En ce début d'année 1896, les rayons X sont au centre des débats des sociétés savantes de toute l'Europe. En France, l'Académie des Sciences s'intéresse de plus près aux corps "phosphorescents", c'est-à-dire ayant la propriété, qui est celle du phosphore blanc, d'émettre de la lumière après y avoir eux-mêmes été exposés.
Il a déjà été remarqué que certains corps phosphorescents émettaient une lumière capable d'impressionner une plaque photographique à travers son enveloppe de papier. La phosphorescence serait-elle liée à une émission des mêmes rayons X que ceux découverts par Röntgen ? Telle est la question que se posent plusieurs académiciens. Parmi eux Henri Becquerel.
Henri Becquerel : la découverte.
Henri Becquerel (1852-1908) est issu d'une lignée de physiciens. Son grand-père, Antoine Becquerel, est considéré comme le découvreur, en 1839, de l'effet photovoltaïque dont le principe est utilisé dans les capteurs solaires qui devraient produire une part de plus en plus importante de l'énergie électrique "renouvelable" de notre futur. Son père, Alexandre Edmond, s'est attaché à l'étude du magnétisme et de la phosphorescence. Tous deux académiciens, ils occupèrent le poste de professeur au muséum national d'histoire naturelle. Henry Becquerel prendra leur succession dans ces postes et fonctions.
Ancien élève de l'Ecole Polytechnique, il y est professeur lui-même depuis 1895. Dans cette période de son activité de recherche, il s'intéresse à la phosphorescence, reprenant ainsi l'un des sujets d'étude de son père, et en particulier à celle des sels d'uranium.
L'Uranium a été découvert dans la pechblende en 1789 par le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth et isolé en 1841 par Eugène Peligot. Difficile à obtenir en tant que métal il est essentiellement utilisé pour les propriétés colorantes de ses sels, en particulier pour colorer le verre. Il est aussi remarquable pour la phosphorescence de certains de ses composés.
Lors de la séance de l'Académie des Sciences du 2 mars 1896, qui suit de très près l'annonce de la découverte des rayons de Röntgen, plusieurs intervenants font état de rayons pénétrants émis par certains verres fluorescents.
Henri Becquerel qui utilise un sel phosphorescent de sulfate double d'uranium et de potasse affirme avoir observé des radiations qui, non seulement sont susceptibles de traverser certains métaux, tels que l'aluminium et le cuivre, mais sont encore actives 150 heures après que le sel ait été exposé à la lumière.
Il imagine que le sel d'uranium agit comme condensateur d'un rayonnement présent dans la lumière incidente et qui serait ensuite lentement restitué. En cette fin de 19ème siècle le principe de la conservation de l'énergie est solidement établi. L'énergie radiante qui provient des sels d'uranium doit nécessairement provenir d'une source externe.
Lors de la séance du 9 mars Becquerel démontre que ces radiations déchargent les corps électrisés et aussi qu'elles peuvent être réfléchies. A la séance du 23 mars il rend compte de l'efficacité du nitrate d'urane, autre sel d'uranium, comme "condensateur de lumière".
A la séance du 30 mars 1896 il fait connaître les différences qu'il a observées entre les "radiations de phosphorescence" et les radiations Röntgen. Pour évaluer leurs activités respectives il utilise un électromètre et des plaques photographiques. Il constate que les "radiations phosphorescentes" traversent aisément le cuivre et le platine qui arrêtent les rayons X. De même le quartz totalement opaque aux rayons X se laisse facilement traverser par les radiations issues des sels d'uranium. Pour résumer : les radiations issues des sels d'uranium sont bien plus pénétrantes que les rayons X !
Séance du 18 mai : Becquerel annonce que tous les sels d'uranium, et le métal pur lui-même, ont la propriété de rayonner qu'ils soient phosphorescents ou non.
Autre annonce spectaculaire : des sels d'uranium contenus dans des enveloppes de plomb épaisses de plusieurs millimètres, hermétiquement closes et enfermées depuis plus de trois mois dans des boîtes de carton noir placées elles mêmes dans une chambre noire, agissent sur des plaques photographiques disposées sur les enveloppes de plomb. Ni la fluorescence, ni l'exposition à la lumière ne sont donc nécessaires pour observer le rayonnement de l'uranium et de ses sels.
