Interactions entre protons et neutrons

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Une nouvelle conception du noyau

La découverte du neutron marque, selon l’expression de Hans Bethe, la fin de la préhistoire de la physique nucléaire : désormais les modèles ± qualitatifs cèdent la place aux modèles quantitatifs, et les choses évoluèrent très vite :

  • 1933 : Heisenberg (théorie des forces nucléaires), Fermi (transmutation bêta), Szilard (principe de la réaction en chaîne)
  • 1934: Joliot-Curie (radioactivité «artificielle»), Fermi (activation neutronique)
  • 1935-1936: modèle de la goutte liquide (Gamow, Bohr, Bethe et Weizsäcker)
  • 1938 : fission (Meitner, Hahn et Strassmann)
  • 1939 : réaction en chaîne (Joliot, Bohr et Wheeler, Szilard et Fermi)
  • 1942 : réaction en chaîne contrôlée (Fermi et Szilárd)
  • 1943 : premiers réacteurs nucléaires opérationnels (Wigner)
  • 1945 : les explosions nucléaires de Trinity, Hiroshima et Nagasaki

La découverte du neutron compléta l’image moderne de la matière.

  1. Toute la matière est formée d’atomes (le plus souvent assemblés en molécules).
  2. Chaque atome de masse atomique A contient un minuscule noyau formé de Z protons et de A-Z neutrons (de masses comparables), entouré par un nuage de Z électrons (dont la masse est 1836 fois plus faible que celle d’un proton).
  3. Les propriétés chimiques, dues aux électrons, sont déterminées par le numéro atomique Z, et les atomes de même Z et de A différent sont des isotopes dont les propriétés chimiques sont identiques et les propriétés physiques différentes.

En première approximation, la masse proton étant presque égale à la masse du neutron, la masse du noyau ~ (Z+N)mp = A*mp

11H, 42He, 126C, 1680 ,2713Al etc.

De nombreuses questions restaient ouvertes après la découverte du neutron:

  • quelles sont au juste les relations entre proton, neutron et électron?Relations entre proton, neutron et électron?
  • quelles interactions les lient les uns aux autres?
  • en particulier, comment est assurée la cohésion du noyau vis à vis de la répulsion électromagnétique des protons les uns envers les autres?
  • existe-t-il d’autres particules élémentaires?
  • existe-t-il d’autres isotopes que ceux déjà connus (les isotopes légers et stables d’Aston et les isotopes lourds et radioactifs de Soddy)?
Carte des noyaux stables (ou de longue durée de vie).
Carte des noyaux stables (ou de longue durée de vie).

Découverte de l’interaction forte

Tout commence avec Rutherford (encore!) et la diffusion des alphas sur les protons de l’hydrogène : les mesures de plus en plus précises montrèrent que la probabilité de diffusion des α sur des noyaux légers à un angle θ ne suivait pas la loi établie par Rutherford sur des noyaux lourds comme l’or. Le calcul de Rutherford (& Darwin) supposait une répulsion électrostatique entre une cible de charge +Ze et un projectile de charge +2e, tous les deux ponctuels.

L’écart à cette loi était d’autant plus grand que l’angle θ était grand et donc que le paramètre d’impact était petit. Autrement dit, plus on s’approchait du noyau et plus la loi de Coulomb où la force varie en 1/r2 (ou le potentiel en 1/r) semblait ne pas s’appliquer. Pour des alphas d’énergie fixée, comme ceux produits par transmutation radioactive, plus la cible est légère, plus Z est petit, plus la répulsion est faible et plus le projectile peut s’approcher près.

L’écart observé à la loi de Coulomb pouvait avoir deux explications, non exclusives l’une de l’autre:

  1. les charges des noyaux ne sont pas ponctuelles mais étendues, et cette extension spatiale des charges modifie leur diffusion réciproque quand elles s’approchent à se toucher ou se pénétrer
  2. l’interaction entre les noyaux n’est pas purement électromagnétique, une nouvelle interaction se manifeste à très courte distance

En 1919, Rutherford ne fut pas très surpris des écarts à une loi valable pour des diffusions par des charges ponctuelles, puisqu’il attribuait une structure complexe au noyau qu’il pensait formé de A protons (peut-être groupés en sous-structures alpha) et de A-Z électrons.

