Prof. Paul REUSS: Marie Curie-Skłodowska, une pionnière au tournant d’un nouveau siècle et d’une nouvelle science

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Marie Curie-Skłodowska, une pionnière au tournant d’un nouveau siècle et d’une nouvelle science

Prof. Paul REUSS

Paul Reuss est ancien élève de l’École polytechnique et docteur ès sciences. Il a fait toute sa carrière au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), partageant son temps entre les développements de la neutronique et l’enseignement au sein de l’Institut national des sciences et techniques nucléaires (INSTN). Il est l’auteur de nombreux ouvrages d’enseignement et de vulgarisation de l’énergie nucléaire.

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La science du XXe siècle aura été dominée par deux grandes théories, la relativité et la physique quantique. Depuis plusieurs décennies déjà, de nombreux spécialistes recherchent LA théorie qui les unirait harmonieusement mais, jusqu’à aujourd’hui, sans réel succès. Peut-être qu’une nouvelle « Marie Curie » nous mettra-t-elle sur la voie… – ecrit Pr. Paul REUSS

.Il y a juste un siècle et demi, le 7 novembre 1867 à Varsovie, naissait Maria Salomea Sklodowska qui deviendra plus connue sous le nom de Marie Curie. Elle apporta une contribution essentielle à la physique nucléaire. Ses travaux furent deux fois couronnés par le prix Nobel, d’abord en physique, partagé avec Henri Becquerel, en 1903 pour ses recherches sur les radiations, puis en chimie en 1911 pour ses travaux sur le polonium et le radium. Pour une femme de son époque sa carrière fut donc exceptionnelle. Marie Curie restera active jusqu’à son décès le 4 juillet 1934.

Sa contribution aux recherches sur la structure intime de la matière marqua un jalon essentiel dans cette longue histoire qui préoccupait déjà les penseurs de l’Antiquité. Notamment cette question : la matière est-elle indéfiniment divisible comme le laisse penser, par exemple, l’eau qui a une apparence parfaitement continue ?

Aristote (384-322 av. J.-C.), par exemple, pensait que oui. Mais déjà un siècle plus tôt, Démocrite (vers 460-vers 370 av. J.-C.) affirmait que la matière est formée d’objets élémentaires qu’il appelle « atomes », ce qui signifie insécables ; ces atomes s’associent de façons variées selon les matériaux, ce qui explique les apparences diverses de la matière. Bien sûr, les moyens de l’époque ne permettaient pas de trancher et de confirmer cette intuition qui qu’avèrera correcte.

La controverse perdurera deux millénaires, sans guère avancer. Il faudra attendre les travaux des chimistes des XVIIIe et XIXe siècles pour que soient apportés des arguments sérieux en faveur de la thèse atomiste. Le fait que des rapports simples apparaissent dans les réactions chimiques – par exemple, il faut combiner deux volumes d’hydrogène avec un volume d’oxygène pour former de l’eau – suggère la combinaison de particules (dans le langage d’aujourd’hui, deux atomes d’hydrogène avec un atome d’oxygène pour former H2O). Ainsi John Dalton (1766-1844), fervent partisan de la théorie atomiste, se fondait sur ce type d’argument. La classification périodique des éléments établie par Dmitri Ivanovitch Mendeleïev (1834-1907) s’explique bien par l’hypothèse de différents types d’atomes. De même, Ludwig Boltzmann (1844-1906), à l’origine de la théorie statistique qui explique les lois de la thermodynamique, fut un artisan de la théorie atomiste. L’étude des rayons cathodiques montre aussi une structure discontinue (il s’agit de faisceaux d’électrons) ; elle sera à l’origine de la découverte des rayons X par Wilhelm Röntgen (1845-1923). Mais jusqu’au début du XXe siècle, des savants illustres s’opposèrent à cette théorie, par exemple Marcellin Berthelot (1827-1907) ou Ernst Mach (1838-1916).

