La gloire des Curie

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Radioexcitation

Timbre en l'honneur de Marie Curie
Timbre en l’honneur de Marie Curie

La découverte du radium eut un retentissement aussi grand que celle des rayons X deux ans plus tôt. La personnalité des découvreurs y était pour beaucoup, mais aussi la radioactivité considérable du radium. Celui-ci fut même le sujet d’innombrables romans et pièces de théâtre.

La course au radium: un roman de Paul d'Ivoi
La course au radium: un roman de Paul d’Ivoi en 1909
La danse du radium, roman
La danse du radium

La découverte du radium ressuscita l’intérêt pour les rayons de l’uranium et du thorium. Ernest Rutherford à Cambridge, puis à Montréal, André Debierne et Paul Villard à Paris, Friedrich Oskar Giesel, Stefan Meyer et Egon von Schweidler à Vienne, Julius Elster et Hans Friedrich Geitel à Heidelberg, Friedrich Ernest Dorn à Halle, William Ramsay à Londres, tous se passionnèrent pour la radioactivité. Même Becquerel s’y remit ! Le prix Nobel de physique le récompensa en 1903 pour sa découverte de la radioactivité, ainsi que Pierre et Marie Curie pour leurs contributions à l’étude de cette radioactivité. Pierre dut beaucoup insister pour que Marie partage le prix avec lui, et le prix ne mentionnait pas le polonium, ni le radium, dont l’existence était alors contestée par les chimistes (ce n’est qu’après avoir isolé du radium sous forme métallique que Marie Curie reçut le prix Nobel de chimie en 1911).

Caricature parue en 1904 dans Vanity Fair ©ACJC
Caricature parue en 1904 dans Vanity Fair ©ACJC

Rutherford avait montré dès janvier 1899 que le rayonnement de l’uranium était de deux types, qu’il baptisa alpha et bêta : les rayons alpha ionisaient fortement l’air mais étaient peu pénétrants, les rayons bêta ionisaient moins mais pénétraient plus les obstacles. Les Curie retrouvèrent cette même distinction pour le rayonnement du radium en novembre 1899. Dans leur laboratoire, toujours en 1899, Debierne découvrit dans la pechblende un nouveau corps radioactif, l’actinium. La même année, Becquerel identifia les rayons bêta aux rayons cathodiques (les électrons) et, en même temps que Giesel, il montra qu’ils étaient déviés par un champ magnétique. En avril 1900, Villard observa un troisième type de rayonnement, bien plus pénétrant que les deux autres et non dévié par un champ magnétique, les rayons gamma. Max von Laue montra en 1912 qu’il s’agissait d’un rayonnement électromagnétique, comme la lumière ou les rayons X, mais de plus courte longueur d’onde. Les rayons alpha semblaient plus intéressants pour la physique du fait de leur forte interaction avec la matière, mais les bêtas et les gammas parurent avoir plus d’avenir en médecine et en biologie.

En octobre 1900, Giesel puis Walkoff annoncèrent que les sels de radium brûlaient la peau.Giesel plaça pendant quelques heures du radium sur son bras et nota l’évolution de la profonde brûlure que cela entraîna, observation confirmée peu après par Otto Walkoff. Elster et Geitel (inventeurs de la cellule photoélectrique) étudiaient l’ionisation de l’atmosphère et ils se rendirent compte en 1901 que l’air comme le sol étaient légèrement radioactifs. En 1901, Becquerel fut sérieusement brûlé par un échantillon de radium que lui avait confié Pierre Curie.

Celui-ci explora alors les effets biologiques du radium, d’abord sur lui-même, puis avec avec le Dr Danlos, dermatologue à l’Hôpital Saint-Louis. Pierre Curie en mentionne les résultats dans son discours de réception du prix Nobel:

Enfin dans les sciences biologiques les rayons du radium et son émanation produisent des effets intéressants que l’on étudie actuellement. Les rayons du radium ont été utilisés dans le traitement de certaines maladies (lupus, cancer, maladies nerveuses). Dans certains cas leur action peut devenir dangereuse.

Thomson annonça en 1903 que l’eau, elle aussi, était radioactive (elle contient en effet du radon dissous) et cela suscita beaucoup d’intérêt pour le thermalisme dont on pensa comprendre l’origine des bienfaits.