Mais les diffusions de particules alpha sur l’hydrogène, formé d’un unique proton, montrèrent elles aussi un écart à très courte distance. Les mesures de Chadwick en 1921 le conduisirent à envisager une nouvelle interaction entre protons s’ajoutant à la répulsion électromagnétique. Pour rendre compte de ses mesures, cette interaction devait être attractive, n’apparaître qu’à très courte distance, mais être alors plus forte que la répulsion. L’idée était née d’une interaction forte:

  1. attractive
  2. plus intense que l’interaction électromagnétique
  3. mais à très courte portée, inférieure aux 10-14 m de la taille des noyaux

Cette interaction pouvait plus facilement expliquer la cohésion des noyaux, en collant les protons les uns aux autres, que les idées un peu vagues d’attraction réciproque des protons et des électrons situés dans le noyau contrebalançant la répulsion des protons entre eux (et des électrons entre eux). Mais cela n’alla guère plus loin sur le moment, faute d’un modèle quantitatif du noyau.

Le deutérium

Harold Urey
Harold Urey

La découverte du deutérium en 1931 par Harold Urey suscita un grand intérêt, surtout après la découverte du neutron.

Urey avait obtenu ce deutérium par distillation répétée d’hydrogène liquide, et il montra qu’il formait des molécules d’eau « lourde » D2O identiques, à l amasse près aux molécules d’eau « légère » H2O.

Identification spectroscopique : la raie Hα à 656,3 nm est accompagnée d’une raie légèrement décalée à 656,1 nm
Identification spectroscopique : la raie Hα à 656,3 nm est accompagnée d’une raie légèrement décalée à 656,1 nm, due à la différence entre les masses du noyau d’hydrogène et du noyau de deutérium

Ce deutérium était un isotope stable 2H ≣ D de l’hydrogène, de masse atomique 2. Après la découverte du neutron en 1932, il parut évident que le noyau de deutérium (ou deutéron) était formé d’un seul proton et d’un seul neutron. Le neutron, étant …neutre, n’est pas lié électriquement au proton, mais la nouvelle interaction hypothétique de Rutherford et Chadwick pouvait peut-être assurer la liaison entre le proton et le neutron?

Les physiciens se demandèrent alors pourquoi il n’existait apparemment pas de noyau formé de deux protons (ce serait l’isotope 2He de l’hélium) ni de noyau formé de deux neutrons. Deux explications parurent plausibles

  1. les noyaux formés de deux protons ou de deux neutrons sont très instables. Mais alors pourquoi le deutéron, lui, est-il stable? Rutherford découvrit en 1934 le tritium, formé d’un proton et deux neutrons. Celui-ci est instable mais sa demi-vie est quand même de 12 ans, ce qui reposait la question de l’instabilité d’un « diproton » et d’un « dineutron ».
  2. peut-être tout simplement n’existait-il pas d’interaction entre protons, ni d’interaction entre neutrons, mais uniquement une interaction entre neutrons et protons?

☞ les recherches se focalisèrent donc sur l’interaction entre neutron et proton, avec le deutéron comme objet privilégié d’étude.

Interaction neutron-proton

Dès 1932, Heisenberg construisit un modèle pour le deutéron inspiré des interactions moléculaires (où les électrons vont d’un atome à un autre et assurent ainsi la cohésion de la molécule). En calquant la théorie quantique de l’ion H2+, où l’électron qui passe d’un proton à l’autre crée un potentiel attractif malgré la répulsion mutuelle des protons, Heisenberg obtint un potentiel attractif entre proton et neutron. Dans son modèle, le neutron était  un proton plus un électron et, quand cet électron passait à l’autre proton, celui-ci devenait neutron.

Atome et molécule d'hydrogène
Atome d’hydrogène et ion H2+
Werner Heisenberg en 1933 © Bundesarchiv
Werner Heisenberg en 1933 © Bundesarchiv

En calquant la molécule H2, il obtint même un potentiel attractif entre un neutron et un autre neutron. Entre proton et proton, par contre, l’interaction électromagnétique était purement répulsive. Plusieurs modèles furent proposés sur des idées analogues, entre autres par Wigner en 1932, Majorana en 1933, Iwanenko en 1933 aussi, Bartlett en 1936… Certains inversèrent le problème en cherchant à déterminer quelle forme empirique d’un potentiel V(r) fonction de la distance r entre proton et neutron pouvait rendre compte des observations. Pour une interaction purement coulombienne, le potentiel est tout simplement V(r)∝1/r, mais les théoriciens jouèrent avec la profondeur et la largeur pour rendre compte de l’énergie de liaison du deutéron et de l’hélium 4 (au delà, cela devenait trop compliqué). les résultats étaient mitigés, et surtout ces potentiels empiriques n’avaient pas de justification.

Une tentative intéressante de justification partit du modèle présenté en 1933 par Fermi pour décrire les transmutations β.

