Becquerel et la découverte de la radioactivité

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La dynastie Becquerel

Henri Poincaré (1854-1912)
Henri Poincaré (1854-1912)

Poincaré présenta le 20 janvier 1896 à l’Académie des Sciences les radiographies des Dr Barthélemy et Oudin. Il présenta également l’article que Röntgen lui avait envoyé, dans lequel celui-ci indiquait que les rayons X provenaient de la fluorescence du verre du tube ils viennent en réalité de l’anode). Cela frappa Henri Becquerel, présent dans l’assistance, et qui était un grand spécialiste de la fluorescence. Comme les rayons X provoquaient également une fluorescence, il pensa que ces deux phénomènes, aussi mal compris l’un que l’autre, étaient peut- être liés, et que cela aiderait sans doute à élucider leur origine. De plus, si un corps fluorescent émettait des rayons X, il fournirait une source beaucoup plus facile à utiliser que le montage complexe de Röntgen avec son tube à vide et sa haute tension. Becquerel en parla à Poincaré qui en fut si vivement intéressé qu’il mentionna cette possibilité (sans citer Becquerel) dans un article de semi-vulgarisation pour la Revue Générale des Sciences le 30 janvier:

« Ne peut-on pas se demander si tous les corps dont la fluorescence est suffisamment intense n’émettent pas, outre les rayons lumineux, des rayons X de Röntgen quelle que soit la cause de leur fluorescence? ».

Cet article attira beaucoup l’attention et conduisit plusieurs physiciens à explorer cette voie: immédiatement, Henry, Niewenglowsky, Troost rapportèrent indépendamment des résultats positifs avec des sels phosphorescents de sulfure de zinc ou de calcium (Comptes-Rendus de l’Académie des Sciences 122-312, 385 et 565)

Becquerel était en effet le spécialiste français de la fluorescence et de la phosphorescence, et il avait de qui tenir : son grand-père Antoine-César Becquerel et son père Alexandre-Edmond l’avaient précédé à la chaire de physique du Muséum d’Histoire Naturelle, et ils avaient été avant lui membres de l’Académie des Sciences.

Antoine-César Becquerel
Antoine-César Becquerel

Antoine César Becquerel (1788-1878): polytechnicien (1806), membre de l’Académie des Sciences (1829), professeur de physique au Muséum (1837), célèbre pour ses travaux en électrochimie, sur l’effet photoélectrique (1839) et les phénomènes de phosphorescence et de fluorescence.

Alexandre-Edmond Becquerel
Alexandre-Edmond Becquerel

Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) : reçu à Polytechnique, il préfère démissionner, membre de l’Académie des Sciences (1863) et professeur de physique au Muséum (1878), célèbre en son temps pour ses recherches sur la photographie, la spectroscopie, le magnétisme, la phosphorescence et la fluorescence. Il avait en particulier classé les matériaux phosphorescents, les plus actifs étant certains sulfates d’uranium, vingt fois plus phosphorescents que le sulfate de calcium placé en seconde position sur sa liste.

Henri Becquerel,
Henri Becquerel, dans sa jeunesse

Henri Becquerel (1852-1908): polytechnicien (1872) et ingénieur des Ponts-et-Chaussées, membre de l’Académie des Sciences (1889) et professeur de physique au Muséum (1892), il menait des recherches sur… la phosphorescence et la fluorescence. Il avait pris part très jeune aux travaux de son père et il les poursuivit grâce à la remarquable collection de minéraux dont il héritait, dont plusieurs sels d’uranium. Les Becquerel avaient examiné et classé toutes les substances présentant ces phénomènes et, sans en connaître l’origine, ils avaient compris qu’un corps fluorescent absorbait de la lumière à une certaine longueur d’onde et la réémettait immédiatement à une autre longueur d’onde, et que la phosphorescence était un phénomène analogue, à cette différence près qu’un corps phosphorescent continuait à émettre de la lumière quelque temps après la fin de l’éclairement.

Son fils Jean lui succéda à la chaire de physique du Muséum, et à l’Académie des Sciences, mais la dynastie s’arrêta là.

Fluorescence et phosphorescence

Champignons fluorescents
Champignons fluorescents

Fluorescence: un matériau éclairé à une certaine longueur d’onde réémet immédiatement de la lumière, souvent à une longueur d’onde plus grande (éclairé en l’ultraviolet il émet du bleu par exemple).

