histoire de la radioactivité · histoire de la radioactivité les avancées scientifiques du 19°...

Histoire de la radioactivité

Les avancées scientifiques du 19° siècle Le siècle de l'électricité et de la photographie…

Becquerel : l'expérience fondatrice Où l'expérimentateur est obstiné et ouvre la porte…

La radioactivité vient de l'élément Discuter toutes les hypothèses, analyser les phénomènes… La radioactivité est un phénomène nouveau Toutes les théories sont bouleversées… Structure de l'atome et du noyau : N. Bohr La mécanique classique ne suffit plus : relativité et quanta…

Nantes 22 septembre 2020 Histoire radioactivité (H. Delorme) page 2/46

Les découvertes fondamentales (avant 1939)

Les premiers modèles de la structure atomique : grecs et romains

Les travaux précurseurs : John DALTON et Dimitri MENDELEÏEV

La découverte des rayons X par RÖNTGEN

La découverte de la radioactivité par Henri BECQUEREL

Les premiers compléments au tableau des éléments

L’apport essentiel des chimistes : Pierre et Marie CURIE

L’image de l’atome se précise peu à peu : E. RUTHERFORD et N. BOHR

La relativité et l’énergie de masse… E = mc2 : Albert EINSTEIN

Enfin le neutron vint… et James CHADWICK !


Les premiers modèles de l'atome : grecs et romains

La matière apparaît comme continue et « lisse »… pour l’époque !

DEMOCRITE (IV° siècle avant J-C) avance la première hypothèse de discontinuité

EPICURE (341-270 avant J-C) reprend ce modèle,

LUCRECE (98-55 avant Jésus-Christ) Les atomes sont éternels et immuables…

mais ces associations d’atomes peuvent se faire, et se défaire…


Les travaux précurseurs : John DALTON et Dimitri MENDELEÏEV

Les chimistes du XIX° siècle reprennent la thèse atomistique :

John DALTON : les proportions stœchiométriques.

GAY-LUSSAC : « proportions simples » et reprend les études de nombreux chimistes.

LAVOISIER : les propriétés sont assignées au composé chimique, pas à l'élément.

Dimitri MENDELEÏEV classe les éléments selon leurs propriétés chimiques

Sans le savoir vraiment, il sépare les propriétés associées aux électrons (liaisons chimiques), et les propriétés associées à la masse : le noyau est encore inconnu.


Découvertes essentielles du 19° siècle

Kirschoff et Bunsen découvrent la spectroscopie (1859). Chaque élément excité produit des raies lumineuses caractéristiques : Fraühoffer relève le spectre du soleil. Lockyer y découvre des raies inconnues (Hélium).

Faraday, Millikan, soumettent les ions à des champs magnétiques et électriques pour mesurer les caractéristiques des particules chargées (e/m)…

L'électricité se développe : la bobine de Ruhmkorff fournit des hautes tensions que l'on exploite dans le tube de Crookes pour créer des étincelles et exciter les gaz

On améliore les techniques de vide qui permettent de mieux étudier les rayonnements : éther ou pas éther ? L'optique de Newton est complétée par les expériences de Fresnel : onde ou corpuscule ? Louis de Broglie en fera la synthèse. Planck et Einstein développerons la théorie des quanta de lumière.

Carnot et Maxwell développent les grands principes de la thermodynamique.


La science européenne communique sur ses découvertes

En Angleterre, à Cambridge, le laboratoire CAVENDISH rassemble les plus grands chercheurs en physique : lord Kelvin, Crookes, Maxwell (thermodynamique), Faraday. Les publications sont maintenant bien organisées (Proceedings of the Royal Society, et bientôt Nature) En Allemagne, le Physicalische Technische Reihanstall de Charlotenburg, près de Berlin, concentre les recherches fondamentales en physique et en chimie. Les publications se font par les Annalen des Physik und Chemie. En France, l'Académie des Sciences dirigée par François Arago publie très régulièrement les découvertes, expériences et théories des chercheurs que Napoléon a encouragée par les écoles d'ingénieur et leurs laboratoires : Laplace, Fresnel, Ampère. L'école de mathématique française est très active (Henri Poincaré). La science publie 2000 articles durant l'année 1900 et 120 000 en 1990.