Théorie de Fermi de la transmutation bêta
Théorie de Fermi de la transmutation bêta

Aujourd’hui, celles-ci sont le type même d’une interaction complètement différente de l’interaction forte, appelée avec une grande originalité interaction faible, mais ce n’était pas aussi clair en 1933. D’autant que l’interaction postulée par Fermi induit automatiquement un terme d’interaction entre neutron et proton:

Interaction induite entre neutron et proton
Interaction induite entre neutron et proton

Si l’idée est qualitativement séduisante, elle se heurte à deux difficultés quantitatives rédhibitoires:

  1. le couplage de Fermi est ~ 106 fois trop faible (ce n’est pas pour rien que l’interaction faible est appelée faible)
  2. et le potentiel diminue en 1/r5 → l’interaction a une portée trop grande

☞ d’où de nombreux efforts – infructueux – pour modifier le potentiel en 1/r7 ou 1/r9 (Bethe et Peierls 1934)

En 1935, les expériences indiquèrent que les interactions proton-proton, proton-neutron et neutron-neutron étaient en réalité quasiment identiques à courte distance. À grande distance, bien sûr, l’interaction électromagnétique entre protons devenait dominante, et il n’y avait pas d’interaction des neutrons ni entre eux ni avec les protons. Le fait que l’interaction forte soit indépendante de la charge des particules, et identique qu’un proton ou un neutron soit en jeu, conduisit Heisenberg à la notion de symétrie interne et à considérer le neutron et le proton comme deux versions (deux états) d’une même particule, le nucléon, versions indiscernables du seul point de vue de l’interaction forte. Heisenberg calqua le formalisme quantique mis au point pour traiter les différents états de spin d’une particule pour traiter les différents états du nucléon. Cette symétrie interne entre les deux états du nucléon fut appelée spin isotopique (Wigner raccourcit le nom en isospin).

L’interaction de Yukawa

Dès 1933, Yukawa reprit l’idée d’échange suggérée par Heisenberg, mais avec une autre particule échangée que l’électron. En novembre 1934, il proposa que cette particule soit beaucoup plus massive qu’un électron, conduisant à une interaction de très courte portée. Quelles sont en effet les propriétés requises de la (ou les) particule(s) échangée(s) entre le proton et le neutron?

  • spin zéro (ou 1)
  • potentiel V(r) = GYukawa e-Mr/r

En mécanique quantique, la portée λ est reliée à la masse M de la particule échangée par:

Mc2 = ħc/λ

Par conséquent, si la portée λ est limitée à 10-15 m, la masse M de la particule échangée doit être de l’ordre de 100 MeV/c2, soit 200 fois la masse de l’électron ou le dixième de la masse du nucléon.

Interaction proton-neutron pour Yukawa
Interaction proton-neutron pour Yukawa

Il s’agit donc d’une nouvelle particule. Comme il s’agit d’une particule échangée, d’un intermédiaire, elle fut baptisée mésotron (du grec meso, entre), nom ensuite raccourci en méson. On doit aujourd’hui préciser méson π (ou pion, pi-on) à la suite de la découverte d’un grand nombre de particules de ce type. Le couplage GYukawa du méson au nucléon doit être très supérieur au couplage électromagnétique.

Interaction proton-proton pour Yukawa
Interaction proton-proton pour Yukawa

Et finalement, ce méson doit exister en trois versions, avec respectivement une charge positive, nulle et négative: dans le premier cas, un proton émet un pion positif et devient un neutron (le pion positif étant capturé par un neutron qui devient un proton), dans le deuxième cas un proton émet un pion neutre et reste proton (le pion neutre est capturé par un proton ou un neutron qui restent proton ou neutron), et dans le troisième cas, un neutron émet un pion négatif et devient proton (le pion négatif est capturé par un proton qui devient neutron).

Que ce méson n’ait alors jamais été observé n’avait rien de surprenant. D’une part, la théorie même de Yukawa prédisait que cette particule devait être instable, avec une durée de vie alors calculée de 0,2 µs. Il n’y avait donc pas de pions dans l’environnement. En fait la durée de vie des pions est plus brève, de 0,02 µs pour les pions chargés (par interaction faible) et plus brève encore pour les pions neutres (par interaction électromagnétique).

Et d’autre part sa masse de 100 MeV/c2 le rendait impossible à produire dans des collisions où les énergies disponibles n’étaient que de quelques MeV. Ce fut une raison de la construction de grands accélérateurs, mais en attendant la seule chance de découvrir un méson était de le chercher dans les rayons cosmiques. Il était en effet possible que des protons de très haute énergie frappant des noyaux dans l’atmosphère produisent des gerbes de pions et qu’il soit possible de les détecter avant leur disparition.

