La découverte de la fission nucléaire

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Confusions et nationalisme chimique

La compétition internationale faisait rage pour la découverte de nouveaux éléments chimiques, aussi bien les « trous » du tableau périodique comme les éléments 43, 85 et 87 que les transuraniens. Le nationalisme fervent de nombreux physiciens et chimistes conduisit à une floraison de noms évoquant le pays ou la région de leurs découvreurs. Ce n’était pas nouveau: en 1875 Lecoq de Boisbaudran avait baptisé gallium l’élément 31 qu’il avait découvert, en l’honneur de la France (Gallia, mais gallus désigne le coq, et il s’appelait Lecoq), le Suédois Nilson répliqua en 1879 avec le scandium (élément 21) et l’Allemand Winckler en 1886 avec le germanium (élément 32) en l’honneur de l’Allemagne (Germania). En 1898 les Curie avaient baptisé polonium l’élément 84, et en 1907 le chimiste français (né et mort à Paris) Georges Urbain avait baptisé l’élément 71 lutetium. Pendant la Guerre Froide, aux americium (Z=95), berkélium (Z=97) et californium (Z=98) de l’équipe américaine de Glenn T. Seaborg à Berkeley répondit le dubnium (Z=105) de l’équipe soviétique de Flerov au Centre nucléaire de Dubna. Les Américains et les Européens tentèrent d’imposer le nom de hahnium ou nielsbohrium à cet élément 105, puis le nom joliotium (initialement proposé par les Soviétiques pour l’élément 102, finalement nobelium). La controverse ne fut résolue qu’en 1997, au profit du nom originel de dubnium.

L’histoire de la découverte de l’élément Z=43 est également étonnante par le nombre de chimistes qui en ont tour à tour annoncé la découverte : d’où les noms successifs de polinium, ilmenium, pelopium, davyum, lucium, nipponium, puis masurium, avant d’être aujourd’hui le technétium, nom donné en 1937 par Segrè à l’élément qu’il avait isolé dans un échantillon de molybdène (Z=42) irradié au cyclotron de Berkeley.

L’élément 85 devait être, d’après sa position dans le tableau périodique, un halogène comme le chlore ou le fluor. Sa découverte de fut annoncée plusieurs fois: en 1931 à l’Institut polytechnique d’Alabama par Fred Allison, qui le nomma alabamine, en 1937 à Dacca par le chimiste indien Rajendralal De, qui le nomma dakin, en 1940 à Berne en Suisse par Walter Minder qui le baptisa helvétium, mais aucun de ces résultats ne put être reproduit. L’élément 85 fut finalement annoncé en 1940 à Berkeley par Segrè, Corson et Mackenzie qui le nommèrent astate (en anglais astatine avec la terminaison -ine des halogènes: fluorine, chlorine, bromine et iodine).

La découverte de l’élément 87, qui devait être un métal alcalin comme le sodium ou le potassium, fut elle aussi annoncée à plusieurs reprises. En 1925, le chimiste russe D. K. Dobroserdov annonça la découverte du russium dans un échantillon de potassium. En 1926, les chimistes anglais Gerald J. F. Druce et Frederick H. Loring annoncèrent celle de l’alkalinium. En 1930, à l’Institut polytechnique d’Alabama, Fred Allison le nomma virginium (la Virginie était son état d’origine). En 1936, le physicien roumain Horia Hulubei (1896-1972) annonça à Paris avec Yvette Cauchois (1908-1999) la découverte du moldavium, nommé « en l’honneur de la Moldavie, province roumaine, marche avancée vers l’Est de la latinité », et région natale d’Hulubei. Dans tous ces cas, les identifications se révélèrent erronées. Finalement, l’élément 87 fut réellement identifié en 1939 par Marguerite Perey à l’Institut du Radium de Paris dans la rare transmutation alpha de l’actinium 227 (Z=89), et baptisé temporairement actinium-K. Perey suggéra en 1946 le nom catium (à partir de cation) mais Irène Curie lui conseilla plutôt francium, qui est resté.

