Le blog d'histoire des sciences

Cette histoire commence il y a trois siècle avec la naissance de cette science nouvelle : l’électricité. Si l’on retient que le philosophe grec Thalès a été le premier à signaler la propriété attractive de l’ambre jaune, le véritable père de l’électricité est l’anglais William Gilbert qui a montré cette propriété dans la plupart des corps et en particulier dans le soufre et le verre. Une propriété à laquelle il a donné le nom d’électricité en référence au terme « elektron » par lequel les grecs anciens désignaient l’ambre jaune. La découverte a permis à tout un chacun de s’emparer du phénomène électrique. Le plus simple bâton de soufre ou le plus banal des tubes de verre donnent déjà de beaux effets. Mais ces matériaux se prêtent surtout à la fabrication de "machines" qui viendront compléter les "cabinets de curiosités", attraction obligatoire de toute demeure noble ou bourgeoise qui se respecte, dès la deuxième moitié du 17ème siècle. L’une d’entre elles aura une influence essentielle sur la suite de ce récit.

Machine de Hauksbee.

On connaît mal les premières années de la vie de Hauksbee ( ?-1713). Autodidacte, il est remarqué par Newton. En décembre 1703, le célèbre physicien, auteur de la loi de gravitation universelle, devient président de la Royal Society of London, la plus importante Académie scientifique anglaise. Il engage Hauksbee comme son expérimentateur principal. Jusqu’en 1705, celui-ci anime donc les séances de l’Académie. A partir de cette date il s’oriente vers l’étude de la phosphorescence "mercurielle" ou "barométrique".

À Florence, en 1643, le Evangelista Torricelli (1608-1647), en renversant un tube empli de mercure sur une cuve pleine du même métal, constate que le mercure descend dans le tube pour s'arrêter à une hauteur constante 28 pieds (76cm). Il découvre ainsi à la fois la pression de l'atmosphère et l'existence du vide. Bientôt, une observation faite de façon fortuite intrigue les physiciens. Quand on bouscule, dans l’obscurité, un tube barométrique de Toricelli, une lueur phosphorescente apparaît dans le vide libéré à la partie supérieure du tube. Au moment où Hauksbee s’attaque au problème, il est généralement admis que cette lueur provient d’une émanation du mercure. Pour sa part il choisit d’user de méthode et d’étudier les rôles respectifs du vide, du verre et du mercure.

Hauksbee emplit partiellement de mercure un ballon dans lequel il fait le vide. L’ensemble reste obscur tant que le liquide reste immobile. Il est donc clair que le vide n’est pas suffisant mais que, par contre, le frottement, provoqué par le mouvement, est indispensable. Frottement sur le mercure ou sur le verre ? A partir de novembre 1705 Hauksbee utilise, pour répondre à cette question, un montage qui fait abstraction du mercure. Il s’agit d’une sphère de verre munie de deux pièces de cuivre diamétralement opposées lui servant d’axe. Cette sphère peut être mise en mouvement rapide en la plaçant sur une machine inspirée d’un tour de menuisier. Mais sa propriété essentielle est d’avoir été conçue pour qu’on puisse y réaliser le vide. Hauksbee a pris la précaution de ménager un robinet dans une des pièces de l’axe qui peut être relié à une pompe à vide.

La machine électrique de Hauksbee. Un robinet permet d’y faire le vide
(Louis Figuier, Les Merveilles de la Science)

La sphère, vidée de son air, est mise en mouvement et frottée par la main de l’expérimentateur. Soudain, dans l’obscurité, la sphère s’emplit d’une forte lueur diffuse. Un mur situé à dix pieds en est éclairé. Un livre tenu à proximité du globe peut être lu. Quand un doigt s’approche de la sphère, la lumière se concentre en filaments qui semblent attirés par ce doigt. La lumière diminue progressivement quand, peu à peu, on laisse entrer l’air dans le tube.

Même quand la pression atmosphérique est atteinte, on peut encore arracher quelques lueurs au globe. Elles sont externes cette fois, et se présentent sous la forme nouvelle d’étincelles. Hauksbee hésite encore mais pour Newton, la cause est entendue : La lumière ne provient ni du vide, ni du mercure mais du verre !

Nous savons à présent que, si c’est bien le verre qui est électrisé par le frottement, la lueur, elle, provient de l’air. Dans le globe "vide", il reste encore du gaz résiduel et celui-ci est "ionisé" sous l’effet du champ électrique créé par la friction du verre. Il devient, par ce fait, lumineux, à l’image du néon dans un tube d’éclairage. Naturellement cette interprétation était impossible à qui n’avait ni la connaissance de la nature de l’air, ni, à plus forte raison, de l’existence et de la constitution des atomes. Cette "phosphorescence électrique" continuera à obséder des générations de physiciens

Le relai de l’Abbé Nollet.

Parmi ceux-ci, l’abbé Nollet (1700-1770).  Considéré comme le plus célèbre démonstrateur de son temps, il reprend ces expériences dans une mise en scène qui leur a assuré une durable publicité.

Expérience des vases lumineux réalisée par l’abbé Nollet

Recherches sur les causes particulières de l'électricité.

Sa méthode était plus efficace. Au lieu de frotter le récipient de verre, il l’électrisait en faisant pénétrer, à son autre extrémité, le classique canon de fer, suspendu par des cordons de soie, qui recevait l’électricité du globe de la machine électrique de sa conception. L’expérience était réalisée dans l’obscurité. Laissons parler Nollet :

"Si vous portez la main au robinet de métal qui tient à l’un des goulots du matras purgé d’air ou que vous approchiez vos doigts de la surface du verre tandis qu’on électrise le conducteur : vous verrez dans l’intérieur du vaisseau plusieurs jets d’une matière très lumineuse ; et si vous le touchez, vous apercevrez une pareille matière qui se répand dans son épaisseur, à peu près comme une huile imprégnée de phosphore." (Nollet, leçons de physique expérimentale). Notons que le terme de phosphore ne fait ici nullement référence à l’élément chimique dont la découverte en Europe date de la fin du 17ème siècle mais de façon générale, en accord avec l’étymologie grecque, à tout "porteur de lumière". Pour Nollet, l’expérience indique qu’il est "très probable que la matière électrique est la même que celle du feu et de la lumière".