Et, de fait, Carl Anderson et Seth Neddermeyer observèrent en 1936 dans une gerbe de rayons cosmiques une particule de masse M ~ 100 MeV/c2 et de demi-vie τ~ 2µs

☞ identification quasi immédiate avec la particule prédite par Yukawa. Mais peu à peu des incohérences apparurent: d’une part la durée de vie était trop longue, et surtout ces particules interagissaient très peu avec les nucléons. La question troubla les plus éminents physiciens pendant une dizaine d’années. Jusqu’à la découverte en 1946 par Powell, Occhialini et Lattes, toujours dans les rayons cosmiques, d’une autre particule de masse M ~ 140 MeV/c2 et de demi-vie τ~ 0,02µs , et celle-ci interagissait fortement avec les nucléons.

☞ c’était le vrai méson de Yukawa (méson π ou pion, le « p » ou π venant de son nom provisoire de primary mesotron)

Et l’autre particule? Il s’avéra progressivement qu’elle n’avait aucun lien avec l’interaction forte, et qu’elle se comportait plutôt comme un électron, à sa masse près. On la rebaptisa mundane mesotron (du mot mundane signifiant banal, sans intérêt) ou, en abrégé µ meson et désormais seulement muon (symbole µ) car le nom « méson » est réservé aux particules de spin entier interagissant par interaction forte.

☞ la découverte totalement inattendue du muon et son apparente absence de justification conduisirent à l’époque Isidor Isaac Rabi à demander avec humour « Qui a commandé çà? »

Énergie nucléaire

Interaction proton-proton

Peu de progrès expérimentaux depuis 1920, faute de sources intenses de protons de haute énergie:

  • 1935 : protons de 600 keV du cyclotron de Berkeley et chambre de Wilson (Milton White) → possible anomalie à courte distance (<5×10-15 m)
  • 1936 : protons de 1,2 MeV du van de Graaff du Carnegie et compteurs Geiger-Müller (Merle Tuve) → anomalie nette

⇒ force non coulombienne, attractive, à courte portée, de même intensité que la force neutron-proton → extension des modèles de Heisenberg-Fermi-Yukawa…

Noter la place croissante des États-Unis en physique nucléaire expérimentale!

Interaction entre deux nucléons (protons ou neutrons) modélisable par un potentiel V(r) dépendant de leur séparation r
Interaction entre deux nucléons (protons ou neutrons) modélisée par un potentiel V(r) dépendant de leur séparation r

→ interaction forte nucléon-nucléon

  • ☹ nombreuses complications pratiques (interaction dépendant du spin des nucléons et de leur mouvement orbital…)
  • ☺ conduit naturellement à une densité nucléaire à peu près uniforme dans un noyau, et identique d’un noyau à l’autre
  • une énergie de liaison à peu près identique d’un noyau à l’autre

☞ nombreuses formes de potentiel explorées (jusqu’à aujourd’hui) Mais il s’est révélé illusoire d’en déduire la structure des noyaux

Stabilité des noyaux

Mais pas encore d’idée claire sur la stabilité ou non des noyaux.

Quand Z augmente, l’énergie de liaison devient insuffisante d’où émissions alphas, entrecoupées d’émissions bêta (chaînes radioactives). La radioactivité est une particularité des noyaux lourds.

Transmutations de Rutherford : noyau stable → noyau stable.

Cockroft et Walton: brisure noyau léger (lithium 7) en 2 alphas. Encore une fois: noyaux stables → noyaux stables

Pourquoi n’a-t-on pas construit de réacteur nucléaire dans les années 1930?

En 1919, Ernest Rutherford annonça avoir provoqué des transmutations nucléaires en bombardant des noyaux d’azote avec des particules alpha (noyaux d’hélium) qui en éjectèrent des protons, selon la réaction 4He + 14N → p + 17O. Il était donc théoriquement envisageable de briser d’autres noyaux. De plus, l’énergie des protons était supérieure à celle des particules alpha, indiquant qu’une partie de l’énergie de liaison du noyau d’azote avait été libérée dans la collision. Au Cavendish, le laboratoire dirigé par Rutherford, Chadwick bombarda de la même façon du bore, du fluor, du sodium, de l’aluminium, du phosphore, mais la répulsion coulombienne du noyau se révéla de plus en plus difficile à vaincre par les noyaux d’hélium (dont l’énergie était fixée par la source radioactive qui leur donnait naissance).

L’idée d’accélérer les projectiles pour surmonter cette barrière coulombienne était naturelle, mais Rutherford avait toujours été très réticent face aux équipement compliqués et coûteux. Cockroft et Walton parvinrent cependant à le convaincre et à mettre au point en 1932 un accélérateur au Cavendish : il accélérait des protons jusqu’à 700 keV. Ils jouèrent quelque temps avec, jusqu’à ce que Rutherford les rappelle à l’ordre. En accélérant des protons le 15 juin 1932 et en les projetant sur une cible de lithium, ils obtinrent des noyaux d’hélium, et surtout la libération de 17 MeV d’énergie, vingt fois plus. En 1934, peu après la découverte du deutérium par Harold Urey, Mark Oliphant et Paul Harteck accélérèrent au Cavendish des noyaux de deutérium et les envoyaient sur une cible d’eau lourde (contenant du deutérium), réalisant ainsi des fusions deutérium + deutérium -> tritium + proton (soit 2H +2H → 3H + 1H), libérant ici aussi beaucoup d’énergie. Au Cavendish, on parlait de diplogen et de diplon au lieu de deutérium et de deuton (terminologie de Harold Urey le découvreur de l’eau lourde et du deutérium).