Du côté des transuraniens, plusieurs physiciens et chimistes pensèrent qu’il en existait peut-être déjà sur Terre mais en quantité trop faible pour avoir été identifiés. En 1934, immédiatement après l’annonce de Fermi, l’ingénieur tchèque Odolen Koblic annonça avoir découvert l’élément 93 dans la pechblende de Joachimstahl (Jàchymov) et il le baptisa bohemium. Ida Noddack réfuta cette découverte dans le même article où elle critiquait celle de Fermi. En 1938, Hulubei et Cauchois annoncèrent eux aussi la découverte de l’élément 93 dans des minerais de Madagascar, et lui donnèrent le nom de sequanum:

Nous aimerions que, si l’existence de cet élément 93 est confirmée, on le nommât Sequanium (Sq), en l’hommage à la vaillante et généreuse civilisation qui a fleuri sur les bordes de la Seine.

Yvette Cauchois (1908-1999) était bien sûr parisienne.

À Berlin: Lise Meitner et Otto Hahn

La situation expérimentale se compliquait très vite du côté des transuraniens. Plusieurs équipes reproduisirent les expériences faites à Rome sur le bombardement neutronique de l’uranium (et du thorium), en particulier Irène Curie à l’Institut du Radium de Paris, et Lise Meitner et Otto Hahn au Kaiser Wilhelm Institut für Chemie de Berlin. La confusion ne cessa de croître au fur et à mesure qu’apparaissaient des dizaines d’éléments radioactifs différents résultant de ces bombardements. Les résultats semblaient difficilement reproductibles, ils différaient d’un laboratoire à l’autre, et il fallut des années pour dénouer cet écheveau. La situation s’éclaircit avec la découverte de la fission à la fin de l’année 1938, mais Fermi demeura profondément mortifié d’avoir manqué cette découverte majeure. Le groupe de Rome ne joua pas un grand rôle dans la résolution de ce problème des transuraniens, d’abord parce qu’ils n’avaient pas les compétences pointues en radiochimie que possédaient les autres équipes, ensuite parce que l’équipe avait commencé à se disperser, et surtout parce qu’elle avait fait une autre découverte cruciale, l’effet des neutrons lents, sur laquelle elle avait consacré ses efforts.

Hahn et Meitner en 1920 dans leur laboratoire au Kaiser Wilhelm Institut
Hahn et Meitner en 1920 dans leur laboratoire au Kaiser Wilhelm Institut

Lise Meitner (1878-1968) collabora trente ans avec Otto Hahn (1879-1968). Sa connaissance poussée de la physique et des mathématiques était complétée par la maîtrise de la chimie que possédaient Hahn. Ils découvrirent ensemble le protactinium en 1918, Lise fut la première femme professeur en Allemagne en 1926.

Le Kaiser Wilhelm Institut für Chemie (KWI-C) à Berlin-Dalhem, aujourd’hui Institut Otto Hahn, où fut découverte la fission
Le Kaiser Wilhelm Institut für Chemie (KWI-C) à Berlin-Dalhem, aujourd’hui Institut Otto Hahn, où fut découverte la fission
Fritz Strassmann
Fritz Strassmann (1902-1980)

Fin 1934, stimulés par les résultats impressionnants du groupe de Fermi avec les neutrons, Hahn et Meitner reprirent leur ancienne collaboration et à partir de 1935, ils reçurent l’appui du jeune chimiste Fritz Strassmann. Les durées de vie données par l’équipe de Fermi, 13 et 90 mn, furent révisées à 16 mn et 59 mn. Mais surtout ils observèrent plus d’une dizaine de transmutations bêta, de périodes très variées, qui semblaient s’enchaîner en cascades. Ils se lancèrent dans un effort systématique pour désenchevêtrer l’écheveau des différentes substances produites par activation neutronique de l’uranium (pour utiliser un vocabulaire plus moderne). Ils les identifièrent comme différents isotopes de l’uranium et des éléments suivants, de Z=93 à Z=97.