 
Bien plus tard, Faraday (1791-1867), en Angleterre, s’intéresse à son tour au phénomène. Il utilise un tube muni de deux électrodes à ses extrémités et dans lequel il peut faire le vide. Quand le vide n’est pas poussé à son maximum, une lueur l’emplit dès que les électrodes sont reliées à une source de haute tension. Poussant plus loin le vide, il observe une frange sombre dans la colonne lumineuse du côté de l’électrode négative (la cathode). Cette zone sans lumière s’élargit quand le vide augmente. Cette observation sera mise à profit par son compatriote William Crookes.

William Crookes et la matière radiante.
 

L’étude des décharges dans les gaz raréfiés prend une nouvelle vigueur avec William Crookes (1832-1919). Le savant britannique est déjà célèbre pour son radiomètre. L’appareil est encore commercialisé, souvent sous forme de curiosité. C’est un rotor léger, constitué par un ensemble de quatre plaques carrées dont l’une des faces est blanche et l’autre noire. Placé dans une ampoule vide de son air, le rotor tourne sous l’action de la lumière. Crookes en avait fait un usage scientifique, en particulier pour la mesure des radiations invisibles comme les radiations infrarouges.

Crookes accepte la théorie cinétique des gaz proposée par Bernoulli. Celui-ci considère les gaz comme formés de molécules se déplaçant en ligne droite mais changeant rapidement de direction à l’occasion des chocs avec les autres molécules ou les parois des vases les contenant. Dans les tubes de Faraday, Crookes fait l’hypothèse que les molécules se chargent d’électricité au contact de la cathode et en sont violemment repoussées. Si le vide est insuffisant elles rencontrent rapidement d’autres molécules, la violence du choc se traduisant par une émission lumineuse.

 
Si on pousse le vide, la trajectoire rectiligne des molécules, perpendiculairement à la surface de l’électrode, s’allonge et un espace sans lumière apparaît. Celui qui avait déjà été observé par Faraday. Un vide très poussé, comme celui auquel parvient Crookes, fait même disparaître tout effet lumineux à l’intérieur du tube. Seul est visible l’impact du faisceau sur le verre qui s’éclaire à l’endroit où il le rencontre.

Pour mettre en évidence l’existence de ce jet invisible, supposé être constitué de molécules, Crookes a l’idée de leur opposer des obstacles. Un montage célèbre est celui d"une roue à palettes montée sur des rails de verre. Soumise au rayonnement, elle tourne et avance. On peut choisir le sens du mouvement en choisissant l’électrode alimentée.

On peut aussi placer dans le tube un écran fluorescent, par exemple recouvert de sulfure de carbone. Placé légèrement incliné le long du trajet du faisceau, il le rend visible. Le montage est encore présent dans nos lycées pour l’étude des rayonnements cathodiques.

Autre méthode : présenter sur le trajet du faisceau un obstacle dont l’ombre se verra sur l’extrémité élargie du tube. Le tube muni d’une croix inclinable à volonté deviendra un équipement classique des laboratoires.

Il résulte de cette étude une observation qui mériterait explication : les particules suivent un trajet rectiligne toujours perpendiculaire à la surface de la cathode. La place de l’anode n’a aucune influence. Il ne s’agit donc pas d’un "courant électrique" passant d’une électrode à l’autre mais d’un phénomène de type nouveau qui sera désigné par le terme de "rayonnement cathodique".

Le 16 janvier 1880 Crookes exécute ses expériences devant la Société française de physique. Elles laissent les spectateurs perplexes. Le rayonnement est dévié par l’approche d’un corps chargé d’électricité et se comporte comme constitué de particules chargées d’électricité négative. Mais il est également dévié par un aimant comme le serait un courant électrique. Alors, flux de charges électriques ou courant d’électricité ?

Deux pinceaux parallèles sont créés à partir de deux cathodes voisines. Vont-ils se repousser car constitués de particules de même charge ou s’attirer comme le font deux courants électriques de même sens ? Ils se repoussent, ce sont donc des particules chargées d’électricité et non des courants électriques tels que pouvait les décrire Ampère.

Mais quel type de particules ? Ces expériences se font dans des tubes où le vide est extrême. Crookes a mis au point des machines "pneumatiques" qui permettent de faire un vide particulièrement poussé. En les faisant fonctionner longtemps (jusqu’à quinze jours) il arrive à un vide qu’il estime à un millionième d’atmosphère. Les particules chargées ne peuvent donc pas être des molécules d’air résiduel. Crookes imagine un quatrième état de la matière, la "matière radiante", dont une des caractéristiques sera cette propagation rectiligne à partir de la cathode

Il faudra attendre la fin du siècle avec J.J. Thomson et la découverte de l’électron pour trouver une explication du phénomène acceptable par l’ensemble du monde scientifique.

Thomson et la découverte de l'électron.

Joseph John Thomson (1856-1940) est né près de Manchester. Après ses premières années de scolarité dans cette ville il rejoint le Trinity College à Cambridge où il effectue de brillantes études de mathématiques appliquées à la physique. Nourri des théories de Maxwell, qui a été son professeur, il imagine, dès 1883, un modèle présentant l'atome sous la forme de tourbillons d'éther entrelacés. L'année suivante il est nommé professeur de physique expérimentale à Cambridge et placé à la tête du "Cavendish Laboratory" dans lequel, avant lui, Maxwell et Rayleigh avaient développé de rigoureuses pratiques expérimentales liées à la détermination des standards nécessaires au développement de l'industrie électrique comme, par exemple, la détermination de la valeur de l'ohm étalon initiée par le congrès international des électriciens de 1881.

J.J. Thomson est, quant à lui, plutôt attiré par la physique théorique. Ses premières réflexions sur la structure des atomes l'amènent à orienter le laboratoire vers l'étude des décharges électriques dans les gaz, étude dans laquelle son compatriote Crookes s'était déjà illustré. Le sujet de la nature des "rayons cathodiques" est alors l'objet de controverses entre les physiciens britanniques qui les considèrent comme constitués de particules chargées et les physiciens allemands qui y voient des ondes électromagnétiques se propageant dans l'éther. Héritier, à la fois, de Crookes et de Maxwell, Thomson se place ainsi au centre du conflit.

Parmi ses collaborateurs Thomson compte de précieux expérimentateurs comme Ernest Rutherford ou Charles Thomson Rees Wilson qui a mis au point une "chambre à condensation" dans laquelle de fines gouttelettes de brouillard se forment autour des particules de gaz ionisé. La mesure de leur vitesse de chute dans un champ électrique permettra d'en mesurer la charge et la masse.