Courbe d'Aston
Courbe d’Aston

L’énergie de liaison des noyaux, donnée par la courbe d’Aston, augmente jusqu’à A~60 puis diminue lentement au-delà. Ce comportement montre que l’on obtient de l’énergie en fusionnant des noyaux légers, jusqu’au fer à peu près, mais également en brisant des noyaux lourds. Il pouvait donc paraître évident, dès le début des années 1930, que l’énergie nucléaire promettait d’être un million de fois plus importante que l’énergie chimique, comme celle de la combustion du charbon ou du pétrole. Et que l’on pouvait l’extraire soit en fusionnant des noyaux légers, le plus léger étant l’hydrogène, soit en brisant des noyaux lourds, le plus lourd étant l’uranium. D’ailleurs les romanciers comme Wells ou Stapledon, et les grands quotidiens ne s’y trompaient pas. En 1932, le New York Times écrivait « La science a obtenu d’expériences récentes la preuve décisive que le noyau atomique, la citadelle la plus intime de la matière, peut être brisé en libérant d’immenses quantités d’énergie. »

Les physiciens, eux, ne partageaient pas cet optimisme. En 1932, Albert Einstein expliquait : « Il n’existe pas la moindre indication que l’énergie nucléaire puisse jamais être obtenue. Cela signifierait que l’atome puisse être brisé à volonté. » Peu après la découverte du neutron en 1932, Joliot expliqua à un journaliste que cette découverte avait une immense importance théorique, mais qu’elle n’aurait probablement jamais d’application pratique. Lors d’une conférence devant l’Association britannique pour l’avancement de la science, Rutherford assurait le 11 septembre 1933 que

La brisure de l’atome est une méthode très pauvre et inefficace pour produire de l’énergie, et il est chimérique de rechercher une source de puissance dans la transformation de ces atomes (Rutherford)

La raison de leur scepticisme venait de ce que, dans la nature, les noyaux légers ne fusionnent pas spontanément en noyaux plus lourds, et les noyaux lourds ne se brisent pas spontanément en noyaux plus légers.

Les physiciens savaient bien que si le passage d’un état à un autre état d’énergie plus basse ne se produit pas spontanément, c’est qu’il existe probablement une barrière d’énergie entre ces deux états obligeant le système physique à voir son énergie augmenter avant pouvoir ensuite de diminuer. Dans le cas des noyaux légers, la répulsion électromagnétique entre noyaux tous de charge positive obligeait à leur donner une grande énergie (en les accélérant ou en les chauffant) pour vaincre cette « barrière coulombienne ». Dans le cas des noyaux lourds, il fallait les déformer pour passer de la forme quasi-sphérique du noyau initial aux deux formes sphériques des noyaux résultant de la brisure. Bien entendu, la fusion des noyaux légers libérait plus d’énergie qu’il n’en était consommé pour vaincre la barrière coulombienne. Mais la plupart de ces particules accélérées à grand frais ne provoquaient pas de collisions, et si les rares collisions libéraient effectivement beaucoup d’énergie, celle-ci était très loin de compenser l’énergie dépensée pour accélérer le faisceau. Le rendement de l’opération était donc des plus médiocres, et son intérêt commercial douteux. La situation de l’énergie nucléaire à cette époque présente d’ailleurs de nombreuses analogies avec la situation actuelle de la fusion nucléaire !

Ernest Rutherford
Ernest Rutherford

Par ailleurs, Rutherford s’était toujours montré très réticent devant les applications commerciales de ses travaux, et peut-être voulait-il, inconsciemment, garder une certaine « pureté » à la physique nucléaire, science qu’il avait pratiquement créée. Peut-être souhaitait-il également que la science demeure sous le contrôle des scientifiques et non des industriels, des politiques ou des militaires, bien qu’il ait travaillé à développer le sonar pour la Marine pendant la Première Guerre mondiale. Malgré cela, Aston ne doutait nullement, en 1936, que « l’énergie subatomique serait libérée et contrôlée », et il suggérait dès 1922 que la fusion de 4 protons pour former un noyau d’hélium fournirait un jour une énergie utilisable, et qu’alors un simple verre d’eau suffirait à permettre au paquebot Mauretania de traverser l’Atlantique. Que l’hydrogène de tous les océans subisse la même transmutation, et la Terre serait une nouvelle étoile (mais cela lui semblait peu probable).