Les transuraniens, tels qu'on les situait en 1935
Les transuraniens, tels qu’on les situait en 1935

Les propriétés chimiques des transuraniens étaient alors très hypothétiques, et elles se révéleront plus tard être assez différentes de ce que l’on pensait à cette époque. La physicienne Meitner était perplexe devant ce foisonnement de noyaux difficiles à classer de façon ordonnée, mais le chimiste Hahn était plus sûr de lui et de ses méthodes éprouvées par 30 ans d’efforts. Ils finirent par conclure que les neutrons produisaient trois isotopes différents de l’uranium, ayant chacun leur propre cascade de transmutations allant jusqu’à l’élément Z=97 :

  • 92U + n → 92U(23 mn) → 93Ek-Re (?)
  • 92U + n → 92U(10 s) → 93Ek-Re(2.2 mn) → 94Ek-Os(59 mn) → 95Ek-Ir(66 h) → 96Ek-Pt(3.5 h) → 97Ek-Au (?)
  • 92U + n → 92U(40 s) → 93Ek-Re(16 mn) → 94Ek-Os(5.7 h) →95Ek-Ir(?)

Meitner, Hahn et Strassmann purent montrer chimiquement que l’élément de durée de vie 23 mn était bien un isotope de l’uranium : il s’agit effectivement de l’uranium 239. Comme il subissait une transmutation bêta, le résultat devait nécessairement être l’élément Z=93, mais ils ne parvinrent pas à détecter cet éka-rhénium (ce n’est qu’en 1940 que McMillan et Abelson identifièrent l’élément 93 et le baptisèrent neptunium, parce que Neptune est la planète située après Uranus). Ils notèrent cependant qu’il n’était produit que par des neutrons lents (de quelques dizaines d’électron-volts) et conclurent à une absorption résonante. Quand l’existence des isotopes 233 et 235 de l’uranium fut découverte, ils montrèrent que c’était l’isotope 238, le plus abondant, qui en était responsable (dans le cas contraire, la probabilité d’absorption aurait dépassé les limites théoriques).

Les corps de périodes 10 s et 40 s disparaissaient trop vite pour qu’il puisse être démontré de façon convaincante qu’il s’agissait bien d’uranium. Mais ils étaient indiscutablement produits avant les corps de période plus longue, qui étaient donc leurs descendants β, et le comportement chimique de ceux-ci était apparemment compatible avec leur attribution aux analogues du rhénium, de l’osmium, et de l’iridium. Il était donc plausible qu’il s’agissait bien de deux variantes de l’élément 92. Par contre, ceux-ci étaient aussi bien produits par des neutrons rapides (énergie de l’ordre du MeV) que par des neutrons thermiques (énergie inférieure à l’électron-volt) mais pas par des neutrons lents (une dizaine d’électrons-volts), et ces deux corps étaient apparemment produits en quantité équivalente, quelle que soit l’énergie des neutrons.

Il semblait donc plausible qu’il s’agisse d’éléments transuraniens, validant l’identification des parents comme de l’uranium. Ils pensaient donc avoir affaire à 3 isotopes du même uranium 239, ce qu’on appelle des isomères (noyaux ayant le même nombre de protons et aussi le même nombre de neutrons, mais d’énergie différente). Mais pourquoi ces isomères de l’uranium 239 ne cascadaient-ils pas vers le plus stable par émission de gammas, comme tous les autres isomères connus ?

Cette « isomérie ternaire » persistait dans les produits de transmutation

  • 92U + n → 92U(23 mn) → 93Ek-Re (?) → ? → ?
  • 92U + n → 92U(10 s) → 93Ek-Re(2.2 mn) → 94Ek-Os(59 mn) → 95Ek-Ir(66 h)
  • 92U + n → 92U(40 s) → 93Ek-Re(16 mn) → 94Ek-Os(5.7 h) → 95Ek-Ir(?)

La situation était extrêmement confuse. Pourquoi l’uranium 238, un noyau quasiment stable (avec une demi-vie de 4.5 milliards d’années) devenait-il tellement instable par l’addition d’un seul neutron qu’il fallait jusqu’à cinq transmutations β successives pour arriver à une quasi stabilité ? La présence d’éléments chimiquement proches du baryum (du radium sans doute) et du lanthane (de l’actinium?), se mêlant aux «transuraniens», rendait l’ensemble très complexe. Il semblait y avoir deux transmutations α successives (U → Ra ~ Ba) suivies de transmutations β (Ra → Ac ~ La).

Restait aussi à comprendre pourquoi deux des trois isomères supposés de l’uranium 239 étaient uniquement produits par des neutrons rapides ou par des neutrons thermiques, et le troisième uniquement par des neutrons lents. Restait aussi à comprendre pourquoi ils ne cascadaient pas simplement de l’un à l’autre par émission d’un gamma, comme le font normalement les isomères. Restait enfin à comprendre pourquoi cette isomérie triple se transmettait aux corps obtenus par transmutation bêta.