En 1897, Thomson publie un article, devenu célèbre qui fait le point sur leurs premiers travaux. Après Perrin en 1895, il y décrit les rayons cathodiques comme formés de "corpuscules" arrachés aux atomes. Mesurant le rapport de leur masse à leur charge, il estime qu'ils ont une masse deux mille fois plus petite que celle de l'atome d'hydrogène et qu'ils sont animés d'une vitesse de l'ordre de 200 kilomètres par seconde. Plus tard le physicien allemand Emil Wiechert estimera cette vitesse entre le dixième et le cinquième de la vitesse de la lumière soit entre 30 000 kilomètres et 60 000 kilomètres par seconde. Par ailleurs la chambre de Wilson sera mise à contribution pour confirmer la faible masse de ces particules et mesurer leur charge électrique. Ces "corpuscules" seront plus tard désignés par le nom d'électrons, un terme initialement créé par le physicien irlandais George Johnstone Stoney pour désigner "l'atome d'électricité" intervenant dans les électrolyses.

Ces "électrons" ont cependant du mal à s'imposer tant leurs propriétés semblent extraordinaires. Un article de la revue "La Nature", daté de 1898, estime que leur énergie pour un seul gramme de matière rayonnée serait équivalente à celle de "10 000 trains de cent tonnes marchant à près de 100 kilomètres-heure". Pour la première fois les atomes révèlent la formidable réserve d'énergie que recèle leur structure. La conviction du monde scientifique sera finalement acquise quand on mettra en évidence l'existence de ces mêmes électrons dans l'effet photo-électrique puis dans le rayonnement radioactif.

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 du plus près à un autre sujet, celui des 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 père, Edmond 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. 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 : La séance reste un des grands moments de l’Académie des Sciences. Becquerel annonce que 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. 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 l’anglais William 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.

Qui mieux que les scientifiques peuvent nous parler de leurs propres découvertes, leur histoire, leur actualité et leur futur. Les discours de Marie, Pierre, Irène, Joliot... Curie, à l'occasion de la remise de leurs prix Nobel nous parlent d'hier et d'aujourd'hui.

Discours de Pierre Curie à la remise de leur prix Nobel à Pierre et Marie Curie en 1903.

Il se raconte que le jury Nobel a hésité entre le prix de chimie (découverte de nouveaux éléments chimiques) et celui de physique (découverte d'une nouvelle propriété physique) pour ce prix attribué à Pierre et Marie Curie. Le choix étant fait pour le prix de physique, Pierre Curie axe son intervention sur les propriétés physiques du radium. Il y décrit, en particulier les rayonnements qu'il produit :

"Il résulte des travaux d'un grand nombre de physiciens (Meyer et Schweidler, Giesel, Becquerel, P, Curie, Mme Curie, Rutherford, Villard, etc.) que les corps radioactifs peuvent émettre des rayons de trois espèces différentes désignés par Rutherford par rayons alpha, bêta, gamma. Ils se distinguent les uns des autres par l'action du champ magnétique et du champ électrique qui modifient le trajet des rayons alpha et bêta. Les rayons gamma analogues aux rayons cathodiques se comportent comme des projectiles chargés négativement de masse 2 000 fois plus faible que celle d'un atome d'hydrogène (électrons). Nous avons vérifié, Mme Curie et moi, que les rayons bêta entraînent avec eux de l'électricité négative. Les rayons alpha analogues aux rayons canalisés de Goldstein, se comportent comme des projectiles 1 000 fois plus lourds et chargés d'électricité positive. Les rayons gamma sont analogues aux rayons de Rœntgen."

En conclusion :

"L'importance de ces phénomène pour la physique est évidente, Le radium constitue dans les laboratoires un outil nouveau de recherches, une source de radiations nouvelles.". de même "Les conséquences pour la chimie de nos connaissances sur les propriétés des corps radioactifs sont peut-être plus importantes encore [.] Enfin dans les sciences biologiques les rayons du radium et son émanation produisent des effets intéressants que l'on étudie actuellement. Les rayons du radium ont été utilisés dans le traitement de certaines maladies (lupus, cancer, maladies nerveuses)".

La fin de son texte est cependant une mise en garde :

"Dans certains cas, leur action peut devenir dangereuse. Si on oublie dans sa poche pendant quelques heures dans une boîte en bois ou en carton une petite ampoule de verre contenant quelques centigrammes d'un sel de radium, on ne sentira absolument rien. Mais quinze jours après apparaîtra sur l'épiderme une rougeur, puis une plaie très difficile à guérir. Une action plus prolongée pourra amener la paralysie et la mort. Il faut transporter le radium dans une boîte épaisse en plomb."

Et surtout : 

"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 (souligné par nous). 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."

L'Humanité était-elle mûre pour recevoir ce savoir ? Qu'aurait pensé Pierre  Curie après Hiroshima et Nagasaki ?

Discours de Marie Curie à la remise de son prix Nobel en 1911

Après ce prix Nobel en chimie et le précédent en physique,  Marie Curie tient d'abord à affirmer la spécificité de l'étude de la radioactivité.

"La radio-activité est une science nouvelle qui a des rapports très étroits avec la physique et la chimie mais qui n’en est pas moins absolument distincte. Nous avons aujourd’hui des institutions et des laboratoires pour la radio-activité; de nombreux savants se consacrent à l’étude des phénomènes radio-actifs. Le développement en a été admirable; mais l’on n’aurait pu espérer non plus de plus bel encouragement que celui dont la jeune science a été l’objet de la part de l’Académie des Sciences de Suède qui a décerné trois prix Nobel, un de physique, deux de chimie, aux quatre chercheurs Henri Becquerel, Pierre Curie, Marie Curie et E. Rutherford."

Introduction de son discours au banquet suivant la remise du prix :

"Je remercie l’Académie des Sciences du très grand honneur qu’elle m’a fait. Je crois que cet honneur ne s’adresse point uniquement à moi. Pendant de longues années, Pierre Curie et moi avons consacré toutes nos journées aux travaux concernant nos découvertes communes du radium et du polonium. Je crois donc interpréter dans son vrai sens la pensée de l’Académie, en disant que ce prix Nobel qu’on vient de me décerner est aussi un hommage rendu au nom de Pierre Curie.

Qu’on me permette en outre d’exprimer la joie que je ressens en pensant à la radioactivité. La découverte des phénomènes radioactifs ne date que de quinze ans. La radioactivité est donc une science très jeune. C’est un enfant que j’ai vu naître et que j’ai contribué, de toutes mes forces, à élever. L’enfant a grandi, il est devenu beau." (souligné par nous).