Les physiciens se trouvèrent confrontés à la libération d’énergie nucléaire utilisable, non seulement sans l’avoir prévue, mais en l’ayant généralement supposée impossible. Ainsi, le grand Rutherford écarta-t-il toujours cette idée. En 1932, Frédéric Joliot répondit à un journaliste que le neutron n’aurait probablement jamais d’application pratique.

Leó Szilárd

And these atomic bombs which science burst upon the world that night were strange even to the men who used them. (H. G. Wells, The World Set Free, 1914)

Leó Szilárd (1898-1964) ©AtomicArchive
Leó Szilárd (1898-1964) ©AtomicArchive

Szilárd est le Cassandre de l’ère nucléaire : il eut toujours raison (en 1933, 1939, 1945) et il ne fut jamais écouté. Juif, né à Budapest en 1898, Szilárd s’exila à Berlin en 1919. Il obtint son doctorat de physique en 1923 à l’Université Humboldt de Berlin, et il devint l’assistant de Max von Laue à l’Institut de physique théorique de l’université de Berlin en 1924. Il déposa 29 brevets en 10 ans (dont les royalties lui permirent de survivre).

Brevet de réfrigérateur Szilárd-Einstein sans aucune pièce mobile
Brevet de réfrigérateur Szilárd-Einstein sans aucune pièce mobile

Spécialiste de thermodynamique, il travailla avec Einstein à partir de 1926 à la mise au point d’un réfrigérateur utilisant un métal liquide (breveté aux États-Unis en 1930, et qui servira au programme Manhattan). Il breveta le principe du cyclotron en 1929 (juste avant Lawrence qui recevra le prix Nobel pour l’avoir  imaginé au même moment, et surtout pour l’avoir réalisé). En 1932, la lecture de H.G. Wells l’orienta vers la physique nucléaire, et il prit contact avec Lise Meitner qui dirigeait à Berlin le département de physique nucléaire du Kaiser Wilhelm Institut für Chemie. Mais Leó Szilárd dut à nouveau s’exiler en avril 1933 lors de l’avènement du nazisme. À Londres, il s’occupa très activement de bâtir un réseau pour aider les réfugiés fuyant l’Allemagne nazie.

Le 12 septembre, il lut dans le Times le compte-rendu de la conférence de Rutherford qui expliquait que l’utilisation de l’énergie nucléaire était une chimère. L’assurance du grand homme l’irrita, et il sortit se promener. Si Rutherford considérait l’énergie nucléaire comme une chimère, c’est parce qu’on dépensait beaucoup plus d’énergie à accélérer un très grand nombre de protons qu’on en récupérait lors des — très rares — collisions, même si chacune libérait un million de fois plus d’énergie qu’une réaction chimique. Szilárd pensa soudain que si les noyaux étaient bombardés par des neutrons au lieu de protons, il ne serait pas nécessaire de les accélérer puisqu’ils ne seraient pas repoussés par les noyaux. Le bilan énergétique serait déjà plus favorable.

Une idée lui traversa soudain l’esprit : si la réaction nucléaire produisait elle-même des neutrons, au moins deux, ceux-ci pourraient à leur tour provoquer d’autres réactions. Szilárd connaissait l’existence en chimie de réactions en chaîne, étudiées en particulier par son ami Polányi Mihály. Celui-ci, frère de l’économiste socialiste Polányi Károly, (l’auteur de La Grande Transformation) passa un doctorat de chimie physique en 1917 pendant sa convalescence (il était alors mobilisé comme médecin dans l’armée austro-hongroise), émigra en 1920 à Berlin où il travailla au KWI für Faserstoffchemie, puis à Manchester en 1933. Il y développa le domaine de la déformation des solides. Plus tard, il se tourna vers la philosophie des sciences, s’opposant au courant positiviste et influençant Thomas Kuhn et Paul Feyerabend, puis vers l’économie (il fut ami de Friedrich Hayek). L’université de Manchester transforma en conséquence sa chaire en 1948. Son fils Jean reçut le prix Nobel de chimie en 1986.