L’équipe de Berlin effectua également des expériences de bombardement du thorium (Z=90) avec des neutrons, et les résultats étaient tout aussi troublants. L’une des motivations de ces expériences était de produire des substances appartenant à la chaîne de transmutations 4n+1 alors inconnue. On connaissait depuis près de 40 ans la chaîne dite « du thorium » dont les éléments avaient pour masse atomique A un multiple de 4 (A=4n), la chaîne « de l’uranium » dont les éléments étaient tous de la forme A=4n+2 et la chaîne « de l’actinium » A=4n+3. Elles résultent du fait que les transmutations alpha diminuent A de 4 unités et que les transmutations bêta ne changent pas A. La capture d’un neutron par le thorium 232 (le seul isotope du thorium naturellement présent) devait produire du thorium 233, membre de la famille manquante A=4n+1. Hahn et Meitner observèrent plusieurs périodes radioactives, de demi-vies 1 mn, 11 mn et 30 mn. Seule cette dernière paraissait avoir le comportement chimique du thorium, et son abondance augmentait en utilisant des neutrons ralentis par la paraffine. Elle fut donc considérée comme du thorium 233. Hahn et Meitner estimèrent que la substance de 11 mn résultait de la transmutation bêta de celle de 1 mn, qu’ils attribuèrent à un nouvel isotope du radium, le radium 229, produit par expulsion d’un alpha du thorium 233. La « 11 mn » serait alors de l’actinium 229. Ces isotopes existent bien, mais ils n’ont pas du tout ces demi-vies : elles sont de 4 mn pour le radium 229 et de 62 mn pour l’actinium 229. Le thorium 233, lui, a bien une demi-vie de 22.3 mn. Hahn et Meitner remarquèrent également que ces éléments n’apparaissaient qu’avec des neutrons rapides.

À Paris: Irène Curie et Paul Savich

Irène Curie (biographie de Chouchan)
Irène Curie (biographie de Chouchan)

De leur côté, Irène Curie et ses collaborateurs refirent à Paris les expériences de Rome et de Berlin, en bombardant du thorium et de l’uranium avec des neutrons.

Curie, von Halban et Presweick trouvèrent en 1935 cinq périodes radioactives après le bombardement du thorium : 1 mn, 2.5 mn, 12 mn, 25 mn et 3.5 h. L’élément de période 25 mn avait le comportement chimique du thorium, et ils l’identifièrent au thorium 233 en accord avec Hahn et Meitner. L’élément de période 2.5 mn (qu’Hahn et Meitner ne voyaient pas) se comportait comme du protactinium (Z=91) et ils le considérèrent comme du protactinium 233 résultant de la transmutation bêta du thorium 233 (en réalité le protactinium 233 a une demi-vie de 27 jours). La substance de période 1 mn se comportait chimiquement comme du baryum et ils l’attribuèrent donc à un isotope inconnu du radium, comme Hahn et Meitner. L’élément de période 12 mn (11 mn pour Berlin) suivait le lanthane comme celui de période 3.5 h (resté connu sous le nom de R3.5h), et ils furent par conséquent tous deux attribués à l’actinium (Z=89). Mais pour eux, c’est l’élément R3.5h qui résultait de la transmutation bêta du « radium 1 mn ». Mais Berlin n’observa pas cet élément R3.5h et ce fut le début d’une pénible controverse.

Irène Curie et Frédéric Joliot dans leur laboratoire en 1932
Irène Curie et Frédéric Joliot dans leur laboratoire en 1932

Au cours de l’été 1937, Irène Curie et Paul Savitch (un post-doc yougoslave) obtinrent avec l’uranium des radioéléments de durée de vie 40 s, 2 mn, 16 mn et, à nouveau, 3.5 h. Les trois premiers correspondaient à peu près à ceux de Berlin, mais le dernier les intrigua beaucoup, parce qu’ils ne parvenaient pas à le placer dans le tableau élaboré à Berlin. Chimiquement, il n’était pas facile à identifier et son comportement sembla d’abord analogue à celui du thorium (Z=90). Mais pour obtenir du thorium par irradiation neutronique de l’uranium, il aurait fallu qu’un neutron de faible énergie éjecte une particule alpha du noyau d’uranium, ce qui paraissait invraisemblable.