Séance du 23 novembre 1896. Becquerel n'a pas fait d'autre communication depuis la réunion du 18 mai. Il s'est occupé à vérifier ses premières observations. La relation qu'en donne la revue La Nature témoigne de la rigueur de sa démarche :
"M. Becquerel confirme aujourd'hui ses premières expériences en faisant connaître les résultats fournis par des sels d'urane enfermés depuis le mois de mars dans une double enveloppe de plomb, placée elle-même dans la chambre noire. La boîte intérieure est divisée en deux compartiments par un papier noir tendu parallèlement au fond de la boîte. Une disposition convenable permet de glisser, au-dessous de cette feuille de papier, un châssis muni d'une plaque photographique. Enfin les substances étaient posées sur une plaque de verre, au-dessus du papier noir ; elles étaient de plus enfermées dans des petits tubes, en forme de cloche, scellés à la paraffine sur la lame de verre, de façon à éviter l'action possible des vapeurs. Il a développé la plaque le 7 novembre, après huit mois. L'épreuve montre très nettement l'effet des radiations".
Ce luxe de précautions contraste avec la légende, si souvent répétée, d'un Becquerel découvrant la radioactivité par hasard en développant une plaque photographique oubliée dans un tiroir à proximité d'un minerai d'uranium.
Cette année 1896 mérite d'être marquée d'une pierre blanche. Les rayons X sont à peine découverts qu'un nouveau rayonnement, celui de l'uranium, révèle à la fois son existence et son originalité.
Le phénomène attend, à présent, d'être expliqué.
Marie Curie : premières hypothèses.
Marie Sklodowska, jeune polonaise récemment mariée à Pierre Curie, a choisi de prendre, pour sujet de thèse, la découverte de Becquerel. Elle dispose pour cela d'un précieux instrument : l'électromètre à quartz piézoélectrique mis au point par Pierre Curie.
La piézo-électricité a été découverte en 1880 par Pierre Curie et son frère Jacques qui constataient que certains cristaux produisaient un courant électrique lorsqu'ils étaient soumis à une action mécanique, pression ou étirement. Le quartz, qui est aujourd'hui l'élément essentiel des montres et horloges électroniques, en était le meilleur exemple.
Nous ne décrirons pas le fonctionnement de l'électromètre à quartz ( Voir à ce sujet : L'expérience de Marie Curie reconstituée à Rennes.). Disons simplement qu'il permet de mesurer, avec une extrême précision, les effets électriques du rayonnement, déjà décrits par Becquerel. Sa possession était un élément essentiel pour qui s'attaquait à l'étude du nouveau rayonnement.
A partir d'avril 1898 Marie Curie fait connaître ses premiers résultats. Une note sur les "Rayons émis par les composés de l'uranium et du Thorium" est présentée par Lippmann à la séance du 12 avril 1898 de l'Académie des sciences.
" J'ai étudié, écrit-elle, la conductibilité de l'air sous l'influence des rayons de l'uranium, découverts par M. Becquerel, et j'ai cherché si des corps autres que les composés de l'uranium étaient susceptibles de rendre l'air conducteur de l'électricité." Recherche logique, de même que "l'électricité" a pris son essor quand Gilbert a pu montrer qu'elle n'était pas uniquement la propriété de l'ambre, il importait de savoir, avant toute étude complémentaire, si la "radioactivité" (l'expression est de Marie Curie) ne se limitait pas à l'uranium.
Dans le laboratoire de l'Ecole municipale de Physique et de Chimie de Paris où elle mène ses recherches, elle avait pu rassembler une collection de sels et d'oxydes prêtés par différents laboratoires de recherche parisiens. Ses mesures confirment d'abord la propriété de l'uranium : "Tous les composés de l'uranium étudiés sont actifs et le sont, en général, d'autant plus qu'ils contiennent plus d'uranium".