Un extrait du brevet de Szilárd mentionnant la libération d’énergie nucléaire lors d’une réaction en chaîne due aux neutrons
Un extrait du brevet de Szilárd mentionnant la libération d’énergie nucléaire lors d’une réaction en chaîne due aux neutrons

Szilárd imagina une réaction où un neutron percutant un noyau produirait d’autres neutrons. La chaîne était un point essentiel : une fois amorcée, la réaction ne demanderait plus aucun apport d’énergie, elle en fournirait au contraire. Szilárd réalisa que si la réaction produisait plusieurs neutrons, elle divergerait exponentiellement. En chimie, il existait des mécanismes autorégulateurs, mais en physique nucléaire, il serait peut-être possible d’aboutir à une explosion. Et comme une énergie de liaison nucléaire typique était un million de fois plus grande qu’une énergie de liaison atomique typique, l’explosion serait un million de fois plus intense : un kilo de bombe nucléaire serait probablement l’équivalent de mille tonnes de TNT. D’un autre côté, s’il y avait moyen de stabiliser la chaîne, cela fournirait une source d’énergie presque illimitée. Ce fut une véritable illumination.

Mais Szilárd n’avait pas idée précise des noyaux qui pourraient entretenir une pareille réaction en chaîne. Il débutait tout juste en physique nucléaire, et il pensa d’abord utiliser le béryllium. Le béryllium naturel (béryllium 9) possède 4 protons et 5 neutrons, et il libère des neutrons lorsqu’il est frappé par une particule alpha. C’est d’ailleurs ainsi que le neutron avait été découvert, et c’est également ce processus qui fournit les neutrons amorçant la réaction en chaîne explosive des premières bombes nucléaires. L’idée de Szilárd d’utiliser le béryllium était donc naturelle, d’autant plus que le béryllium semblait à cette époque, mais à tort, proche du point d’instabilité (cette erreur était due en fait aux imprécisions dans les mesures de masse de l’hélium et du béryllium). Szilárd pensa que des neutrons percutant des noyaux de béryllium 9 pourraient leur arracher un neutron (donnant du béryllium 8) et libérer de l’énergie.

n + 9Be → 8Be + 2n ?

Cette réaction existe bien (et elle est suivie par 84Be → 2α et α + 94Be → 126C + n), mais le bilan d’énergie est négatif.

Rutherford lui refusa un coin de laboratoire pour examiner les possibilités d’une réaction en chaîne. Il faut rappeler que Szilárd, s’il était alors connu comme un remarquable spécialiste de la thermodynamique, n’avait encore jamais travaillé en physique nucléaire. Ses réflexions demeurèrent donc théoriques. Il élabora les concepts fondamentaux d’une bombe et d’un réacteur nucléaire (le terme de réacteur n’est employé qu’après la guerre, on parla longtemps de pile, de brûleur, de moteur voire simplement de machine). Il jugea que, même en cas de réaction en chaîne, il y aurait inévitablement des pertes de neutrons car certains neutrons se révéleraient peut-être incapables de provoquer une réaction, d’autres seraient peut-être absorbés sans produire de neutrons secondaires, et enfin des neutrons s’échapperaient de la zone de réaction.

Il eut ainsi une idée sommaire de la masse critique, la taille minimale que devrait avoir un réacteur (ou une bombe) : les neutrons étaient produits dans tous le volume, qui augmente comme le cube des dimensions, tandis que les pertes de neutrons vers l’extérieur se faisaient par la surface, laquelle augmente comme le carré des dimensions. Il en conclut que la forme optimale serait sphérique (la sphère offrant la surface minimale pour un volume donné).

  • Réaction divergente : si chaque réaction libère 2 neutrons, et que chacun déclenche une nouvelle réaction, le nombre de réactions augmente exponentiellement (divergence) ⇒ l’énergie libérée augmente exponentiellement.
  • Masse critique : un neutron parcours en moyenne une distance λ avant d’interagir. Dans un volume de diamètre << λ, la plupart des neutrons sortent sans interagir et la réaction en chaîne s’arrête. Par contre, dans un volume de diamètre >> λ, la plupart des neutrons provoquent une nouvelle réaction et la réaction en chaîne diverge exponentiellement ⇒ il existe une taille critique ~ λ et donc une masse critique ~ ρλ3
  • Calcul élémentaire : densité n ~ 1029 m-3, section efficace de réaction σ ~ 10-28 m2 (1 barn) ⇒ libre parcours moyen entre réactions λ = 1/nσ = 10-1 m = 10 cm ⇒ masse critique ~ 1 kg (dépendant de manière sensible de la section efficace, et de la géométrie).
Schéma de réacteur nucléaire selon le brevet de Szilárd du 28 juin 1934
Schéma de réacteur nucléaire selon le brevet de Szilárd du 28 juin 1934

Szilárd estima donc que le cœur d’un tel réacteur aurait une taille de l’ordre de quelques (dizaines de) centimètres, et non du micron ou du kilomètre, par un simple calcul d’ordre de grandeur, et cela est crucial pour toute application de la fission nucléaire. Il imagina également qu’en l’entourant par une matière réfléchissant les neutrons, il serait possible de réduire la masse critique nécessaire en diminuant les fuites de neutrons vers l’extérieur.