Le 1er mars 1896, Henri Becquerel (1852-1908), qui s’intéressait à la fluorescence des sels d’uranium, eut une intuition étonnante : développer une plaque photographique sur laquelle il s’attendait à ne rien trouver faute de soleil ce jour-là pour induire la fluorescence. Mais cette plaque montrait une nette tache où apparaissait en négatif le contour de la petite croix de Malte métallique qui avait été placée entre le sel d’uranium et la plaque. Cela fut à l’origine de la découverte d’un phénomène alors totalement inconnu, la radioactivité.

L’année précédente, Pierre Curie (1859-1906) a épousé sa jeune étudiante venue de Pologne, Marie. Celle-ci termine ses études. En 1897, elle souhaite entreprendre une thèse. Pierre, un physicien connu pour ses travaux, sur la piézo-électricité notamment, lui suggère de s’intéresser aux radiations que vient de découvrir Becquerel. Le sujet est si passionnant que bientôt Pierre lui-même abandonnera ses recherches en cours pour se consacrer à l’étude de la radioactivité. En effet, Marie a mesuré les rayonnements émis par différents minerais d’uranium – pechblende, chalcolite… – et constaté que l’intensité des radiations émises par ces matériaux est nettement plus forte que celle de l’uranium qu’on peut en extraire. C’est dire que d’autres éléments radioactifs y sont également présents. Ainsi, après de difficiles analyses, Marie découvre, en 1898, deux éléments inconnus qu’elle va appeler « polonium » en hommage à son pays d’origine et « radium » en référence aux radiations émises.

Si elle fut au début pionnière pour ces travaux, la recherche des éléments radioactifs et l’étude des interactions des rayonnements avec la matière va bientôt intéresser de nombreux physiciens et chimistes des différents pays. Avant de les évoquer, disons un mot d’Albert Einstein (1879-1955) qui ne fut pas à proprement parler un physicien nucléaire mais qui en 1905 démontra sa fameuse équation E=mc2. Comme la célérité c de la lumière est très grande – et a fortiori c2 – cette formule montre qu’un corps radioactif peut émettre une quantité gigantesque d’énergie E et cela pendant de nombreuses années, ainsi qu’on l’a constaté, sans perdre une quantité de masse m significative.

.Il n’est pas possible de citer ici tous les acteurs de cette épopée extrêmement vivante. Bien avant Internet, la communauté des savants échangeait de nombreuses idées grâce au courrier qui fonctionnait très bien et grâce à des réunions telles les rencontres de Solvay. Limitons-nous donc à quelques noms des acteurs des découvertes qui s’enchaînèrent rapidement.

Même si quelques-uns sont encore réticents, l’existence des atomes s’impose. Jean Perrin (1870-1942), dans un livre fameux paru en 1913 et intitulé « Les atomes », récapitule les diverses expériences qui la prouvent et les mesures du nombre d’Avogadro permettant de calculer leur masse et leur taille. Pour fixer les idées, disons que si l’on grossissait ce « O » pour le rendre aussi grand que Paris, les atomes auraient à peu près la taille du « O ».

La question qui se pose maintenant est celle de la structure des atomes constituant les différents éléments qu’ont mis en évidence les chimistes. On sait qu’un atome a une masse. On sait qu’il contient des électrons, particules des milliers de fois plus légères qu’un atome et porteuses d’électricité négative (ces électrons s’échappent par exemple du filament d’une ampoule et forment des rayons cathodiques) et on en déduit que l’atome contient aussi de l’électricité positive, puisque globalement il est neutre.

En 1904, Joseph John Thompson (1856-1940) propose le modèle du plum pudding où les électrons sont des grains dispersés comme les prunes dans une masse – le pudding – chargée d’électricité positive.