La place du lanthane et des lanthanides dans le tableau périodique
La place du lanthane et des lanthanides dans le tableau périodique

En mars 1938 ils penchèrent plutôt pour un isotope de l’actinium (Z=89) car, dans la méthode des porteurs, il était entraîné par le lanthane (Z=57), élément situé dans la même colonne du tableau périodique.

Mais la réaction nucléaire correspondante, permettant de passer de Z=92 à Z=89 était encore plus difficile à expliquer que celle qui aurait donné naissance au thorium Z=90. En mai, Curie et Savitch écrivirent un article où ils concluaient

que cette substance ne peut être qu’un élément transuranien dont les propriétés diffèrent grandement de celles des autres éléments transuraniens connus

Ils tentèrent différentes façons de la placer dans le tableau des «transuraniens». Mais leurs propositions parurent invraisemblables à Meitner et Hahn. Celui-ci, rencontrant Joliot à cette époque lors d’une conférence, lui demanda même de raisonner Irène.

En juillet 1938 Curie et Savitch annoncèrent qu’ils ne parvenaient pas à séparer du lanthane leur élément de demi-vie 3.5h.

Dans l’ensemble, les propriétés de R3.5h sont celles du lanthane, dont il semble jusqu’ici qu’on ne puisse le séparer que par le fractionnement.

Lise Meitner en 1937 à Berlin
Lise Meitner en 1937 à Berlin

Avec le recul, nous savons que R3.5h ne peut effectivement pas être chimiquement séparé du lanthane 139, parce que R3.5h est du lanthane, mais du lanthane 141 (dont la demi-vie est en fait plus proche de 4 h). Le groupe de Berlin ne voyait toujours pas cet élément dans leurs produits d’irradiation et ils jugèrent qu’il n’était qu’un artefact dû à la médiocrité de la chimie à Paris : par dérision, ils le baptisèrent « curiosum » Pour eux, si jamais il existait vraiment, il devait s’agir d’un isotope du radium, et ils demandèrent à Paris de rétracter leurs affirmations.

En mars 1938, l’Allemagne nazie annexa l’Autriche, la patrie de Lise Meitner. Du coup, les lois antijuives allemandes s’appliquèrent à elle, et elle perdit son poste de directrice du Département de physique nucléaire au KWI für Chemie. Lise Meitner parvint à fuir, le 17 juillet, vers la Suède, où Manne Siegbahn (prix Nobel de physique en 1924 pour ses travaux sur la spectroscopie des rayons X) lui concéda un bureau sous la pression — insistante — de Niels Bohr. Elle demeura en correspondance régulière avec Hahn et Strassmann, et pour régler la controverse avec Irène Curie, elle leur demanda d’en reproduire soigneusement l’expérience à l’automne 1938. C’est ainsi que Hahn et Strassmann finirent par conclure à la production réelle de baryum et de lanthane par le bombardement neutronique de thorium et d’uranium, et que Meitner et son neveu Otto Frisch comprirent que le choc du neutron brisait le noyau en deux fragments: la fission nucléaire.

Annexion de l’Autriche par l’Allemagne, le 12 mars 1938
Annexion de l’Autriche par l’Allemagne, le 12 mars 1938

La découverte de la fission

Hahn et Strassmann

En novembre 1938, Hahn et Strassmann répétèrent donc avec un soin extrême l’irradiation de l’uranium avec des neutrons, et ils identifièrent 16 demi-vies radioactives différentes (dont une de 2.5h plutôt que de 3.5 h). Logiquement, cela devait correspondre à différents isotopes de l’uranium lui-même, à d’éventuels transuraniens, et aux résultats de transmutations alpha ou bêta aboutissant sans doute à des isotopes non identifiés du thorium, de l’actinium ou du radium. Restait à séparer chimiquement les différents constituants avec le plus grand soin.