"

"L’enfant a grandi, il est devenu beau." Huit ans après la remise de son premier Nobel l'optimisme est justifié.

Discours de Irène et Frédéric Joliot Curie à la remise de leur prix Nobel en 1935.

Le prix leur a été attribué pour la découverte des radioéléments artificiels obtenus en bombardant certains éléments par des rayons alpha. Le premier signalé par Hélène Curie est l'aluminium.

"Nous avons montré que l'on pouvait communiquer de même une radioactivité avec émission d'électrons positifs ou négatifs au bore ou au magnésium, par bombardement de rayons alpha. Ces radioéléments artificiels se comportent en tout point comme les radioéléments naturels."

De son côté Joliot précise :

"Nous avons proposé d'appeler ces radioéléments nouveaux (isotopes, n'existant pas dans la nature, d'éléments connus) radioazote, radiophosphore, radioaluminium (dans le cas du magnésium irradié par des rayons alpha) et de les désigner par les symboles : RN13 RP30 RAI28."

L'utilité de ces radioéléments en médecine est la principale application citée :

"En biologie, par exemple, la méthode des indicateurs, employant les radioéléments synthétiques, permettra d’étudier facilement le problème de la localisation et de l’élimination d'éléments divers introduits dans les organismes vivants. Dans ce cas, la radioactivité sert uniquement à déterminer la présence d'un élément dans telle ou telle région de l’organisme."

La médecine nucléaire est effectivement une technique qui s'est développé tant pour la détection que le traitement de maladies.

La conclusion de Frédéric Joliot-Curie rappelle cependant celle de Pierre Curie concernant les dangers possibles de la recherche :

"Si, tourné vers le passé, nous jetons un regard sur les progrès accomplis par la science à une allure toujours croissante, nous sommes en droit de penser que les chercheurs construisant ou brisant les éléments à volonté sauront réaliser des transmutations à caractère explosif, véritables réactions chimique à chaînes.
 

Si de telles transmutations arrivent à se propager dans la matière, on peut concevoir l’énorme libération d'énergie utilisable qui aura lieu. Mais hélas, si la contagion a lieu pour tous les éléments de notre planète, nous devons prévoir avec appréhension les conséquences du déclenchement d'un pareil cataclysme. Les astronomes observent parfois qu'une étoile d'éclat médiocre augmente brusquement de grandeur, une étoile invisible à l’œil nu peut devenir très brillante et visible sans instrument, c'est l’apparition d'une Novae. Ce brusque embrasement de l’étoile est peut-être provoqué par ces transmutations à caractère explosif, processus que les chercheurs s'efforceront sans doute de réaliser, en prenant, nous l’espérons, les précautions nécessaires."

La fission de l'uranium et la réaction en chaîne ne seront découvertes qu'en 1939, 5 ans après de décès de Marie Curie. Seules les retombées positives de sa découverte lui auront été connues : applications médicales, bonds dans la connaissance de la structure de l'atome. L'enfant que Marie Curie "avait vu naître" n'avait encore rien perdu de sa "beauté". Joliot, lui qui plus tard découvrira la possibilité de la réaction en chaîne, imagine déjà le pire.

Gérard Borvon

première mise en ligne : 01/08/2021

Parmi les multiples qualificatifs qu'on puisse attribuer à Jules Verne on ne relève pas assez souvent celui, pourtant essentiel, de vulgarisateur scientifique. Dans des romans comme "vingt mille lieues sous les mers" ou dans "Robur le Conquérant", il serait fastidieux de relever la longue liste des pages dans lesquelles il décrit les découvertes techniques de son temps en n'oubliant pas de citer leurs auteurs. Ses contemporains, lecteurs des revues scientifiques à grand succès, la Nature, l'Année Scientifique..., ou encore des "Merveilles de la Science" de Louis Figuier, ne pouvaient manquer d'y retrouver un clin d’œil à leur actualité sous la forme d'un habillage narratif. Celui-ci permettant par ailleurs une ouverture à un public plus habitué à la lecture de "Causeries littéraires" qu'à celle des "Causeries Scientifiques". Ce public n'était certainement pas à l'époque celui de la jeunesse dans lequel on a voulu le cantonner par la suite.

Jules Verne ne fait pas d'anticipation dans le sens que nous donnons à ce mot aujourd'hui, il nous décrit la naissance des techniques de son temps, dont nous sommes les héritiers, et imagine leur développement. Relire Jules Verne c'est y trouver les descriptions des objets techniques utilisés, par exemple, dans le Nautilus du capitaine Nemo ou "l'Albatros" de l'ingénieur Robur. Loin d'alourdir le récit elles lui ajoute une saveur "belle époque" et nous invitent à  un voyage dans le passé sans la froideur d'un discours historique académique.

A l'amateur, ou même au chercheur, attiré par l'histoire des sciences et des techniques, Jules Verne propose des pistes de recherche. Un exemple dans ce texte extrait de "Robur le Conquérant".

" Ce n’est ni à la vapeur d’eau ou autres liquides, ni à l’air comprimé ou autres gaz élastiques, ni aux mélanges explosifs susceptibles de produire une action mécanique, que Robur a demandé la puissance nécessaire à soutenir et à mouvoir son appareil. C’est à l’électricité, cet agent qui sera, un jour, l’âme du monde industriel. D’ailleurs, nulle machine électromotrice pour le produire. Rien que des piles et des accumulateurs. Seulement, quels sont les éléments qui entrent dans la composition de ces piles, quels acides les mettent en activité ? C’est le secret de Robur. De même pour les accumulateurs. De quelle nature sont leurs lames positives et négatives ? On ne sait. L’ingénieur s’était bien gardé – et pour cause – de prendre un brevet d’invention. En somme, résultat non contestable : des piles d’un rendement extraordinaire, des acides dune résistance presque absolue à l’évaporation ou à la congélation, des accumulateurs qui laissent très loin les Faure-Sellon-Volckmar, enfin des courants dont les ampères se chiffrent en nombres inconnus jusqu’alors. De là, une puissance en chevaux électriques pour ainsi dire infinie…

Mais, il faut le répéter, cela appartient en propre à l’ingénieur Robur. Là-dessus il a gardé un secret absolu"

Jules Verne n'est ni le premier, ni le seul, à prédire que l'électricité "sera, un jour, l’âme du monde industriel" et il est vrai que notre 21ème siècle cherche à trouver le secret de Robur, celui des piles et accumulateurs électriques qui pourraient peut-être un jour faire voler les "plus lourd que l'air". Le curieux pourra s'arrêter sur la mention des accumulateurs "Faure-Sellon-Volckmar". C'est toute l'histoire des premiers accumulateurs depuis ceux de Gaston Planté qu'il pourra parcourir. Par exemple dans "La Physique Moderne" de Édouard Hospitalier ou encore dans la revue La Nature dans l'article : Nouveaux perfectionnements apportés aux accumulateurs électriques. L'article faisant mention de l'accumulateur "Faure-Sellon-Volckmar" date de 1882 et fait mention de l'exposition internationale d'électricité de paris en 1881. Noter que la première publication de Robur, sous forme de feuilleton, date de 1886.