Elles montrent surtout que l'uranium n'est pas un cas isolé : "Les composés du Thorium sont très actifs. L'oxyde de Thorium dépasse même en activité l'uranium métallique". Et même : " les rayons émis par le thorium sont plus pénétrants que ceux émis par l'uranium". Il existe donc dans la nature une nouvelle classe de corps, les corps "radioactifs", qui méritent d'être recherchés et étudiés.
Une observation annonce d'ailleurs de nouvelles découvertes : "Deux minéraux d'uranium : la pechblende (oxyde d'urane) et la chalcolite (phosphate de cuivre et d'uranyle) sont beaucoup plus actifs que l'uranium lui-même. Ce fait est très remarquable et porte à croire que ces minéraux peuvent contenir un élément beaucoup plus actif que l'uranium."
Sans attendre les résultats de cette recherche, Marie Curie émet aussi une première hypothèse concernant le mécanisme de la radioactivité qui s'inspire encore de la phosphorescence : "on pourrait imaginer que tout l'espace est constamment traversé par des rayons analogues aux rayons de Röntgen mais beaucoup plus pénétrants et ne pouvant être absorbés que par certains éléments à gros poids atomique, tels que l'uranium et le thorium." Franchir le pas et imaginer un rayonnement tout simplement issu du minéral est encore trop difficile.
Le Polonium.
Le 18 juillet 1898 une nouvelle communication "Sur une substance nouvelle radio-active", contenue dans la pechblende" signée de Pierre et de Marie Curie est lue par Becquerel à la séance de l'Académie des Sciences. Pour la première fois l'expression "substance radio-active" apparaît dans le langage scientifique. Le concept de "radioactivité" est né.
Si les auteurs n'hésitent pas à baptiser ainsi une propriété qui ouvrira une nouvelle branche de la physique c'est que leurs récentes études les ont mis en face d'une réalité nouvelle.
Ils rappellent d'abord l'observation de Marie Curie sur l'activité des certains minerais d'Uranium plus élevée que celle du métal lui-même et sur l'hypothèse d'y trouver un nouveau corps. : "Nous avons cherché à isoler cette substance dans la pechblende, et l'expérience est venue confirmer les prévisions qui précèdent" annoncent-ils.
Leur méthode consiste à faire subir au minerai une laborieuse série de réactions classiques de purification. La liste détaillée de ces opérations prouve, à la fois, l'obstination et la compétence des deux auteurs et de leur équipe. La série de manipulations aboutit à un mélange ne contenant plus que du Bismuth associé à un nouveau corps radioactif dont les propriétés chimiques, voisines de celles du Bismuth, ne permettent plus l'extraction par les procédés chimiques classiques.
Par un procédé physique pratiqué sur les sulfures du mélange, ils obtiennent finalement la séparation des deux corps : " On chauffe les sulfures dans le vide dans un tube de verre de Bohême vers 700°. Le sulfure actif se dépose sous forme d'enduit noir dans les régions du tube qui sont à 200°-300°, tandis que le sulfure de bismuth reste dans les parties chaudes." Dès ces premières manipulations les procédés d'enrichissement en matières radioactives sous forme chimique ou sous forme physique annoncent les méthodes qui seront développées à l'avenir.
Le résultat est probant : "En effectuant ces diverses opérations, on obtient des produits de plus en plus actifs. Finalement nous avons obtenu une substance dont l'activité est environ 400 fois plus grande que celle de l'uranium.
Nous avons recherché, parmi les corps actuellement connus, s'il en est d'actifs. Nous avons examiné des composés de presque tous les corps simples ; grâce à la grande obligeance de plusieurs chimistes, nous avons eu des échantillons des substances les plus rares. L'uranium et le thorium sont seuls, franchement actifs, le tantale l'est peut-être très faiblement.
Nous croyons donc que la substance que nous avons retirée de la pechblende contient un métal non encore signalé, voisin du Bismuth par ses propriétés analytiques. Si l'existence de ce nouveau métal se confirme, nous proposons de l'appeler polonium, du nom du pays d'origine de l'un de nous."