La table de travail d’Otto Hahn en 1938 ©Hulton Archives. Au premier plan, de gauche à droite, un compteur numérique, un amplificateur et un compteur Geiger, au second plan une batterie (d’autres sous la table) et à droite une source de neutrons entouré de paraffine.
La table de travail d’Otto Hahn en 1938 ©Hulton Archives. Au premier plan, de gauche à droite, un compteur numérique, un amplificateur et un compteur Geiger, au second plan une batterie (d’autres sous la table) et à droite une source de neutrons entouré de paraffine.
La même, reconstituée au Deutsche Museum ©Wikimedia Commons
La même, reconstituée au Deutsche Museum ©Wikimedia Commons

Leur procédure était très logique et très éprouvée. Ils utilisaient le lanthane (Z=57) pour isoler et entraîner les éléments au comportement analogue aux terres rares (lanthanides), comme l’actinium, et le baryum (Z=56) pour entraîner les alcalino-terreux, comme le radium (ou le calcium, le magnésium…). Puis ils séparaient par cristallisation fractionnée l’élément recherché de l’entraîneur, l’élément le plus lourd cristallisant un peu plus vite que le plus léger. C’est la technique qu’avait employé quarante ans plus tôt Marie Curie pour découvrir le radium.

Parmi les différents éléments, Hahn et Strassmann se focalisèrent sur quatre « isotopes du radium » qui subissaient tous une transition bêta mais de demi-vies très différentes, moins d’une minute, 14±2 mn, 86±6 mn et 10 à 15 jours respectivement. Les transitions bêta conduisaient à quatre « isotopes de l’actinium Z=89 » de demi-vies estimées à 30 mn (Ac I), 2.5 h (Ac II, celui de Curie et Savitch), au moins plusieurs jours et 40 h. Dans un premier temps, ils n’avaient d’ailleurs identifié que trois de ces isotopes, et la question troublante de l’isomérie triple – ou ternaire – semblait réapparaître pour le radium (et l’actinium) après l’uranium.

Ce n’était pas non plus facile, d’un point de vue théorique, de comprendre l’apparition de radium par bombardement neutronique d’uranium, ce qui supposait deux transitions alpha successives, qui n’avaient pas été observées. Mais Hahn et Strassmann étaient des chimistes et leur intérêt se portait plus sur les « isotopes du radium » que sur les mécanismes nucléaires. Leur «radium III» (celui de demi-vie 86 mn) suivait imperturbablement le baryum sans que la cristallisation fractionnée parvienne à l’en séparer. Troublés, ils décidèrent de contrôler leur technique en ajoutant à la solution un isotope du radium qu’ils connaissaient très bien pour l’avoir découvert trente ans plus tôt, le mésothorium ou radium 228. Mais cela ne donna rien, ou plus exactement le radium 228 se séparait sans difficulté majeure du baryum, même en très petite quantité, tandis le «radium III» restait avec le baryum comme l’indiquait la décroissance de radioactivité du mélange.

Les opérations successives de Hahn et Strassmann
Les opérations successives de Hahn et Strassmann

La conclusion semblait imparable : leur «radium III» n’était pas un isotope inconnu du radium mais un isotope radioactif du baryum. Il s’agissait en fait du baryum 139, dont la demi-vie de 83 mn était déjà connue. De même, le «radium II» était du baryum 141 et le «radium IV» du baryum 140 (dont la demi-vie est effectivement 13 jours). Et une transmutation bêta du baryum donne un isotope du lanthane, en accord avec les observations de Curie et Savitch.

Le lanthane dans le tableau périodique
Le lanthane dans le tableau périodique

Ils confirmèrent cette idée en ajoutant du lanthane (naturel, essentiellement du lanthane 139) et du mésothorium II (actinium 228) à leur «actinium II», celui de Curie et Savitch, et ils observèrent que l’ «actinium II» se séparait de l’actinium et suivait le lanthane. Une fois acceptée l’idée qu’ils avaient bien affaire au baryum et au lanthane, Hahn et Strassmann identifièrent le «radium III» au baryum 139, et l’ «actinium IV» au lanthane 140 (demi-vie connue de 40 h). Cela associait donc son prédécesseur, le «radium IV», au baryum 140.