Le mathématicien Henri Poincaré, pionnier de la théorie de la relativité


La découverte des rayons X par RÖNTGEN : le siècle de l’électricité

Les rayons cathodiques émis par un tube de CROOKES interagissent avec les parois en verre et produisent des rayons notés X


On peut mettre en évidence l'effet de ces rayons "X" sur une plaque photographique et constater leur propagation en ligne droite.


Wilhelm RÖNTGEN découvre en 1895 que ces rayons traversent certains matériaux, impressionnent des plaques photos et révèlent les structures internes des objets opaques : ces rayons sont-ils naturels ou artificiels ?

La main de Martha RÖNTGEN (1895)…


La découverte de la radioactivité par Henri BECQUEREL (1896)

Fils et petit fils de chercheurs en physique, Henri BECQUEREL s’intéresse au phénomène de phosphorescence…

La phosphorescence consiste en l’observation d’émission lumineuse de certains minerais naturels exposés à la lumière du soleil… quand il y en a !

L'uranium fournit différents composés chimiques qui ne produisent pas toujours de la phosphorescence visible.

Becquerel dans son laboratoire


Le mathématicien Henri POINCARE, qui travaille déjà sur la relativité, lui suggère d’exposer ces sels au soleil et de vérifier s’ils émettent aussi des rayons X en illuminant une plaque photographique protégée par son papier opaque…

Une plaque, dans un tiroir, à côté d’un échantillon de sels doubles de potassium et d’Uranium l’impressionne sans même que l’échantillon ait été exposé au soleil…

26 février - 1° mars 1896, la curiosité scientifique (et l'obstination) fait le reste…

Nicéphore Niepce (1867) et Sylvanius Thomson avaient déjà constaté ces effets.


Tous les composés de l'uranium produisent des rayons "uraniques"

La plaque photo est dans son papier opaque à la lumière, donc protégée…

Le minerai a été déposé sur le papier, et une croix en cuivre intercalée…

Les rayons émis par les minerais (non exposés à la lumière soleil) donc non excités, ne peuvent pas être associés à la phosphorescence

Ces rayons ne sont pas visibles, ne sont pas produits par une excitation et sont donc d’une autre nature que les rayons X : on parlera de radioactivité

Becquerel reçoit le prix Nobel en 1903


Les premiers compléments au tableau des éléments

Les éléments naturels, toujours classés par leur propriétés chimiques par MENDELEÏEV, sont ainsi progressivement découverts, mais également selon leurs propriétés physiques, comme l’Hélium, dont les raies d’émission lumineuses sont d’abord découvertes en 1814 dans le spectre du soleil par Joseph FRAUNHOFER, avant de le trouver dans des inclusions de roches magmatiques.


L’apport essentiel des chimistes : Pierre et Marie CURIE

Marie SKLODOWSKA-CURIE travaille avec son mari, le professeur Pierre CURIE, sur la chimie des minerais phosphorescents


Pierre Curie et son frère ont travaillé sur la piézoélectricité, le magnétisme des roches (température de Curie) et les symétries dans les minéraux.

Ils ont aussi développé un électromètre à feuille d'or très sensible : 10-11 A !

Le dispositif inclut une chambre d’ionisation, un électromètre à quadrants et un quartz piézoélectrique : on mesure donc "l'activité" en terme d'ionisation.


Ils découvrent que la pechblende de Bohème (oxyde d’uranyle) et la chalcolite (phosphate de cuivre et d’uranyle) sont plus actifs que l’uranium métallique.

Marie CURIE recherche donc des traces d’autres éléments dans ces minerais. Elle découvre alors le Radium (88Ra) comparable au Baryum, et le Polonium (84Po) comparable au Bismuth (avec Eugène DEMARCAY, terres rares).

Dans le même temps, Carl SCHMIDT découvre également la radioactivité des minerais naturels de Thorium. La mesure de la masse atomique du radium est faite sur l'extraction de 0,1g de Ra à partir de 2 tonnes de minerai de Pechblende…

Pierre CURIE et Marie CURIE reçoivent le prix Nobel de physique en 1903 avec BECQUEREL. Marie Curie recevra aussi celui de chimie en 1911 !


Au premier plan l'électromètre, et en arrière un calorimètre : L'énergie produite par le radium peut être mesurée (26/12/1898) Ce que l'on observe est contraire au principe de Carnot !