Mais dès 1911, une expérience menée par Ernest Rutherford (1871-1937) montre que cette vision de l’atome est totalement fausse. L’expérience consiste à bombarder une mince feuille d’or par des particules a (alpha) émises par un élément radioactif et à examiner comment sont déviées ces particules ; la réponse est claire : presque toutes les particules traversent l’atome comme s’il était vide et quelques-unes sont fortement déviées, voire même renvoyées vers l’arrière, par de minuscules « noyaux durs ». De là, émergera le modèle de « l’atome système solaire » : au centre, le noyau, minuscule, mais contenant presque toute la masse de l’atome et chargé d’électricité positive ; autour un très léger « nuage » d’électrons tournant autour comme les planètes autour du Soleil. En somme, l’atome apparait comme quelque chose de presque vide. Si nous reprenions notre atome gros comme un « O » et que zoomions à nouveau pour l’amener à être aussi grand que la cathédrale Notre-Dame de Paris, le noyau aurait la taille du « O » et le reste serait vide, hormis les quelques légers électrons. Comme ce minuscule noyau contient pratiquement toute la masse, il est extraordinairement dense !

Les différents éléments de la table de Mendeleïev, de l’hydrogène à l’uranium, s’expliquaient ainsi par le nombre d’électrons autour du noyau (numéro atomique, noté Z) de 1 à 92.

Niels Bohr (1885-1962) fit tout de suite remarquer que ce modèle avait un gros défaut. Par un effet bien connu, dit de rayonnement de freinage, les électrons chargés d’électricité (contrairement aux planètes) devraient rapidement perdre de l’énergie et tomber sur le noyau. Or ce n’est pas le cas d’un atome qui peut durer éternellement. Pour y remédier, Bohr proposa d’appliquer de nouvelles règles pour la mécanique à ce niveau microscopique. Cela fut à l’origine du développement d’une vision du monde entièrement nouvelle, la théorie quantique, le premier pilier de toute la physique du XXe siècle. L’autre pilier sera la théorie de la relativité restreinte (1905), puis celle de la relativité généralisée (1915) énoncées par Albert Einstein et s’appliquant aux phénomènes impliquant de grandes vitesses, à la physique de l’Univers et à la cosmologie.

Pendant ces années, Marie Curie se consacra à l’enseignement après le décès brutal de son mari en 1906 et poursuivit ses recherches sur la radioactivité au sein de l’Institut du radium. Elle eut de sérieux problèmes de santé certainement dus aux effets des irradiations radioactives sous-estimés à cette époque mais bien connus aujourd’hui.

Il fallut de longues années pour établir la structure du noyau atomique. On s’accordait sur le fait qu’il contenait des particules lourdes et chargées d’électricité positive, appelées protons, car cela expliquait bien les masses des atomes, donc des noyaux, toujours proches de multiples entiers de la masse d’un atome d’hydrogène. Mais ce multiple, dit nombre de masse et noté A, est (sauf pour l’hydrogène) plus grand que le numéro atomique Z. Une première hypothèse, pour expliquer ces deux nombres entiers était celle d’un noyau constitué de A protons et de A-Z électrons, entouré du nuage de Z électrons ; cette hypothèse est « économique  – deux particules seulement sont nécessaires pour former la matière –, mais on comprend mal comment les électrons peuvent jouer deux rôles aussi différents. L’autre hypothèse ajoute une troisième particule, le neutron, de masse similaire à celle du proton mais sans charge électrique : le noyau est alors formé de Z protons et A-Z neutrons. Cette seconde hypothèse s’avèrera exacte lorsque qu’en 1932 James Chadwick (1891-1974) réalisa une expérience où le neutron fut mis en évidence.

Entre temps, la fille Irène (1897-1956) de Pierre et Marie Curie s’était elle aussi lancée dans la recherche en physique nucléaire. Elle épousa Frédéric Joliot (1900-1958) en 1926 et ils travaillèrent ensemble sur ces thèmes. S’ils passèrent à côté de la découverte du neutron, ils eurent le mérite de mettre en évidence, en 1934, la première radioactivité artificielle. On avait déjà découvert plusieurs dizaines de radionucléides naturels et par la suite on créera des radionucléides artificiels par milliers. Il n’y a pas de différence fondamentale entre ces deux catégories de radioactivité.