La lecture de l'article permettra de constater que nos actuels accumulateurs au plomb sont les héritiers directs de ces premiers accumulateurs et qu'il serait peut-être utile d'y réfléchir avant de les mettre au rebus.

Gérard Borvon

(première mise en ligne,15/08/2018)

"C'est un fait connu, & sans doute depuis longtemps, qu'une chambre, qu'un carrosse, une couche, sont plus fortement chauffés par le soleil, lorsque ses rayons passent au travers de verre ou de châssis fermés, que quand ces mêmes rayons entrent dans les mêmes lieux ouverts & dénués de vitrage. On sait même que la chaleur est plus grande dans les chambres ou les fenêtres ont un double châssis."

C'est ainsi que Horace Bénédict de Saussure débutait une lettre, datée du 17 avril 1784, adressée, depuis Genève, au "Journal de Paris". Géologue et naturaliste né à Conches près de Genève, en 1740, Saussure est surtout connu pour ses excursions dans les Alpes et en particulier pour avoir été l'un des premiers à atteindre le sommet du Mont Blanc où il avait pu constater que la température d'ébullition de l'eau n'était plus que de 86° de notre échelle Celsius.

La chaleur est également l'un de ses premiers centres d'intérêt. C'est pourquoi ce phénomène d'élévation de la température derrière une vitre ne pouvait pas manquer d'attirer son attention.

"Lorsque je réfléchis pour la première fois à ces faits si connus, je fus bien étonné qu'aucun Physicien n'eût cherché à voir jusqu'où pouvait aller cette augmentation ou cette concentration de la chaleur", écrit-il.

Horace Bénédict de Saussure, l'héliothermomètre et l'effet de serre.

Il se propose donc de rendre compte d'une série de mesures qu'il a commencées dès 1767. Son dispositif expérimental, auquel il donne le nom d'Héliothermomète, est une "caisse en sapin d'un pied de longueur sur 9 pouces de largeur et de profondeur". Des études antérieures lui ont montré qu'un corps sombre absorbe mieux la chaleur, il choisit donc de tapisser l'intérieur de la boite "d'un liège noir épais d'un pouce" qui constitue par ailleurs un bon isolant thermique. Son couvercle est constitué de trois glaces "placées à un pouce et demi de distance l'une de l'autre". l'expérience demande de suivre la course du soleil de telle sorte que ses rayons entrent toujours dans la boite perpendiculairement à la vitre. Utilisant cette méthode, la plus grande température qui est atteinte est de 87,7°, "c'est à dire de plus de 8 degrés au dessus de la chaleur de l'eau bouillante". L'échelle utilisée est ici celle de Réaumur qui fixe à 80 degrés la température d'ébullition de l'eau. Prenant des mesures pour mieux isoler la boite, il obtiendra même des températures atteignant 128°R soit 160°C.

Voilà pour l'observation.

"Quant à la théorie, écrit-il, elle me paraît si simple, que je ne crois pas qu'elle ajoute beaucoup à la gloire de celui qui la développera". Il se souvient que "l'immortel Newton" a prouvé que les corps sont réchauffés par la lumière qu'ils absorbent. L'explication lui paraît donc évidente :

"Sans décider si les rayons du soleil sont eux-mêmes du feu, ou s'ils ne font qu'imprimer au feu contenu dans les corps un degré de mouvement qui produit la chaleur, c'est un fait qu'ils les réchauffent. C'est un fait tout aussi certain, que quand le corps sur lesquels ils agissent est exposé en plein air, la chaleur dont ils le pénètrent lui est en partie dérobée par les courants qui règnent dans l'air, & par ceux que cette chaleur produit elle même, Mais si ce corps est situé de manière à recevoir ses rayons sans être accessible à l'air, il conserve une plus grande proportion de la chaleur qui lui est imprimée".

La météorologie mesure aujourd'hui l'importance des phénomènes de convection pour les échanges de chaleur dans les fluides, en particulier dans l'atmosphère ou dans les océans. Saussure les avait déjà bien analysés en constatant que dans une boite vitrée, fermée et isolée, l'air conservait sa chaleur car il ne pouvait y avoir d'échange avec l'air extérieur plus froid. Bien imaginées aussi les applications possibles de son montage expérimental.

"Quant aux applications, je m'en suis aussi occupé", écrit-il, Comme je ne me flattais pas de fondre des métaux, je ne pensais qu'à faire servir cette invention à des usages qui ne demandent qu'une chaleur peu supérieure à celle de l'eau bouillante. Je voulais aussi éviter l'assujettissement et la perte du temps qu'entraîne la nécessité de présenter toujours la caisse au soleil à mesure que sa position change. Dans cette intention j'ai essayé d'employer des calottes de verre hémisphériques qui s'emboîtent les unes dans les autres".

L'idée se justifiait, la démarche témoignait d'un réel comportement scientifique. Hélas, le résultat escompté ne fut pas au rendez-vous et l'expérimentateur constate "qu'on ne pourrait pas même se flatter de faire cuire sa soupe dans cet appareil". Il préfère donc s'en tenir à sa caisse initiale qui en plus de pouvoir servir de "thermomètre solaire" serait apte, dit-il, à pratiquer des distillations ou toute autre opération qui ne demanderait pas "un degré de chaleur fort supérieur à celui de l'eau bouillante". Pourrait-il imaginer que deux siècles et demi plus tard de telles boites, d'une plus grande surface, au fond noirci traversé par des serpentins parcourus par un liquide caloporteur, seraient disposées sur les toits des maisons pour fournir à ses occupants l'eau chaude nécessaire à leur usage domestique. Son dispositif, qui avait mis en évidence ce que nous désignons aujourd'hui comme "effet de serre", est en effet devenu, par l'usage des panneaux solaires thermiques, une utilisation économe, intelligente et non-polluante du rayonnement solaire.