Buvard publicitaire vantant les eaux "hyperthermales très radioactives" de Plombières
Buvard publicitaire vantant les eaux « hyperthermales très radioactives » de Plombières (Musée Curie, Paris)

En 1903 toujours, Elster et Geitel découvrirent (en même temps que William Crookes) que le sulfure de zinc scintillait en recevant un rayon alpha. Cela permettait de compter les transmutations une par une : si leur rythme moyen était constant, leur survenue se révéla aléatoire, ce qui troubla beaucoup les physiciens.

La concurrence devenait très intense, mais les Curie gardaient une longueur d’avance. Les sources radioactives qu’ils préparaient étaient dix à vingt fois plus pures et donc plus intenses que celles de leurs rivaux, ce qui rendait beaucoup plus nets les phénomènes observés. Mais il fallait des tonnes de minerai d’uranium pour en extraire des milligrammes de radium. Ce minerai était coûteux, mais Pierre obtint à bas prix des résidus de pechblende, du minerai dont l’uranium avait déjà été extrait et qui n’avait (au début) aucune valeur marchande. Cent kilos arrivèrent à Paris début 1899, et Pierre Curie engagea André Debierne pour l’assister. Il passa également un contrat avec la Société Centrale de Produits Chimiques (société qui commercialisait déjà les instruments qu’il avait inventés). Cette société prenait en charge les premières étapes de la séparation chimique des sels radioactifs, en conservait une partie qu’elle commercialisait (les prix montaient en flèche devant une demande sans cesse accrue) et donnait le reste au laboratoire Curie qui effectuait les dernières étapes de séparation. Ce travail final demeurait cependant très lourd (Marie Curie racontera volontiers plus tard les conditions pénibles dans lesquelles elle dut travailler). Une tonne de résidus fut traitée au cours de l’été 1899, deux tonnes supplémentaires fin 1899, six en 1900, cinq en 1902.

Mais en 1903, le gouvernement autrichien décréta un embargo sur les exportations de résidus de pechblende. Les Curie furent cependant épargnés par cet embargo (à la grande fureur de leurs collègues, britanniques et allemands en particulier) et ils reçurent dix tonnes de minerai en 1904. Avec les 100 mg de chlorure de radium dont elle disposait alors, Marie Curie donna en 1902 une première estimation de la masse atomique du radium : 225±1 . La valeur actuelle est 226. Tous ces résultats lui permirent de soutenir brillamment sa thèse de doctorat en juin 1903, quelques mois avant de partager le prix Nobel de physique avec son mari, et Becquerel.

La thèse de doctorat de Marie Curie
La thèse de doctorat de Marie Curie

Le prix Nobel

Marie Curie, à l'époque du premier prix Nobel
Marie Curie, à l’époque du premier prix Nobel

Alfred Nobel avait créé en 1895 un prix pour récompenser des œuvres exceptionnelles en Physique, Chimie, Physiologie et médecine, Littérature et Paix. `

Les premiers prix furent attribués en 1901: Röntgen reçut le prix de physique. Lorentz et Zeeman se partagèrent celui de 1902 (effets du magnétisme sur le rayonnement). Des rumeurs suggéraient que le prix de 1903 allait être partagé entre Henri Becquerel et Pierre Curie. Pierre Curie insista fortement pour que sa femme soit considérée comme son égale, et non une simple assistante → Becquerel reçut la moitié du prix et Pierre et Marie chacun un quart

Pierre Curie obtint enfin une chaire de physique à la Sorbonne et il fut admis en 1905 à l’Académie des Sciences. La chaire fut créée spécialement pour lui, axée sur la radioactivité mais lui laissant toute latitude pour aborder d’autres sujets comme les questions de symétrie ou l’ionisation des gaz car Pierre Curie songeait toujours à revenir à ses travaux de cristallographie. Il disposait enfin, rue Cuvier, d’un laboratoire correctement équipé, en instruments et il disposait surtout des sources de radioéléments particulièrement précieuses. Il put ainsi poursuivre ses recherches, en collaboration avec Marie Curie qui avait le titre de chef de travaux, et quelques élèves. Marie était depuis 1900 chargée de cours, puis professeur, à l’École Normale Supérieure de Jeunes Filles à Sèvres, où elle avait ajouté au programme de physique un enseignement de mathématiques et des travaux pratiques.