Extraction de différents éléments chimiques et séparations des composés d'un minerai d'uranium (Pechblende). Successions de solubilisations (acide), de complexations, de séparations et des précipitations très sélectives des éléments : on retrouve des propriétés communes déjà exploitées dans le tableau des éléments de Mendeleïev. On procédera de même pour comprendre la fission de l'uranium en 1932-1934 (Otto Hahn). Ces méthodes, plus élaborées, sont utilisées pour séparer les uraniums ou transuraniens, des produits de fission (procédé PUREX).

Premiers bilans, premières contradictions, premiers paramètres ! "La radioactivité est une propriété qui accompagne l'uranium et le thorium dans tous ses états : c'est une propriété atomique des ces éléments" (Marie Curie, revue générale des sciences, 1900). Lecture page 29… Rutherford arrive de Nouvelle-Zélande au laboratoire Cavendish. Avec J.J. Thomson (découvreur de l'électron), ils étudient les rayons Becquerel et constatent qu'ils sont de deux types : des rayons très pénétrants (et peu ionisants), et des rayons peu pénétrants. En 1899, les rayons pénétrants sont déviés par un champ magnétique et un champ électrique : ils sont comparables à des électrons, mais émis à grande vitesse : β. À Montréal, il étudie les "émanations" du thorium : il constate que l'activité est sensible aux courants d'air ! (Radon) et mesure le temps de demi-vie de cette source à 60 secondes. Le concept de transmutation commence à être admis (6/11/1899), comme l'existence de "familles" radioactives. Les rayons peu pénétrants sont attirés par des charges négatives, il en mesure la masse et la charge : α


En Allemagne, ELSTER et GEITER étudient ces rayonnements dans le vide, et constatent qu'ils ne sont sensibles à aucun paramètre extérieur (chaleur, altitude, pression, etc.). Le français Paul VILLARD recherche les propriétés chimiques des rayons X et les propriétés réductrices des rayons cathodiques. Il constate qu'il y a des rayonnements particuliers à la cathode, qui ne sont pas déviés et découvre ainsi les rayons électromagnétiques gamma (1903).


Rutherford, et son élève Soddy, constate en 1901, que les rayons α sont analogues à des gaz rares (congrès international de physique en 1900) : Avec des aimants puissants, ils mesurent que ces particules sont à grande vitesse (2500 km/s) et plusieurs milliers de fois plus lourdes que les électrons. Soddy consulte Ramsay, spécialiste des gaz rares à Glasgow, pour constater qu'il s'agit d'hélium. Il y a eu désintégration du noyau. Rutherford et Soddy "construisent" les chaînes radioactives.


Mais alors d'où vient toute cette énergie libérée ? L'énergie cinétique produite est bien supérieure à celle des réactions chimiques. Les activités sont variables : quelques millions d'années pour l'uranium et le thorium, 1600 ans pour le radium, très peu pour le radon.

Pierre Curie et Albert Laborde constatent que 1g de radium libère 100 cal/heure et donc que 225g de radium libèrent en 1h comme la combustion d'1g d'hydrogène.


Premiers modèles de l'atome La structure de l'atome est mal connue : les grecs, l'abbé Nollet (1743), Dalton, Cannizzaro, Avogadro, Gay-Lussac considèrent l'atome comme un tout. Philip Lenard (Allemagne) travaille sur l'effet photoélectrique et la vitesse des é Balmer, Rydberg recensent les raies de l'hydrogène excité : premiers "quanta" et en

déduit une loi empirique 𝜆 = 𝐶𝑡𝑒 !!

!!!!! avec des valeurs entières

Ø Modèle de JJ. THOMSON : paquet d'électrons ! mais alors électrons neutres ? Ø Modèle planétaire Jean PERRIN (16/02/1901) : mais oublie le rayonnement… Ø Modèle "saturnien" de Hantaro NAGAOKA = anneaux de Saturne ! Ø Plum-pudding de J.J. Thomson : expérience des aimants flottants de MAYER… Jean PERRIN reprend les calculs de BOLTZMANN et retrouve le rapport 𝑘 = !

ℵ!

Il mesure la taille des atomes par des mesures de viscosité.


L'atome ? Combien d'électrons ? Charles Barkla mesure le nombre d'électrons des atomes légers, par mesure de la diffusion Thomson des rayons X dans les gaz : si l'on prend comme référence l'oxygène, M = 16, c'est la moitié de la valeur de M. Barkla découvre les rayons X secondaires, caractéristiques des éléments excités.