A n'en pas douter, les auteurs ont déjà l'assurance qu'un nouveau corps, fortement radioactif, viendra s'inscrire dans le tableau des éléments, proposé par le Russe Mendeleïev trente ans plus tôt. La découverte de la pile électrique par Volta puis de l'électrolyse par Nicholson, Carlisle et Davy avaient permis la découverte d'une importante quantité de nouveaux corps. Celle de la radioactivité annonce-t-elle une moisson aussi riche ? Si tel devait être le cas, Pierre et Marie Curie tiennent à en partager le mérite avec celui qui, le premier, avait découvert la propriété de l'Uranium : "Qu'il nous soit permis de remarquer que si l'existence d'un nouveau corps simple se confirme, cette découverte sera uniquement due au nouveau procédé d'investigation que nous fournissent les rayons de Becquerel."
Le Radium.
Après la découverte du polonium un travail encore plus exténuant attend le couple qui soupçonne l'existence d'un autre corps radioactif dans la pechblende. Nous ne décrirons pas cette aventure qui aboutit à la découverte du corps que les Curie désigneront du nom de radium. Un métal dont l'activité est d'abord estimée à 100 000 fois celle de l'uranium avant que le chiffre de 1 million de fois soit même proposé.
La découverte de nouveaux corps se poursuit donc mais la nature du rayonnement reste quant à elle un mystère. Le Radium, très radioactif, offre sur ce plan de nombreuses possibilités. Pierre et Marie Curie découvrent qu'il émet deux rayonnements. L'un est dévié par un champ magnétique, l'autre ne l'est pas.
Le rayonnement non dévié (en fait, il l'est, mais très faiblement) est rapidement absorbé par un obstacle matériel. Dans une communication présentée par Becquerel à la séance de l'Académie des sciences du 8 janvier 1900 "sur la pénétration des rayons de Becquerel non déviables par le champ magnétique", Marie Curie montre que ce rayonnement a une loi d'absorption singulière qui "rappelle plutôt la manière de se comporter d'un projectile, qui perd une partie de sa force vive en traversant des obstacles." Rutherford étudiera les propriétés de ces particules massives, chargées d'électricité positive, et désignera leur rayonnement sous le nom de "rayonnement α (alpha)". Plus tard sera découvert le "rayonnement γ (gamma)", analogue au rayonnement X mais encore plus pénétrant.
Le 5 mars 1900, Pierre et Marie Curie font lire par Becquerel à la séance hebdomadaire de l'Académie des Sciences un mémoire "Sur la charge électrique des rayons déviables du radium". Ayant constaté que "les rayons déviables du radium sont chargés d'électricité négative", ils établissent une analogie avec les rayonnements cathodiques dont le physicien français Jean Baptiste Perrin a montré, en 1895, qu'ils étaient constitués de particules négatives :
"Ainsi, écrivent-ils, dans le cas des rayons déviables du radium, comme dans le cas des rayons cathodiques, les rayons transportent de l'électricité. Or jusqu'ici, on n'a jamais reconnu l'existence de charges électriques non liées à la matière pondérale. On est donc amené, à considérer comme vraisemblable que le radium est le siège d'une émission constante de particules de matière électrisée négativement, capables de traverser sans se décharger des écrans conducteurs ou diélectriques.".
Ce rayonnement de particules négatives sera ultérieurement désigné sous le nom de "rayonnement β (bêta)".
Au moment même où Pierre et Marie Curie établissent l'analogie entre le rayonnement β du radium et les rayons cathodiques, on découvre en France les travaux du britannique Joseph John Thomson sur le rayonnement cathodique qui mettent en évidence l'existence de cette particule, commune aux deux rayonnements, et ses propriétés.
Ceux-ci lui vaudront de se voir attribuer la paternité de la découverte de la particule d'électricité négative qui sera plus tard désignée par le terme d'électron.
extrait de "Lhistoire de l'électricité, de l'ambre à l'électron. Gérard Borvon, Vuibert"
Voir la notice Pierre Curie de L'académie des sciences.
Pour faire le tour de la question : la publication de Philippe Moulinié et Soraya Boudia.
Voir aussi :
L'expérience de Marie Curie reconstituée à Rennes.
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