Ra I Ba 143 ? 15 s Ac I La 143 ? 14 mn
Ra II Ba 141 18 mn Ac II La 141 3.92 h
Ra III Ba 139 83 mn Ac III La 139 stable
Ra IV Ba 140 12.7 j Ac IV La 140 40 h

Mais obtenir des éléments aussi légers à partir du bombardement de l’uranium par des neutrons lui paraissait invraisemblable, et Hahn écrivit le 19 décembre à Meitner pour lui relater leurs résultats et lui faire part de ses hésitations, et il compléta sa lettre par:

Peut-être pourriez-vous proposer quelques fantastiques explications

Otto Hahn
Otto Hahn

Mais le risque était trop grand qu’Irène Curie parvienne à une conclusion analogue, en finissant par admettre que son élément de demi-vie 3.5 h inséparable du lanthane était réellement du lanthane, et Hahn et Strassmann se résolurent à envoyer le 22 décembre 1938 leurs résultats à la revue Naturwissenschaften, sans attendre la réponse de Meitner. Ils utilisèrent un titre très neutre, «Sur l’existence des métaux alcalino-terreux résultat de l’irradiation de l’uranium avec des protons». Leur conclusion était un modèle d’ambigüité:

En temps que chimistes nous devrions vraiment [écrire] les symboles Ba, La, Ce au lieu de Ra, Ac, Th. Cependant en tant que chimistes nucléaires, travaillant près du domaine de la physique, nous ne pouvons nous résoudre à franchir un pas aussi radical qui va à l’encontre de toute expérience antérieure en physique nucléaire.

Fritz Strassmann
Fritz Strassmann

Meitner et Frisch

À ce moment là, Lise Meitner venait d’avoir 60 ans, elle était isolée, en exil en Suède, un pays dont elle ne parlait pas la langue, où elle ne connaissait presque personne, sans disposer d’aucun laboratoire, d’aucun soutien, ni d’aucun moyen (Mannes Siegbahn n’ayant consenti à lui laisser un bureau que sur l’insistance de Niels Bohr). Pourtant elle fut la première à comprendre ce qui s’était passé.

Otto Frisch
Otto Frisch (1904-1979)

Elle reçut le 21 décembre la lettre de Hahn, et elle lui répondit immédiatement qu’il était très surprenant que des neutrons lents puissent produire du baryum en frappant de l’uranium, mais que la physique nucléaire leur avait déjà apporté tant de surprises qu’on ne pouvait pas considérer cela comme impossible. Son neveu Otto Frisch, qui travaillait avec Bohr à Copenhague sur la physique des neutrons, vint lui rendre visite pour Noël et ils discutèrent longuement de la lettre de Hahn. Meitner avait du mal à admettre qu’une réaction nucléaire sur l’uranium puisse produire du baryum, ce qui revenait à éjecter d’un seul coup plus d’une centaine de nucléons du noyau. Puis ils eurent une inspiration. Lise Meitner dessina deux cercles concentriques, en disant « Et si c’était quelque chose de ce genre ? » Otto Frisch était arrivé à la même image, mais lui la dessina sous la forme d’un cercle pincé au milieu, et Meitner acquiesça :

Schéma de la fission imaginé par Meitner et Frisch
Schéma de la fission imaginé par Meitner et Frisch

L’idée était que, si le noyau était modélisé par une goutte d’eau, cette goutte pouvait se déformer sous le choc d’un neutron, se pincer au milieu et se couper en gouttelettes. Il n’était pas question d’une émission quantique de particules par le noyau, mais d’un mécanisme semi-classique de déformation du noyau et de scission en plusieurs fragments. L’étranglement de la goutte réduirait beaucoup les forces nucléaires attractives (à très courte portée) entre les deux parties, tandis que les forces électromagnétiques répulsives seraient à peine plus faibles. Frisch apporta sa connaissance de la dynamique nucléaire, développée alors à Copenhague par Bohr et Kalckar, à Meitner, qui maîtrisait plutôt la statique du noyau.

Schéma d'un processus de fission
Schéma d’un processus de fission

Meitner et Frisch raisonnèrent en se disant que plus un noyau était lourd, plus il contenait de protons et plus les forces de répulsion électromagnétiques entre eux étaient importantes, affectant la cohésion du noyau. Peut-être l’arrivée du neutron perturbait-elle son équilibre, le faisant osciller ou vibrer suffisamment pour qu’il se brise en deux fragments ? Cela expliquerait la présence de baryum (Z=56). Le deuxième fragment serait alors l’élément Z = 92-56= 36, donc du krypton. Mais en ce cas, immédiatement après la brisure, les deux nouveaux noyaux sont très proches l’un de l’autre et comme ils sont fortement chargés électriquement, ils doivent se repousser violemment, acquérir une grande vitesse, et donc une forte énergie cinétique.