Bragg, père et fils, reçoivent le prix Nobel et font un catalogue de toutes ces mesures avec Max Von Laue. Bragg découvre le "pic de Bragg". On mesure e/m Mais pas encore m.

L'atome est constitué d'un noyau et d'électrons "gravitant" autour Avec Hans Geiger et John Townsend (amplification des signaux faibles), sous la direction de Rutherford, arrivent à compter la masse de ces particules : 2 grâce à un spinthariscope… Rutherford refait l'expérience de Geiger et Marsden de diffusions de ces particules sur une feuille d'or…

Ø 7 mars 1911 : il publie son modèle

avec un noyau central positif

Ø 16 août 1912 : il écrit pour la première fois "nucleus" !

Comment cela peut-il être stable ?

Pourquoi ces aspects "quantiques " ?

D'où vient l'énergie de liaison ?

L'expérience de Rutherford démontre que l'atome est constitué d'un noyau entouré d'électrons. Mais quid du noyau ? et l'énergie que doit rayonner l'électron ?


Nouveau modèle de l'atome, la mécanique quantique

Ernest Rutherford

(1871-1937) Niels Bohr

(1885-1962)


Quantum d'action et quantum de lumière Le rayonnement du corps noir, la loi de WIEN, et Heinrich RUBENS conduisent Max PLANCK à proposer une loi empirique pour justifier les catalogues de mesure des longueurs d'onde des rayonnements.

𝜌 𝜈,𝑇 =8𝜋ℎ𝜈!

𝑐!

1

𝑒!! !" − 1

En ajustant les variables h et k, il retrouve un parfait accord avec les observations de Rubens. L'expérience est faite, il manque la théorie. Il ne s'appuie que sur les quantum de lumière et la thermo statistique


Congrès Solvay de 1927 Auguste Piccard, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, Jules-Émile Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph H. Fowler, Léon Brillouin, Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born, Niels Bohr, Irving Langmuir, Max Planck, Marie Curie, Hendrik Antoon Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles Eugène Guye, Charles Thomson Rees Wilson, Owen Willams Richardson.


1905 – 1912 : la révolution einsteinienne Le rayonnement de lumière se comporte comme des quantum d'énergie et de lumière, de manière discontinue. C'est une véritable révolution. Niels BOHR publie 3 articles au laboratoire Cavendish qui font date (1912) Sur la constitution des atomes et molécules :

Tome 1 : principes Tome 2 : cas des atomes seuls Tome 3 : cas des molécules polyatomiques

Il justifie les discontinuités des rayonnements émis par les espèces excitées, il calcul les sauts de transition entre les niveaux d'énergie, il retrouve et justifie la formule de RYDBERG. Il établie la quantification des moments angulaires.


Expériences Frank et Hertz (1914) : effet photoélectrique inverse

Les électrons sont absorbés sélectivement selon leur énergie cinétique, en raison des niveaux d'énergie et d'un nombre quantique principal Expériences de Zeeman (champ magnétique) et Stark (électrique)

Les expériences montrent des différentiations des niveaux d'énergie et font alors penser à deux autres nombres quantiques. Sommerfeld et Hamilton (mathématicien) reprennent Kepler

Trois nombres quantiques suffisent à définir une orbitale : la taille, la forme et l'orientation dans l'espace. On définit aussi la probabilité qu'un événement se produise. La mécanique classique s'applique à grande échelle, la mécanique quantique à l'échelle atomique : principe de correspondance.


Quatre nombres quantiques pour définir un électron Les expériences de Stern et Gerlach (faisceau d'atomes d'argent dans un champ magnétique) incitent Pauli à exposer son principe d'exclusion : il y a un quatrième nombre quantique, qui serait associé à une rotation de l'électron sur lui-même, le spin. Deux électrons de même spin ne peuvent pas être sur la même orbitale. La relativité le justifierait. Mais… Pour "mesurer" les caractéristiques d'un électron il faut "l'éclairer" avec une onde de longueur d'onde l… elle doit être de même ordre de grandeur que l'objet éclairé, donc de haute énergie… on perturbe alors le système et la mesure ! Le principe d'incertitude d'Heisenberg n'a rien d'incertain, il fixe seulement l'imprécision des mesures recherchées !