Jean Baptiste Joseph Fourier. De l'héliothermomètre à la température du globe terrestre.

Fourier (1768-1830) est d'abord connu comme mathématicien pour ses "séries", outil mathématique qu'il a d'abord appliqué à l'étude de la diffusion de la chaleur. En 1827 est publié dans les Mémoires de l'Académie des Sciences de l'Institut de France son "MÉMOIRE sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires". S'interrogeant sur l'influence de l'atmosphère sur la température du globe il fait une référence appuyée aux travaux de Saussure. On doit, dit-il au célèbre voyageur, une expérience qui apparaît très propre à éclairer la question". Il décrit avec précision l'instrument mis au point par Saussure. Celui-ci l'intéresse particulièrement par le fait qu'il a permis à son constructeur de "comparer l'effet solaire sur une montagne très élevée à celui qui avait lieu dans une plaine inférieure", montrant ainsi le rôle de l'épaisseur de l'atmosphère dans le phénomène.

"La théorie de cet instrument est facile à concevoir", dit-il. Comme Saussure il considère "que la chaleur acquise se concentre parce qu'elle n'est point dissipée immédiatement par le renouvellement de l'air". Il y ajoute une seconde raison qui nous rapproche d'une vision contemporaine largement vulgarisée :

"la chaleur émanée du soleil a des propriétés différentes de la chaleur obscure. Les rayons de cet astre se transmettent en assez grande partie au-delà des verres dans toutes les capacités et jusqu'au fond de la boite. Ils échauffent l'air et les parois qui le contiennent : alors la chaleur ainsi communiquée cesse d'être lumineuse; elle ne conserve que les propriétés communes de la chaleur rayonnante obscure. Dans cet état, elle ne peut traverser librement les plans de verre qui couvrent le vase ; elle s'accumule de plus en plus dans une capacité enveloppée d'une matière très-peu conductrice, et la température s'élève jusqu'à ce que la chaleur affluente soit exactement compensée par celle qui se dissipe".

Une dizaine d'années sépare ce texte de la présentation par Fresnel de sa théorie ondulatoire de la lumière. Cette "chaleur rayonnante obscure" attendra encore quelques années avant d'être qualifiée de "rayonnement infrarouge".

L'analogie avec l'atmosphère s'impose alors à Fourier. Le même phénomène expliquerait la température plus élevée dans les basses couches de l'atmosphère. Si les différentes couches de l'atmosphère restaient immobiles, elles se comporteraient comme des vitres. "la chaleur arrivant à l'état de lumière jusqu'à la terre solide perdrait tout-à-coup et presque entièrement la faculté qu'elle avait de traverser les solides diaphanes ; elle s'accumulerait dans les couches inférieures de l'atmosphère, qui acquerraient ainsi des températures élevées". Fourier n'ignore pourtant pas que l'air chaud s'élève et se mélange à l'air froid des altitudes mais il estime que ce phénomène ne doit pas altérer totalement l'effet de la lumière obscure "parce que la chaleur trouve moins d'obstacles pour pénétrer l'air, étant à l'état de lumière, qu'elle n'en trouve pour repasser dans l'air lorsqu'elle est convertie en chaleur obscure".

Depuis Lavoisier on sait que l'air est un mélange de gaz, que signifie alors la perméabilité de l'air au rayonnement solaire ou à la "chaleur rayonnante obscure" ? Les différents gaz qui le composent ont-ils tous le même comportement ? C'est la question que se pose John Tyndall.

John Tyndall (1820-1893), le découvreur des gaz à "effet de serre".

John Tyndal est né en Irlande et y a vécu sa jeunesse. Autodidacte, comme Faraday dont il a été l'élève, ses travaux scientifiques lui valent une solide renommée, tant en Europe que dans les États d'Amérique. Excellent vulgarisateur, il donne, en 1864 à Cambridge, une conférence, sous le titre "La radiation", dans laquelle il expose ses travaux sur l'absorption des rayons lumineux par différents gaz. Sa traduction par l'Abbé Moigno est publiée en France dès l'année suivante. Son traducteur est enthousiaste : "Le motif de sa dissertation lui était imposé par l'immense retentissement de ses admirables découvertes dans le domaine des radiations lumineuses et caloriques. Il l'a traité avec une lucidité, une sobriété, une élégance, une aisance magistrales ; et nous ne nous souvenons pas d'avoir lu avec plus de plaisir d'autres dissertations scientifiques".

Le texte est court (64 pages) et l'éloge justifié. Il mérite d'être lu dans sa totalité. Qui le lirait y trouverait l'essentiel de ce que nous enseignent les climatologues aujourd'hui. Son exposé s'attache d'abord à établir l'existence de lumières invisibles à l’œil. Il est acquis, depuis Fresnel, que la lumière solaire est composée de multiples radiations. En particulier il s'intéresse à celle qu'il désigne sous le terme "d'ultra-rouge" et que nous désignons aujourd'hui comme "infra-rouge". Il expose comment son existence a été révélée par l'astronome britannique William Herschel. L'expérience est belle, elle mérite d'être rappelée.

"Forçant un rayon solaire à passer à travers un prisme, il le résolut dans ses éléments constituants, et le transforma en ce qu'on appelle techniquement le spectre solaire (souligné par lui). Introduisant alors un thermomètre au sein des couleurs successives, il détermina leur pouvoir calorifique, et trouva qu'il augmentait du violet, ou du rayon le plus réfracté, au rouge ou rayon le moins réfracté du spectre. Mais il ne s'arrêta pas là. Plongeant le thermomètre dans l'espace obscur au delà du rouge, il vit que, quoique la lumière eût entièrement disparu, la chaleur rayonnante qui tombait sur l'instrument était plus intense que celle que l'on avait mise en évidence à tous les points du spectre visible."

Mentionnant les travaux de Ritter et Stokes sur les "ultraviolets" Tyndall pouvait alors présenter le rayonnement solaire comme composé de "trois séries différentes".

1. des rayons ultra-rouges d'une très grande puissance calorique, mais impuissants à exciter la vision.

2. Des rayons lumineux qui déploient la succession suivante de couleurs : rouge, orangé, jaune, vert, bleu, indigo, violet

3. des rayons ultra-violets, impropres à la vision comme les rayons rouges, dont le pouvoir calorifique est très faible, mais qui en raison de leur énergie chimique, jouent un rôle très important dans le monde organique.