L’industrie du radium

Une partie de la fascination provoquée par le radium venait de son prix exorbitant. Dans les premiers temps, il n’était extrait que des mines de Joachimstahl en Bohême, à raison d’un gramme pour 5 à 10 tonnes de résidu de pechblende, au terme d’une longue suite d’opérations chimiques et physiques. Un industriel, Armet de Lisle, ouvrit en 1904 à Nogent-sur-Marne, avec l’aide des Curie, la première usine au monde d’extraction du radium (extrayant aussi de l’uranium, du thorium, de l’actinium, et du polonium, puisque ces éléments sont toujours présents ensemble). L’usine fonctionna jusqu’en 1928 (l’école primaire Marie Curie occupa les lieux, quelque peu contaminés, de 1968 à 1998).

Les tarifs de l’usine d’Armet de Lisle ©ACJC
Les tarifs de l’usine d’Armet de Lisle ©ACJC

À l’échelle industrielle, Armet de Lisle installa en 1904 la première usine à Nogent sur Marne. Elle effectuait les premières étapes de la séparation : une tonne de résidu de pechblende, cinq tonnes de produits chimiques cinquante tonnes d’eau de lavage → 1 à 2 mg de bromure de radium. Les produits semi-finis partaient au laboratoire Curie pour les dernières étapes. Utilisations: médicales (radium puis radon), industrielles (montres phosphorescentes…)

On estime qu’il y avait environ 4 g de radium disponibles dans le monde en 1904 (dont 1.5 en France, 1 en Allemagne, 0.5 en Grande-Bretagne et 0.5 aux États-Unis). L’embargo instauré par le gouvernement austro-hongrois déclencha la recherche d’autres gisements dans le monde. Le minerai de carnotite du Colorado permit à la Standard Chemical Co. de Pittsburgh de produire 200 g de radium en une douzaine d’années, de 1913 à 1926, la moitié à usage médical, l’autre à usage industriel (en particulier des peintures phosphorescentes pour les cadrans de montre). Le prix était alors de l’ordre de 100 000 $ (de l’époque, soit à peu près 1 M €) le gramme. C’est d’ailleurs une collecte effectuée auprès des femmes américaines qui permit d’offrir en 1921 un gramme de radium à Marie Curie.

Cristallisation fractionnée pour séparer radium et baryum à l’usine de la Standard Chemical
Cristallisation fractionnée pour séparer radium et baryum à l’usine de la Standard Chemical

À la suite de la découverte en 1915 de la mine de Shinkolobwe, dans ce qui était alors le Congo Belge, l’Union Minière du Haut Katanga ouvrit en 1922 une usine près d’Anvers qui produisit de 50 à 100 g de radium par an (selon les besoins des clients), le prix diminuant de 75 000 à 25 000$ le gramme. En 1930 s’ouvrit l’Eldorado Gold Mine, à Port Hope au Canada, et les Canadiens montèrent un cartel avec les Belges (60% du marché pour les Belges, 40% pour les Canadiens). On estime qu’au total, 1 500 g de radium furent produits dans le monde jusqu’en 1940 (mais presque plus rien par la suite), dont le tiers se trouvait alors en Europe. La mine de Joachimsthal (Jachimov en tchèque) a continué à extraire du radium (à raison de 3 g par an) et surtout à livrer de l’uranium (à l’Allemagne après l’annexion des Sudètes en 1938, puis à l’URSS après 1945). C’est aujourd’hui une station thermale réputée.

Jachimov aujourd'hui
Jachimov aujourd’hui

Complications

Assez rapidement, les Curie se plaignirent que les mesures devenaient difficiles dans leur laboratoire car l’air y était ionisé presque en permanence. Cela faussait les délicates mesures, la radioactivité serait-elle contagieuse ? Les Curie pensèrent que des poussières riches en radium causaient ces troubles, mais cette radioactivité « induite » diminuait rapidement avec le temps, ce qui n’était pas le cas des sels de radium.

Dorn découvrit que du radium émanait un gaz, que l’on baptisa faute de mieux « émanation du radium ». Il ne reçut son nom actuel de radon 222 qu’en 1923. Cette émanation laissait à son tour un dépôt radioactif sur les instruments. À Montréal, Rutherford découvrait, lui, une « émanation du thorium », appelé ensuite thoron et aujourd’hui radon 220. Cela le conduisit à découvrir la transmutation nucléaire, et à comprendre peu à peu pourquoi le radium et le polonium étaient toujours mêlés à l’uranium et au thorium, la raison de leurs proportions relatives, et de leurs différences de radioactivité.