Δ𝑥 .Δ𝑝 ≥ ℎ Δ𝐸 .Δ𝑡 ≥ ℎ


Alors d'où vient cette énergie ?

Frederick SODDY (NOBEL de chimie 1921) précise les lois de conservation et les filiations, il ne raisonne que sur les charges et les masses atomiques.

Il découvre l’isotopie grâce au spectromètre de masse conçu vers 1910 par Frédéric ASTON (séparation Ne20 et Ne22) et Jeffrey DEMPSTER, qui recense à l’époque 212 isotopes (on en connaît actuellement plusieurs milliers).

Jeffrey Dempster


1919, RUTHERFORD transmute l'Azote en Oxygène N (α , p) O

Bombardement de particules α chargées Cible contenant de l'azote

Enceinte sous vide

Lame métallique très fine


La relativité et l’énergie de masse… E = mc2 : Albert EINSTEIN

Albert EINSTEIN publie en 1905 une théorie sur le couplage intime de l’espace et du temps, mais surtout une équivalence entre masse et énergie. Cette relation célèbre permettra d’appréhender l’origine de l’énergie nucléaire.

La relativité généralisée viendra plus tard, et ses premiers travaux lui vaudront le prix Nobel en 1923.


Énergie libérée par les réactions nucléaires et les désintégrations Le modèle développé par EINSTEIN et les très nombreuses mesures faites démontrent bien l'existence d'une énergie de liaison associée à un défaut de masse entre les particules initiales et les particules finales. Même RUTHERFORD avance dès 1910 la possibilité de réactions nucléaires dans le soleil pour justifie l'énergie libérée ! Le nombre important d'isotopes radioactifs connus à l'époque, comme les premières "réactions nucléaires" provoquées confirment ce modèle. Mais il reste un GROS point d'interrogation… Le proton est connu (modèle de William PROUT en 1815 !), sa masse aussi (rayons canaux positif en paraboles), mais la masse des noyaux est au moins le double de la masse des protons… d'où vient cet excès ?


1919, RUTHERFORD transmute l'Azote en Oxygène N (α , p) O

Bombardement de particules α chargées Cible contenant de l'azote

Enceinte sous vide

Lame métallique très fine


Le neutron avancé par RUTHERFORD pour expliquer la masse du noyau

A l’époque le modèle du noyau est le suivant : Z électrons gravitent autour d’un noyau de charge Z : l’ensemble est neutre, mais la masse A du noyau est évidemment difficile à comprendre

En 1920, E. RUTHERFORD propose que le noyau soit composé de A protons dont A-Z sont appariés à des électrons de manière à ne laisser qu’une charge Z. Ces paires proton-électron sont des objets neutres, mais il reste difficile de justifier ce double rôle des électrons dans l’atome.

RUTHERFORD avance alors l’idée du « neutron »… un proton neutre.


Et le neutron vint … avec James CHADWICK !

1932 : "naissance" du neutron 9Be (α , n) 12C.

La même année Werner HEISENBERG (prix Nobel de physique 1932 pour ses travaux en mécanique quantique) précise le modèle du noyau neutrons-protons que nous connaissons aujourd’hui. SCHRÖDINGER établit l'équation qui permet de trouver les probabilités de position des électrons dans un atome.


Entretemps, par des bombardements de noyaux légers ou lourds par des particules chargées, on découvrira de nouveaux isotopes artificiels, voire même de nouveaux éléments plus tard (SEABORG et le plutonium).

Irène JOLIOT-CURIE et Frédéric JOLIOT fabriquent en 1934 des isotopes artificiels par bombardement d’aluminium 27 par des particules α. On obtient ainsi un phosphore 30 radioactif (période quelques minutes). Encore un prix NOBEL de chimie en 1935 !


Et ensuite l'aventure nucléaire continue…

Les physiciens disposent donc d'une nouvelle particule : le neutron

Les recherches qui vont alors suivre dès 1934 vont conduire aux applications connues actuellement : énergie et arme

Les conséquences de la radioactivité commencent également à être étudiées

Les premières maladies sont observées par BECQUEREL (brulures, mains)

Des applications médicales sont également découvertes

Il reste encore à étudier les interactions qui régissent ces particules, découvrir (1954) et comprendre les différents neutrinos qui sont évoqués pour justifier les bilans d’énergie des désintégrations β !

histoire de la radioactivité · histoire de la radioactivité les avancées scientifiques du 19°...

Documents