Dans la phosphorescence, le phénomène est analogue, à ceci près que la réémission persiste un certain temps après la fin de l’éclairement, de quelques secondes à plusieurs heures selon le matériau.

Le mécanisme n’était pas connu à l’époque. Il est dû à l’existence de plusieurs niveaux d’énergie dans un atome. S’ils sont bien placés, il est possible d’exciter un atome en l’éclairant à certaines longueurs d’onde provoquant la transition d’un état d’énergie basse vers un état d’énergie beaucoup plus élevée, et la désexcitation peut se faire en plusieurs étapes, chacune correspondant à l’émission de photons d’énergie plus faible que le photon excitateur, et donc à des longueurs d’onde plus grandes.

Mécanisme de la fluorescence
Mécanisme de la fluorescence

La différence entre fluorescence et phosphorescence (et l’absence des deux) est due à la plus ou moins grande facilité qu’a l’électron à revenir à un état d’énergie plus faible et donc au temps moyen qu’il peut passer dans un état d’énergie élevée.

L’expérience de Becquerel

Dès le 21 janvier 1896, Becquerel tenta de détecter d’éventuels rayons X directement émis par des substances fluorescentes mais l’échec fut complet. Il pensa alors à la phosphorescence, et il disposait dans sa collection de minéraux au Muséum d’un sel particulièrement phosphorescent, le sulfate double d’uranium et de potassium K2(UO2)(SO4)2.H2O

Il l’exposa donc au Soleil plusieurs heures pour en exciter la phosphorescence, puis le mit à l’abri de la lumière en l’enveloppant d’un épais papier noir, et le plaça au contact d’une plaque photographique servant de détecteur à rayons X, comme en radiographie. Celle-ci fut bien impressionnée, montrant même l’ombre d’une croix de cuivre interposée entre le sel d’uranium et la plaque.

Les rayonnements de l’uranium dessinent l’ombre d’une croix de cuivre
Les rayonnements de l’uranium dessinent l’ombre d’une croix de cuivre

La suggestion faite à Poincaré semblait donc confirmée. Mais, prudent, Becquerel ne parla pas de rayons X dans sa communication du 24 février 1896 à l’Académie des Sciences sous le titre Sur les radiations émises par phosphorescence.

Le premier article de Becquerel
Le premier article de Becquerel

À Londres, Sylvanus Thompson effectua d’ailleurs la même expérience, mais il ne publia ses résultats qu’en juillet, bien après Becquerel, et surtout il ne réalisa pas que l’exposition au Soleil n’était nullement nécessaire.

La découverte

Becquerel voulut répéter ses expériences, mais le temps gris de février l’empêcha d’exposer au soleil sa préparation qui resta plusieurs jours dans un tiroir. Il développa cependant la plaque le 1° mars, et constata qu’elle était bien plus noircie que la première fois, et que la silhouette de la croix était bien nette. L’exposition au soleil ne semblait donc pas nécessaire, et il communiqua cette découverte dès le lendemain dans une note à l’Académie des Sciences Sur les radiations invisibles émises par les corps phosphorescents (Comptes-rendus à l’Académie des Sciences, 2 mars 1896.)

Le deuxième article de Becquerel
Le deuxième article de Becquerel

Pourquoi Becquerel a-t-il développé sa plaque le 1° mars, alors qu’il s’attendait à ne rien observer? Probablement pour vérifier que la phosphorescence (à la suite d’une exposition au soleil) était bien nécessaire. C’était une expérience de contrôle qu’il aurait certainement faite plus tard si le soleil s’était montré en février, mais que le hasard de la météo l’a incité à faire plus tôt. Becquerel était un grand physicien et un esprit méthodique, il devait contrôler tous les éléments de son expérience, de la durée d’exposition au soleil à la nature des sels phosphorescents. Il n’était d’ailleurs pas le premier à observer que les sels d’uranium noircissaient une plaque photographique, Niepce de Saint-Victor l’avait signalé en 1858.