Mais ce qui surprenait le plus les physiciens, c’était la propriété des corps radioactifs de libérer en permanence de l’énergie de façon apparemment inépuisable. Non seulement cela allait à l’encontre de la loi bien vérifiée de la conservation de l’énergie, mais il s’agissait en plus d’une énergie considérable. Dès sa note du 12 avril 1898, avait Marie Curie suggéré:

Explication de l'énergie de la radiaoctivitéLe radium rayonne de la lumière en permanence (ou, pour être exact, il excite les molécules d’air qui rayonnent de la lumière) ainsi qu’une chaleur suffisante pour chauffer de l’eau : Pierre Curie et Albert Laborde mesurèrent en 1903 un dégagement constant de chaleur de l’ordre de 100 calories par gramme et par heure. Quelle pouvait être la source de cette énergie inépuisable ? En 1900, Marie Curie pensait que « le rayonnement est une émission de la matière accompagnée de la perte de poids des substances radioactives ». Prémonitoire ? Oui, mais il n’y avait pas d’indication expérimentale allant en ce sens, la perte de masse supposée n’était pas mesurable, et aucun changement de nature de l’uranium, du thorium ou du radium ne se manifestait jusque-là dans les expériences. En 1902, Pierre et Marie Curie revinrent donc à l’idée « que le radium utilise une énergie extérieure de nature inconnue », fonctionnant comme une antenne qui capterait continuellement une énergie diffuse baignant tout l’espace. Ils s’intéressaient beaucoup au spiritisme à ce moment-là, participant à des expériences avec des médiums comme Eusapia Palladino.

Rutherford penchait, lui, pour une transformation interne de l’atome, conforté en ce sens par les expériences qu’il menait alors avec Frederick Soddy et qui les conduisirent à la notion de transmutation des atomes et à l’alchimie nucléaire. En 1905, Einstein publia sa célèbre équation E = mc2, donnant une explication à l’énergie considérable libérée par les corps radioactifs au prix d’une diminution infinitésimale de leur masse. Quelle que fût l’origine de l’énergie du radium, Pierre Curie en entrevit immédiatement toutes les conséquences et il termina en 1905 sa conférence Nobel par :

On peut concevoir encore que dans des mains criminelles le radium puisse devenir très dangereux, et ici on peut se demander si l’humanité a avantage à connaître les secrets de la nature, si elle est mûre pour en profiter ou si cette connaissance ne lui sera pas nuisible. L’exemple des découvertes de Nobel est caractéristique ; les explosifs puissants ont permis aux hommes de faire des travaux admirables. Ils sont aussi un moyen terrible de destruction entre les mains des grands criminels qui entraînent les peuples vers la guerre. Je suis de ceux qui pensent avec Nobel que l’humanité tirera plus de bien que de mal des découvertes nouvelles.

En s’inspirant du livre de vulgarisation sur la radioactivité écrit en 1909 par Frederick Soddy, le romancier Herbert-George Wells décrivit dans The World Set Free (publié début 1914 et traduit en français sous le titre La destruction libératrice) le développement de l’énergie nucléaire, et une guerre dans laquelle des bombes nucléaires seraient larguées d’avion. Il imagina au passage que la possibilité de rendre des corps artificiellement radioactifs serait mise au point en 1933 (ce n’est qu’en 1934 que les Joliot-Curie découvrirent la radioactivité artificielle !).

Le roman de H.G. Wells qui anticipe l’énergie nucléaire
Le roman de H.G. Wells qui anticipe l’énergie nucléaire

La mort de Pierre Curie

Le 19 avril 1906, Pierre Curie fut renversé par un camion (hippomobile) qu’il ne vit pas arriver alors qu’il traversait une rue sous la pluie, abrité par son parapluie. Il tenta de se raccrocher à l’un des percherons, mais glissa entre les sabots. La roue arrière gauche lui broya la tête, le tuant sur le coup. Le choc fut immense pour Marie qui mit plusieurs années à s’en remettre partiellement.