Nous venons d’évoquer les recherches au Royaume-Uni (Thompson, Rutherford, Chadwick) et en France (les Curie, Joliot). Tout aussi actifs étaient les laboratoires italien, germanique ou américain. A Rome, Enrico Fermi (1901-1954) étudiait les réactions induites par neutron, conduisant souvent à une radioactivité b (bêta). Arrivé à l’uranium, il n’arriva pas, contrairement aux autres éléments, à débrouiller la situation Il fallut quatre ans pour résoudre l’énigme : en 1938, à Berlin, Otto Hahn (1879-1968) mit en évidence du baryum dans les produits de la réaction et son associée Lise Meitner (1878-1968) qui venait de quitter leur laboratoire (elle était juive) expliqua le phénomène : la fission, c’est-à-dire la rupture du noyau d’uranium après absorption du neutron en deux fragments de masses similaires.

Informé de cette découverte, Frédéric Joliot reprit l’expérience et montra qu’outre les deux fragments de fission quelques neutrons étaient aussi émis à l’état libre. Cela permettait de concevoir une réaction en chaîne de fissions, chaque fission émettant des neutrons et chaque neutron pouvant induire une nouvelle fission. Cela pourrait conduire à une libération considérable d’énergie car l’expérience, confirmée par les calculs de Lise Meitner, montrait que la fission libère aussi une quantité formidable d’énergie. L’idée fut brevetée par Joliot et ses collaborateurs mais ces brevets restèrent méconnus car la France fut alors envahie et les recherches sur ce thème cessèrent.

Cependant elles se poursuivirent activement en Angleterre, au Canada et surtout aux États-Unis. Enrico Fermi alors émigré à Chicago (sa femme était juive) réalisa la première réaction en chaîne de fissions, le 2 décembre 1942. Celle « pile » modeste fut suivie des puissants réacteurs de Hanford qui fournirent le plutonium de l’explosion expérimentale d’Alamogordo (16 juillet 1945) et de la bombe de Nagasaki (9 août 1945). (L’uranium est la seule matière fissile naturelle : elle fut utilisée pour la bombe d’Hiroshima le 6 aout 1945 ; le plutonium est une matière fissile artificielle, sous-produit de la réaction en chaîne.)

Dès la fin de la guerre, de nombreux pays industriels développèrent les applications civiles de l’énergie nucléaire. Aujourd’hui on compte près de 400 réacteurs électrogènes et autant de réacteurs de recherche. En France, les trois quarts de l’électricité sont produits par des réacteurs nucléaires. Cette source d’énergie n’est pas soumise à l’intermittence du soleil ou du vent, elle a un coût raisonnable et elle n’a pas d’impact sur l’environnement.

.Pour revenir à la science fondamentale, notons qu’au cours du XXe siècle on développa les accélérateurs de particules qui permettent de provoquer des réactions à beaucoup plus haute énergie que les radiations radioactives. Cela est intéressant, en effet, car selon les lois de physique quantique, plus l’énergie d’un projectile est élevée, plus fins sont les détails qu’il permet de déceler. Ainsi beaucoup des recherches se sont déplacées à une niveau plus fin, de la physique nucléaire vers la physique des particules.

La science du XXe siècle aura été dominée par deux grandes théories, la relativité et la physique quantique. Depuis plusieurs décennies déjà, de nombreux spécialistes recherchent LA théorie qui les unirait harmonieusement mais, jusqu’à aujourd’hui, sans réel succès. Peut-être qu’une nouvelle « Marie Curie » nous mettra-t-elle sur la voie…

Paul Reuss

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