Par contre, Becquerel fut le seul à en faire une étude systématique. À ce moment, il pensait encore à une sorte de phosphorescence de très longue durée (hyperphosphorescence), dont « la durée de persistance [serait] infiniment plus grande que la durée de persistance des radiations lumineuses émises par ces corps». Mais au fil des mois, constatant la persistance de l’émission de l’uranium, il abandonna cette idée et finit par admettre que l’uranium émettait spontanément des rayonnements pénétrants, indépendamment d’un éclairement préalable, et qu’il avait affaire à un phénomène entièrement nouveau.

Une étude systématique des « rayons uraniques »

Becquerel expérimenta le 5 mars avec d’autres sels d’uranium et découvrit qu’ils noircissaient aussi une plaque photographique. Il découvrit le 9 mars que les sels d’uranium déchargeaient un électroscope à feuilles d’or, et donc qu’ils ionisaient l’air. Cette décharge était plus rapide à déceler que le noircissement d’une plaque photographique, et elle permettait aussi une première mesure quantitative du phénomène, en mesurant la variation de l’écartement des feuilles au cours du temps.

Électroscope à feuilles d’or
Électroscope à feuilles d’or

En cela, Becquerel s’inspirait des recherches alors menées sur les rayons X à Cambridge par J.J. Thomson et ses jeunes collaborateurs Ernest Rutherford et Jean Perrin, en particulier.

Il put ainsi comparer rapidement l’activité de divers corps et il observa ainsi que les corps phosphorescents autres que l’uranium n’émettaient pas de rayons pénétrants (ce point était alors très controversé puisque Henry, Niewenglowsky ou Troost avaient annoncé des résultats positifs avec des sulfures de zinc ou de calcium), puis il découvrit que tous les composés de l’uranium en émettaient, même s’ils n’étaient pas du tout phosphorescents. Il en déduisit que le rayonnement venait de l’atome d’uranium lui-même, indépendamment des arrangements chimiques des molécules. Obtenant du chimiste Henri Moissan un échantillon d’uranium métallique, il constata que celui-ci était effectivement plus actif que ses sels : autrement dit, l’activité était directement liée à la quantité d’uranium présente.

Il appela donc ces rayons des «rayons uraniques», les autres physiciens parlant de «rayons de Becquerel». Becquerel observa aussi que leur intensité ne variait pas (en deux mois, de mars à mai, puis en un an d’observation). L’origine du phénomène était donc liée à l’uranium lui même. Celui-ci, le plus lourd des éléments naturels dans le tableau de Mendéléiev (Z=92, A=238), n’avait pas beaucoup éveillé l’attention des physiciens depuis sa découverte un siècle plus tôt, et sa seule utilité alors connue était de colorer les verres en cristal de Bohême. La seule mine connue s’y trouvait d’ailleurs, à Joachimstahl (aujourd’hui Jachymov).

Les rayons de Becquerel suscitèrent moins d’enthousiasme que les rayons X: ils n’avaient rien de très spectaculaire, et ce n’est que la découverte ultérieure de la radioactivité du thorium, puis celle du polonium et du radium et tout ce qui en découla qui, rétrospectivement, leur accorda une importance majeure. Des rayonnements de toute nature étaient alors découverts les uns après les autres, rayons cathodiques, rayons canaux, rayons infrarouges et ultraviolets, rayons X, rayons uraniques, ondes hertziennes, etc. sans oublier tous les phénomènes de luminescence (et même des rayons inexistants comme les « rayons N » de Blondlot). Et l’idée que le monde est traversé d’une foule de rayonnements ou d’énergies invisibles explique la grande vogue du spiritisme à cette époque (Conan Doyle, Crookes, les Curie s’y intéressèrent beaucoup).

Électromètre de Kelvin, perfectionné par Pierre Curie
Électromètre de Kelvin (perfectionné par Pierre Curie)

À Saint-Pétersbourg, I.I. Borgman s’y intéressa brièvement (un article en avril 1897), ainsi que Villari en Italie (un article en juillet 1897). À Londres, Lord Kelvin et ses collaborateurs J.C. Beattie et S. Smoluchowski étudièrent en 1896-1897 le rayonnement de l’uranium métallique (fourni aussi par Moissan) en utilisant un électromètre « de Kelvin », beaucoup plus précis que l’électroscope à feuilles d’or, et ils mesurèrent la décharge des corps électrisés sous l’effet des rayons de Becquerel. Ils publièrent ainsi plusieurs articles « sur l’électrification de l’air par l’uranium. » Becquerel utilisa, mais bien plus tard, un électromètre beaucoup plus sensible.