Ernest Rutherford (1871-1937)
Ernest Rutherford (1871-1937)

La mort accidentelle de Pierre Curie en 1906 entraîna l’arrêt des nombreux travaux du laboratoire Curie consacrés à la physique de la radioactivité, et le laboratoire s’orienta plutôt vers la chimie des substances radioactives, la métrologie et les applications thérapeutiques (par un rapprochement avec l’Institut Pasteur où Jean Danysz étudiait les effets du radium sur divers organismes vivants, les bactéries en particulier).

Cela laissa le champ libre à Rutherford et ses collaborateurs pour résoudre la question de l’origine de la radioactivité, de son énergie, et de la structure de l’atome. Les « années Rutherford » changèrent directement et indirectement la face du monde.

L’Institut du Radium de Paris

Après la mort de Pierre Curie, Marie lui succéda à sa chaire de la Sorbonne, d’abord avec le simple titre de chargée de cours (la chaire étant déclarée vacante), avant de devenir enfin professeur, deux ans plus tard . Elle fut alors la première femme professeur d’université en France. Elle obtint également la direction du laboratoire Curie, assistée d’André Debierne.

Leçon inaugurale de Marie Curie à la Sorbonne, le 5 novembre 1906
Leçon inaugurale de Marie Curie à la Sorbonne, le 5 novembre 1906

Le premier cours de Marie Curie fut un événement mondain et le public s’y pressa en nombre.

Son cours terminé, et après avoir donné une vision de la petite lueur bleue du radium, madame Curie se retira comme elle était apparue, modeste et simple, insensible aux applaudissements et aux ovations de son auditoire.

rapporta L’Illustration tandis que Le Journal y vit une grande victoire du féminisme :

Le temps est proche où les femmes deviendront des êtres humains.

D’autres virent cependant un objet de scandale dans cette place faite à une femme, d’origine étrangère qui plus est.

Émile Roux, directeur de l’Institut Pasteur, proposa en 1909 à Marie Curie la création conjointe avec l’université d’un institut destiné à l’étude du radium. Grâce à un legs de D. Osiris, l’Institut du Radium fut inauguré en 1914. Il était formé de deux pavillons: le pavillon Curie où devaient être étudiées les propriétés physiques et chimiques de la radioactivité, et le pavillon Pasteur consacré aux applications médicales sous la direction de Claudius Regaud (1870-1940), pionnier de la radiothérapie.

Institut du Radium, pavillon Curie
Institut du Radium, pavillon Curie
Institut du Radium, pavillon Pasteur avec les bustes de Marie et Pierre Curie
Institut du Radium, pavillon Pasteur avec les bustes de Marie et Pierre Curie

Un dispensaire fut ajouté en 1923, puis un hôpital en 1936. L’Institut du Radium est devenu Institut Curie en 1970.

Dispensaire de l'Institut du Radium
Dispensaire de l’Institut du Radium

Turbulences et honneurs

Premier Congrès Solvay (1911)
Premier Congrès Solvay (1911)
Marie Curie dans son laboratoire
Marie Curie dans son laboratoire

Prix Nobel de chimie 1911

Prix Nobel de Marie Curie en 1911
Prix Nobel de Marie Curie en 1911

Assombri par le déchaînement de la presse de droite lors de « l’affaire Langevin »

Le curie, unité de radioactivité = nombre de désintégrations par seconde dans un gramme de radium [en principe en l’honneur de Pierre]:

1 curie (Ci) = 107 becquerels (Bq)

Les « petites Curie »: unités mobiles de radioscopie pendant le 1° guerre mondiale
Les « petites Curie »: unités mobiles de radioscopie pendant la 1° guerre mondiale

Sa fille, collaboratrice puis successeur: Irène Curie

Irène et Marie Curie en 1921 à l’Institut du Radium
Irène et Marie Curie en 1921 à l’Institut du Radium

« Le gramme de radium », une belle opération de relations publiques

Marie Curie et le président des États-Unis Warren Harding en 1921
Marie Curie et le président des États-Unis Warren Harding en 1921

Devenue une légende

Marie Curie, avec Pierre en arrière-plan, sur le billet de 500 F
Marie Curie, avec Pierre en arrière-plan, sur le billet de 500 F

J’ai retiré ce radium de la pechblende Et j’ai brûlé mes doigts à ce feu défendu. Aragon (Les yeux d’Elsa 1942)

Hommage à Marie Curie par Google
Hommage à Marie Curie par Google

Plus de 50 biographies en français sont consacrées à Marie Curie (et occasionnellement à Pierre Curie).


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