tôt. Becquerel était un grand physicien et un esprit méthodique, il devait contrôler tous les éléments de son expérience, de la durée d'exposition au soleil à la nature des sels phosphorescents. Il n'était pas le premier à observer que les sels d'uranium noircissaient une plaque photographique, Niepce de Saint-Victor l'avait signalé en 1858, et à Londres Sylvanus Thompson le mentionna quelques jours après Becquerel. Par contre, Becquerel en fit une étude systématique.

Il commença par remplacer la plaque photographique, lente à impressionner, par un électroscope : il montra que les rayons émis rendaient l'air conducteur (ionisé) et déchargeaient un électroscope à feuilles d'or. Cette décharge était plus rapide à déceler que le noircissement de la plaque, et elle permettait aussi une première mesure quantitative du phénomène, en mesurant la variation de l'écartement des feuilles au cours du temps. En cela, Becquerel s'inspirait des recherches alors menées sur les rayons X (par Thomson, Rutherford et Perrin, en particulier). Il put ainsi comparer rapidement l'activité de divers corps et il observa ainsi que les corps phosphorescents autres que l'uranium n'émettaient pas de rayons pénétrants (ce point était alors très controversé), puis il découvrit que tous les composés de l'uranium en émettaient, même s'ils n'étaient pas du tout phosphorescents. Il en déduisit que le rayonnement venait de l'atome d'uranium lui-même, indépendamment des arrangements chimiques des molécules. Obtenant du chimiste Henri Moissan un échantillon d'uranium métallique, il constata que celui-ci était effectivement plus actif que ses sels : autrement dit, l'activité était directement liée à la quantité d'uranium présente. Il appela donc ces rayons des « rayons uraniques », les autres physiciens parlant de « rayons de Becquerel ». En cette année 1896, l'uranium n'était guère connu que pour être le plus lourd des éléments naturels dans le tableau de Mendéléiev (Z=92, A=238) et la seule utilité qu'on lui connaissait était de colorer le cristal de Bohême. La seule mine connue s'y trouvait d'ailleurs, à Joachimstahl (aujourd'hui Jachymov).

Mais au fait, qu'avait au juste détecté Becquerel ? L'uranium naturel (U238) se désintègre en thorium 234 en émettant une particule alpha. Mais cet alpha est facilement absorbé, en particulier par la feuille de papier noir, ce n'est donc pas lui qui impressionne la plaque photographique. Par contre le thorium 234 se désintègre en protactinium 234 (avec une période de 24 jours) en émettant une particule bêta (un électron). Ce protactinium se désintègre à son tour en uranium 234 en émettant une autre particule bêta, avec une période de 6h. Ce sont ces électrons qui traversent le papier (et la croix de cuivre) pour impressionner la plaque photographique. L'uranium 234 donne ensuite du thorium 230, puis du radium 226 (le radium des Curie), du radon 222, du polonium 218, etc. jusqu'au polonium 210 (le polonium des Curie), la chaîne se terminant au plomb 206, qui est stable.

Cliquer sur l'image pour l'agrandir - La famille de transmutations qui passe par le radium 226 et le radon 222

Les rayons de Becquerel suscitèrent moins d'enthousiasme que les rayons X. À Saint-Pétersbourg, I.I. Borgman s'y intéressa brièvement (un article en avril 1897), ainsi que Villari en Italie (un article en juillet 1897). À Londres, Lord Kelvin et ses collaborateurs J.C. Beattie et S. Smoluchowski étudièrent en 1896-1897 le rayonnement de l'uranium métallique (fourni aussi par Moissan) en utilisant un électromètre, beaucoup plus précis que l'électroscope, et ils mesurèrent la décharge des corps électrisés sous l'effet des rayons de Becquerel. Ils publièrent ainsi plusieurs articles « sur l'électrification de l'air par l'uranium. » Comme Becquerel, Kelvin et les autres s'intéressaient plus à la nature de ces nouveaux rayons qu'à leur origine. Becquerel écrivit plus tard : « Comme les nouveaux rayons ont été découverts avec l'uranium, il paraissait a priori improbable que l'activité d'autres corps connus pût être considérablement plus grande, et la recherche sur la généralité du nouveau phénomène paraissait alors moins urgente que l'étude physique de sa nature. »

Électromètre de Kelvin, perfectionné par Pierre Curie

Mais les rayons de Becquerel semblaient beaucoup moins intéressants que les rayons X : ils n'avaient rien de très spectaculaire, et ce n'est que la découverte de la radioactivité du thorium, puis celle du polonium et du radium et tout ce qui en découla qui, rétrospectivement, leur accorda une importance majeure. Des rayonnements de toute nature étaient alors découverts les uns après les autres, rayons cathodiques, rayons canaux, rayons infrarouges et ultraviolets, rayons X, rayons uraniques, ondes hertziennes, etc. sans oublier tous les phénomènes de luminescence (et même des rayons inexistants comme les « rayons N »). Et l'idée que le monde est traversé d'une foule de rayonnements ou d'énergies invisibles explique la grande vogue du spiritisme à cette époque (Conan Doyle, Crookes, les Curie s'y intéressèrent beaucoup). L'intérêt pour les rayons de Becquerel déclina vite : si Becquerel lui-même publia huit articles sur les rayons uraniques en 1896, il n'en publia plus qu'un en avril 1897 avant d'abandonner le sujet et de revenir à ses recherches antérieures, considérant la question close.