Szilárd déposa le 12 mars, le 28 juin et le 4 juillet 1934 des brevets secrets pour un réacteur puis une bombe. Il voulut les confier au gouvernement britannique pour éviter une prolifération nucléaire (déjà !). Le War Office rejeta son offre le 8 octobre 1935 mais l’Amirauté les accepta en février 1936, et les enterra aussitôt.

Leo Szilárd en 1936 à Oxford © Gertrud Weiss-Szilard
Leo Szilárd en 1936 à Oxford © Gertrud Weiss-Szilard

Quand il s’avéra que le béryllium ne donnait pas de réaction en chaîne comme il l’avait supposé (le processus absorbe de l’énergie au lieu d’en libérer), Szilárd envisagea ensuite la collision de neutrons sur des noyaux d’indium 115 (l’indium normal). Celui-ci a une très forte section efficace de capture des neutrons, comme le cadmium ou l’argent) et il pourrait donner de l’indium 112 en éjectant 3 neutrons supplémentaires, qui à leur tour… Szilárd estima que la réaction serait auto entretenue avec une taille critique de l’ordre de 50 cm. Il s’exila au États-Unis le 2 janvier 1938. Il abandonna l’indium fin décembre 1938, concluant qu’il ne pouvait pas donner de réactions en chaîne. Et en janvier 1939, il apprit que les neutrons provoquaient la fission de l’uranium. Il lança immédiatement un programme à Columbia pour savoir si des neutrons secondaires était produits, il en observa, puis il collabora (chaotiquement) avec Fermi pour construire par étapes un réacteur nucléaire utilisant de l’uranium naturel modéré par du graphite. Celui-ci divergea le 2 décembre 1942.

 

Szilárd et Lawrence (peut-être avec Zinn à l’arrière-plan) lors d’une réunion de la Société américaine de physique le 27 avril 1935 © Smithsonian
Szilárd et Lawrence (peut-être avec Zinn à l’arrière-plan) lors d’une réunion de la Société américaine de physique le 27 avril 1935 © Smithsonian

Mais entretemps, comme il craignait que l’Allemagne nazie parvienne à construire une bombe nucléaire, Leó Szilárd prit l’initiative en juillet 1939 de demander à Albert Einstein d’écrire une lettre au président américain Franklin Roosevelt. Cela aboutit, après diverses péripéties, au programme Manhattan de bombe nucléaire. Après la chute de l’Allemagne nazie et la fin de la guerre en Europe, Szilárd tenta, sans aucun succès, de convaincre le président Truman de ne pas employer la bombe sur le Japon.

Einstein et Szilárd
Einstein et Szilárd

La voix des dauphinsEn 1946, il abandonna la physique nucléaire pour la biophysique. Il créa avec Albert Einstein le Bulletin des scientifiques atomistes, il milita inlassablement pour un contrôle international du nucléaire civil et militaire et il participa en 1957 à la création du mouvement Pugwash. Son recueil de nouvelles, La voix des dauphins, eut un grand succès en 1961.

Szilárd en 1950
Szilárd en 1950

Le contexte international

Les années 1930 furent marquées par la montée des périls en Europe et dans le reste du monde : la Grande Dépression fit des ravages aux États-Unis, puis en Europe. À partir de 1931, le Japon prit de fait le contrôle de la Mandchourie et de ses énormes ressources industrielles, et il s’immisça de plus en plus dans les affaires chinoises. En 1932, Salazar prit définitivement le pouvoir au Portugal, et de nombreux pays d’Europe comme l’Italie, l’Autriche, la Hongrie, la Grèce ou la Roumanie étaient dominés par des partis fascistes. En Allemagne Hitler arriva au pouvoir en 1933. L’Espagne fut ravagée par la guerre civile de 1936 à 1939. La Grande Terreur, lancée par Staline pour affermir son pouvoir sur l’URSS, conduisit de 1935 à 1939 des centaines de milliers d’hommes à la mort, en envoya des millions au Goulag, et désorganisa complètement l’URSS à tous les niveaux. La guerre sino-japonaise s’intensifia en 1937. 1938 fut marqué par l’annexion de l’Autriche par l’Allemagne (Anschluss), puis par les accords de Munich démembrant la Tchécoslovaquie (Sudètes). En 1939, l’Allemagne annexa le reste de la Tchécoslovaquie, signa avec l’URSS le pacte germano-soviétique, et les deux pays envahirent peu après la Pologne. La Seconde guerre mondiale commençait. Un bref conflit russo-japonais en Asie orientale (Nomonhan) se termina par une lourde défaite japonaise, qui incita ce pays à orienter son expansion vers le Pacifique au lieu de la Sibérie, et à affronter les États-Unis plutôt que l’URSS.


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