Comme Becquerel, Kelvin et les autres s’intéressaient plus à la nature de ces nouveaux rayons qu’à leur origine. Becquerel écrivit plus tard :

Comme les nouveaux rayons ont été découverts avec l’uranium, il paraissait a priori improbable que l’activité d’autres corps connus pût être considérablement plus grande, et la recherche sur la généralité du nouveau phénomène paraissait alors moins urgente que l’étude physique de sa nature.

L’intérêt pour les rayons de Becquerel déclina vite : si Becquerel lui-même publia huit articles sur les rayons uraniques en 1896, il n’en publia plus qu’un en avril 1897 avant d’abandonner le sujet et de revenir à ses recherches antérieures, considérant la sujet clos, et de s’intéresser plutôt à l’effet Zeeman. Mais il n’avait pas apporté de réponse à trois questions:

  1. Quelle est la nature physique des rayons uraniques ?
  2. Quelle est l’origine de ces rayons, et pourquoi l’uranium est-il le seul élément à en émettre ?
  3. Quelle est la source d’énergie qui permet à l’uranium d’émettre de façon permanente ce rayonnement ?

Ce dernier point préoccupait Becquerel, mais il n’était pas le seul: après avoir abandonné l’idée d’une hyperphosphorescence de très longue durée, il était difficile de comprendre l’origine d’une émission permanente, constante et sans « cause excitatrice ». De nombreuses idées furent avancées, de la non-conservation de l’énergie à la captation par l’uranium d’une énergie ambiante et à une énergie libérée par un « réarrangement interne » de l’atome radioactif. Le problème devint d’ailleurs considérablement plus aigu en 1903 quand Curie et Laborde mesurèrent l’énergie libérée et la trouvèrent colossale. La relativité restreinte d’Einstein apporta en 1905 un début de solution par sa relation masse-énergie, mais il fallut près de deux décennies (et les mesures précises des masses atomiques par Francis Aston) pour que ce soit largement adopté.

Qu’est-ce qui avait impressionné les plaques?

Mais au fait, qu’avait au juste détecté Becquerel?

Les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques de haute énergie alors que phosphorescence et fluorescence sont des rayonnements électromagnétiques de basse énergie, qui sont de ce fait bien incapables d’être à l’origine de rayons X. Quant aux rayons uraniques, ce sont des rayonnements alpha (noyaux d’hélium) et surtout bêta (électrons) qui n’ont rien de rayonnements électromagnétiques.

En effet, l’uranium naturel (U238) se transmute (on dit plus couramment qu’il se désintègre) en thorium 234 par émission d’une particule alpha. Mais cet alpha est facilement absorbé, en particulier par la feuille de papier noir, ce n’est donc pas lui qui impressionne la plaque photographique. Par contre le thorium 234 se transmute à son tour en protactinium 234 (avec une période de 24 jours) en émettant une particule bêta (un électron). Ce protactinium se transmute à son tour en uranium 234 en émettant une autre particule bêta, avec une période de 6h. Ce sont ces électrons qui traversent le papier (et la croix de cuivre) pour impressionner la plaque photographique. L’uranium 234 donne ensuite du thorium 230, puis du radium 226 (le radium des Curie), du radon 222, du polonium 218, etc. jusqu’au polonium 210 (le polonium des Curie), la chaîne se terminant au plomb 206, qui est stable.

Chaîne des transmutations de l'uranium
Chaîne des transmutations de l’uranium

Becquerel demeure le mal aimé de la saga de la radioactivité : c’était un héritier, il avait le profil banal d’un savant de son époque, et les journalistes ne trouvaient pas grand-chose de passionnant à en dire. Il faut bien admettre qu’il a beaucoup moins de relief que les Curie. Par la suite, c’est tout juste si on ne jugea pas immérité son prix Nobel, comme s’il avait trouvé par hasard quelque chose d’extraordinaire sans même s’en rendre compte, et sans en tirer aucun parti. En fait Becquerel était un remarquable physicien, et sa démarche fut très logique devant un phénomène inattendu qu’il a exploré avec beaucoup de soin. Mais il fut limité par ses instruments et par le contexte de ses travaux.


Contact: lettreani
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