Suit un exposé sur la nature des radiations. Quel est le lien entre la chaleur dégagée dans un fil de platine chauffé au rouge ou au blanc par un courant électrique le traversant et la perception de cette lumière par l’œil ? Son compatriote Maxwell a émis récemment l'hypothèse selon laquelle la lumière serait une onde électromagnétique se déplaçant dans un hypothétique éther. Sa réponse est conforme au modèle. Il existe dit-il un "éther lumineux" qui comme l'air transmet les sons, est "apte à transmettre les vibrations de la lumière et de la chaleur". Ainsi "chacun des chocs de chacun des atomes de notre fil excite en cet éther une onde qui se propage dans son sein avec la vitesse de 300 000 kilomètres par seconde". C'est cette onde, reçue par la rétine, qui provoque chez nous la sensation de lumière.

Le chapitre qui suit a pour titre "Absorption de la chaleur rayonnante par les gaz". Son objet concerne particulièrement notre sujet, à savoir ce que nous désignons par "effet de serre".

"Limitant tout d'abord nos recherches au phénomène de l'absorption, nous avons à nous figurer une succession d'ondes issues d'une source de rayonnement et passant à travers un gaz. Quelques-unes de ces ondes viennent se heurter contre des molécules gazeuses et leur cèdent leur mouvement ; d'autres glissent autour des molécules, ou passent à travers leurs espaces intermoléculaires, sans obstacle sensible. Le problème consiste à déterminer si de semblables molécules libres ont à un degré quelconque le pouvoir d'arrêter les ondes de la chaleur, et si les différentes molécules possèdent ce pouvoir à différents degrés".

Le montage expérimental consiste en un plaque de cuivre chauffée jusqu'à incandescence. La lumière produite est transmise à un tube fermé par deux plaques de sel gemme "seule substance solide qui offre un obstacle presque insensible au passage des ondes calorifiques". Le tube peut être rempli de gaz divers sous la même pression de 1/30 d'atmosphère. La température y est mesurée par une "pile thermo-électrique", instrument d'une invention récente.

Les résultats sont publiés dans un tableau qui exprime les quantités de radiations absorbées respectivement par les différents gaz, "en prenant pour unité la quantité absorbée par l'air atmosphérique".

On y retrouve la plupart des gaz dont la nuisance nous préoccupe aujourd'hui. En particulier le dioxyde de carbone (acide carbonique), le protoxyde d'azote, l'acide nitreux.

Un dernier résultat "incroyable" !

Une dernière partie vient compléter ce tableau. Elle concerne l'étude "des vapeurs aqueuses de l'atmosphère dans leurs rapports avec les températures terrestres". L'importance des résultats mérite une mise en scène. Après les premières mesures effectuées sur différents gaz, "nous voici préparés à accepter un résultat qui sans ces préliminaires serait apparu complètement incroyable", annonce le conférencier.

Le nouveau gaz étudié n'est autre que la vapeur d'eau. C'est "un gaz parfaitement impalpable, diffusé dans toute l'atmosphère même les jours les plus clairs". La quantité de cette vapeur est infinitésimale comparée à la composition de l'air en oxygène et azote. Pourtant les mesures effectuées montrent que son effet est 200 fois supérieur à celui de l'air qui la contient. Ce fait, note-t-il, "entraîne les conséquences les plus graves relativement à la vie sur notre planète".

Conséquences les plus graves ? C'est exactement ce que seraient tentés de dire la plupart de nos contemporains mais John Tyndall y voit en réalité une chance. La chaleur du sol échauffé par les rayons du soleil se communiquent à l'atmosphère sous formes de ces ondes de lumière "ultra-rouges" de grande puissance calorique. L'air seul serait insuffisant pour les retenir. Heureusement, constate Tyndall "les vapeur aqueuses enlèvent leur mouvement aux ondes éthérées, s'échauffent et entourent ainsi la terre comme d'un manteau qui la protège contre le froid mortel qu'elle aurait sans cela à supporter".

Plus tard, dans sa conclusion, le constat prend des proportions lyriques. "La toile d'araignée tendue sur une fleur suffit à la défendre de la gelée des nuits ; de même la vapeur aqueuse de notre air, tout atténuée qu'elle soit, arrête le flux de la chaleur rayonnée par la terre, et protège la surface de notre planète contre le refroidissement qu'elle subirait infailliblement, si aucune substance n'était interposée entre elle et le vide des espaces célestes". Il en veut pour preuve que partout où l'air est sec (déserts, sommets des hautes montagnes) cela entraîne des températures diurnes extrêmes. Inversement "pendant la nuit, la terre rayonne sans aucun obstacle la chaleur vers ses espaces célestes et il en résulte un minimum de température très-basse".

La découverte est d'importance et il la revendique. S'il reconnaît à ses prédécesseurs, de Saussure, Fourier, Pouillet, Hopkins, d'avoir "enrichi la littérature scientifique" sur ce sujet, il fait le constat que ce n'est pas, à présent, à l'air, comme ils l'ont fait, qu'il faut s'intéresser mais à la vapeur d'eau qu'il contient.

Notons ici que, s'il cite Saussure, l'effet qu'il décrit n'a plus rien à voir avec celui d'une serre dans laquelle l'air chauffé par le soleil serait confiné. C'est donc de façon erronée que l'expression "effet de serre" continue à alimenter nos débats contemporains. D'où vient l'expression ? on la trouve utilisée par Arrhenius, dont nous verrons bientôt la contribution. "Fourier, écrit-il, le grand physicien français, admettait déjà (vers 1800) que notre atmosphère exerce un puissant effet protecteur contre la perte de chaleur par rayonnement. Ses idées furent plus tard développées par Pouillet et Tyndall. Leur théorie porte le nom de la théorie de la serre chaude (souligné par nous), parce que ces physiciens admirent que notre atmosphère joue le même rôle que le vitrage d'une serre".  Si le terme retenu par le milieu scientifique est "forçage radiatif", l'image torride d'une serre est tellement plus parlante que son succès est assuré pour longtemps encore.

Ainsi donc la terre est protégée par la vapeur d'eau ? Nous sommes dans la première période du développement industriel de l'Europe, comment Tyndall pourrait-il imaginer que cet équilibre qui dure depuis des milliers d'années sera rompu dans le siècle à venir. Non pas essentiellement par la vapeur d'eau mais par le CO₂. Que dit-il de ce gaz ? Il a déjà mesuré que son pouvoir d'absorption des rayons lumineux est près de 1000 fois supérieur à celui de l'air. Il constate également qu'il existe un nombre de rayons "pour lesquels l'acide carbonique est impénétrable". Il en fait même un moyen de mesure du taux de CO₂ dans l'air expiré par les poumons. Mais il ne percevra pas son rôle prépondérant dans le réchauffement de l'atmosphère. Ce sera la contribution de Svante Arrhenius.