Meitner et Frisch calculèrent grossièrement que deux charges électriques Z1=56 et Z2=36 unités séparées d’une distance D de l’ordre de 7 à 8*10-15 m (le rayon du noyau d’uranium) posséderaient une énergie potentielle électrostatique E=Z1Z2e2/D ~ 200 MeV, convertie par la suite en énergie cinétique des fragments. C’était énorme, une centaine de fois plus élevé que les énergies habituelles en physique nucléaire qui tournaient plutôt autour du MeV.

On obtient le même résultat, de façon équivalente, à partir de l’énergie de liaison des noyaux:

  • E(U) = 238*7,6 = 1800 MeV
  • E(Ba) = 141*8,5 = 1200 MeV
  • E(Kr) = 92*8,7 = 800 MeV
  • ⇒ environ 200 MeV d’énergie libérée
La fission dans le modèle en goutte du noyau
La fission dans le modèle en goutte du noyau

L’énergie de liaison par nucléon (courbe d’Aston) est en effet de 7.6 MeV pour un noyau de nombre de masse A~240, de 8.4 pour un noyau de nombre de masse A~140 et de 8.6 environ pour un noyau de nombre de masse A~100. En fragmentant un gros noyau A~240 en deux noyaux plus petits A~100 et A~140, on libère effectivement 7.6*240 – 8.4*140 – 8.6*100 = 1824-1176-860 = —212 MeV

Modification de l’énergie de liaison lors d’une fission nucléaire ©DoE
Modification de l’énergie de liaison lors d’une fission nucléaire ©DoE

L’idée d’une brisure du noyau d’uranium était viable! Ils rédigèrent un brouillon d’article démontrant que les résultats surprenants de Hahn et Strassmann, comme ceux de Curie et Savitch auparavant, s’expliquaient simplement par une brisure du noyau d’uranium.

Frisch retourna à Copenhague après ces vacances studieuses, et parvint le 6 janvier à parler quelques minutes à Bohr, qui partait prendre le bateau pour un séjour de plusieurs mois au États-Unis. Bohr comprit instantanément la portée de ce résultat et il s’exclama

Quels idiots nous avons tous été de ne pas le voir avant ! Évidemment, c’est exactement comme cela que ce doit être !

Bohr parti, Frisch monta une expérience rapide pour démontrer la présence des fragments de fission. L’énergie libérée dans la fission devait propulser les fragments à grande vitesse, et de fortes charges à grande vitesse devraient provoquer une très forte ionisation. Le plus simple pour la mettre en évidence une radioactivité était d’utiliser une chambre d’ionisation, comme les Curie quarante ans plus tôt, mais les progrès techniques permettaient désormais à Frisch de la raccorder à un amplificateur et un oscilloscope. Chaque passage de particules ionisantes se traduisait sur l’écran de l’oscilloscope par une impulsion d’autant plus forte que l’énergie de la particule était grande. Si la fragmentation du noyau était une réalité, les fragments devraient provoquer des impulsions beaucoup plus fortes que toutes les particules connues, puisqu’on devait avoir des énergies d’une centaine de MeV au lieu des quelques MeV habituels.

Frisch détecta cet effet dès le 13 janvier 1939. et il rédigea immédiatement un article décrivant son expérience. Après en avoir discuté par téléphone avec Meitner, il envoya le 16 janvier deux articles à la revue Nature. Le premier, Disintegration of uranium by neutrons, présentait leur interprétation des résultats de Hahn et Strassmann, et il fut publié le 11 février (Nature 143-239). Le second article, Physical evidence for the division of heavy nuclei under neutron bombardment présentait la confirmation obtenue par Frisch par une méthode physique indépendante, et il parut dans le numéro suivant, le 18 février (Nature 143-276). C’est dans le premier article que Frisch introduisit  le mot de « fission », suggéré par le biologiste américain William A. Arnold, venu à Copenhague travailler en radiobiologie avec George de Hevesy : c’était le mot employé par les biologistes pour désigner la division d’une cellule.

Fission (symbolique)


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