Svante Arrhenius.

Svante Arrhenius est né à Vik en Suède en 1859. Chimiste, Prix Nobel, les apprentis chimistes le connaissent par la loi concernant les vitesses des réactions chimiques à laquelle on a donné son nom. Les météorologues se souviennent d'abord de ses études sur l'absorption de la lumière infrarouge par la vapeur d'eau et le CO₂. Son article "De l'influence de l'acide carbonique dans l'air sur la température au sol", publié en 1896, a été longtemps une référence. Même si ses calculs ont ensuite été contestés, son analyse a amené certains commentateurs à faire de Arrhenius "le père du changement climatique".

Utilisant des mesures faites par Frank Washington Very et Samuel Pierpont Langley sur le rayonnement lunaire, il déduit le pourcentage d'absorption du CO₂ par notre atmosphère. Il prend alors conscience du fait que l'augmentation rapide de la consommation de charbon peut contribuer à augmenter cette quantité. "L'acide carbonique, écrit-il, forme une fraction si peu importante de l'atmosphère que même la consommation industrielle de charbon semble pouvoir y influer. La consommation annuelle de houille a atteint en 1907 1200 millions de tonnes et elle augmente rapidement". Il note que sa progression est régulière : 510 millions de tonnes en 1890, 550 millions de tonnes en 1894, 690 en 1899, 890 en 1904 et il estime donc que "la quantité répandue dans l'atmosphère puisse être modifiée, dans le cours des siècles, par la production industrielle" .

La combustion de ce charbon faisant augmenter le taux de CO₂ dans l'atmosphère, il estime que si ce taux doublait, la température terrestre pourrait augmenter de l'ordre de 4°C.

Ce taux était alors de l'ordre de 300ppm (300 parties par million) et il n'imaginait pas ce doublement avant 3000 ans, c'est à dire le temps qu'il estimait nécessaire avant d'épuiser l'essentiel des ressources du sous-sol en charbon. Un siècle plus tard, ce taux a déjà dépassé 400ppm. Sans être trop pessimistes les scientifiques du Giec estiment que cette augmentation de température de 4°C pourrait être atteinte à la fin de ce siècle et nous alertent sur tous les bouleversements qui nous attendent !

Arrhenius, quant à lui, n'est pas inquiet. S'il pense aux générations futures c'est en considérant que cette augmentation de la température pourrait  avoir pour elles un aspect bénéfique. Il l'affirme sans hésiter dans un ouvrage publié en 1907 dans lequel il présente sa vision de l'apparition et de l'évolution de la vie sur terre sous le titre "Worlds in the making; the evolution of the universe", traduit en France sous le titre "L'évolution des mondes" .

"Nous entendons souvent, écrit-il, des lamentations sur le fait que le charbon stocké dans la terre est gaspillé par la génération présente sans aucune pensée pour la future… Nous pouvons trouver une sorte de consolation dans la considération que ici, comme souvent, il y a un bénéfice d'un côté pour un dommage de l'autre. Par l'influence de l'accroissement du pourcentage de l'acide carbonique dans l'atmosphère, nous pouvons espérer profiter dans le futur d'un climat meilleur et plus équitable, spécialement en ce qui regarde les régions les plus froides de la terre. Dans le futur la terre produira des cultures beaucoup plus abondantes qu'actuellement, au profit de l'accroissement rapide de l'humanité."

Il a fallu moins d'un siècle pour que ce rêve d'un avenir radieux, du moins pour les habitants de l'hémisphère nord, se transforme en cauchemar pour l'ensemble de la planète Terre.

______________________________________________________

Il manquait une femme dans cette liste, un article du journal Reporterre vient combler ce vide.

 

 

 

 

Des années avant que les travaux sur le changement climatique accèdent à une reconnaissance internationale, Eunice Foote découvrait les prémices de l’effet de serre avec ses expériences maison.

 

 

 

 

 

Voir :https://reporterre.net/Eunice-Foote-pionniere-oubliee-des-sciences-climatiques?utm_source=newsletter&utm_medium=email&utm_campaign=nl_quotidienne

__________________________________________________________________________________________________________________

Aujourd'hui.

L'article de Svante Arrhenius a eu de l'audience dans les milieux scientifiques mais l'époque n'était pas encore à une large médiation hors de ceux-ci. Ses prédictions d'augmentation de la température ont rapidement été oubliées, Ceci d'autant plus qu'elles annonçait une ère de prospérité. Plus de 3/4 de siècle plus tard, il a fallu des pionniers comme Claude Lorius pour que le sujet revienne à l'ordre du jour.

 

Voir :

Claude Lorius. Un pionnier de l'étude du climat.

______________________________________________________________

Voir aussi :

 

Historique de l'effet de serre

 

Histoire du Carbone et du CO2. De l'origine de la vie au dérèglement climatique.

 

 

Extrait :

 

CO2, fatal ou vital ?

 

« CO2 - Élixir de vie et tueur du climat » est le titre d’une exposition présentée au musée Naturama de Aarau en Suisse à la charnière des années 2012 et 2013.

 

Élixir… le mot est fort. Il a été emprunté à l’arabe médiéval « al iksīr » désignant la liqueur d’immortalité des alchimistes ou la pierre philosophale supposée transformer le plomb en or.

 

Dans une première partie nous choisirons ce côté lumineux de l’histoire.
 

Nous découvrirons la suite de tâtonnements, de réussites et aussi parfois d’échecs, qui a fait prendre conscience de l’existence et du rôle de cet « élixir », le dioxyde de carbone et de ce joyau minéral, le carbone.

 

Tueur de climat. Qui peut encore le nier ? Et qui peut refuser de voir que la dangereuse augmentation du CO2 dans l’atmosphère, loin d’être une malédiction portée par ce gaz, est le résultat de l’emballement d’un monde industriel développé qui gaspille les ressources fossiles accumulées sur la planète au cours de millions d’années et les disperse sous forme d’objets inutiles et de polluants multiples.

 

Élixir ou poison, amour ou désamour… Le carbone et le dioxyde de carbone sont symboliques de cette chimie aux deux visages qui sont aussi ceux de la science en général.