Pierre et Marie Curie

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Pierre Curie

Pierre Curie
Pierre Curie (1859-1906)

S’il n’avait pas le prestige social d’un Becquerel, Pierre Curie était un physicien exceptionnel. Il avait découvert en 1880 avec son frère Jacques la piézo-électricité (la propriété du quartz de générer par déformation des charges électriques) et en avait donné l’explication, il avait étudié en détail le magnétisme (la «loi de Curie» et le «point de Curie» en gardent la mémoire), et beaucoup réfléchi aux questions de symétrie («principe de Curie»).

Brillant théoricien, il était aussi un remarquable concepteur d’instruments de précision (balance de Curie, électromètre de Curie, etc.). Il fut nommé en 1882 professeur à l’École de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (EPCI) où il disposait d’un très modeste laboratoire. Autodidacte (son frère Jacques lui apprit beaucoup), la voie royale de la Sorbonne et de l’Académie des Sciences lui était en effet d’emblée fermée.

Il dut attendre de recevoir en 1903 le prix Nobel de physique pour que la Sorbonne lui ouvre ses portes et daigne le nommer professeur en 1904, puis que l’Académie des Sciences le juge enfin digne en 1905 d’entrer dans ses rangs.

Pierre et Jacques Curie et leurs parents
Pierre et Jacques Curie et leurs parents

La piézoélectricité

En 1880, Pierre Curie découvrit la piézoélectricité avec son frère Jacques: certains cristaux, dont le quartz, font apparaître des charges électriques en surface quand ils sont soumis à une pression.

Effet piézoélectrique (Wikipedia)
Effet piézoélectrique (Wikipedia)

Il en donna aussitôt l’explication: une pression sur un cristal de quartz déplace les charges électriques

Explication de l'effet piézoélectrique
Explication de l’effet piézoélectrique

ce qui engendre un champ électrique, d’où apparition de charges en surface, et un courant si le circuit est refermé. Inversement, appliquer un courant, donc un champ électrique, engendre une pression. Si le courant est un courant alternatif, l’alternance de compressions et de dilatations du quartz est une vibration du quartz (qui peut devenir importante si la fréquence correspond à une fréquence de résonance du cristal).

Carnet de notes de Pierre Curie: la piézoélectricité
Carnet de notes de Pierre Curie: la piézoélectricité

Pierre Curie eut tôt fait de trouver une première application pratique du phénomène, la balance à quartz:

Balance à quartz de Pierre Curie
Balance à quartz de Pierre Curie

Le quartz sert de capteur de pression qu’il convertit en tension mesurable.

Balance à quartz de Pierre Curie
Balance à quartz de Pierre Curie: détail du quartz (placé sous une cloche avec des godets d’acide asséchant l’air)

Les usages de la piézoélectricité sont très divers, de l’allume-gaz à la montre à quartz. Le quartz (ou aujourd’hui certaines céramiques dites PZT qui ont la même propriété de piézoélectricité mais des qualités mécaniques supérieures) sert très souvent à convertir une pression mécanique en tension électrique (qui peut ensuite alimenter un circuit électronique, un affichage, etc.), ou inversement à permettre à un signal électrique d’actionner une commande mécanique (usage fréquents en micro-mécanique de nos jours). Cela permet des réaliser des microphones ou des hauts-parleurs de petite taille (dans les téléphones par exemple), des sonars ou des capteurs pour l’échographie ultrasonore, des capteurs de pression pour les pneumatiques, des accéléromètres (console de jeu Wii par exemple). La liste des applications est immense.

Principe d'une montre à quartz
Principe d’une montre à quartz (A est une pile, le quartz est en B, C est un circuit intégré et D le micro-moteur qui fait avancer les aiguilles pas à pas)

Magnétisme

Pour son travail de thèse, Pierre Curie se tourna vers le magnétisme, et plus précisément sur les effets de la température sur l’aimantation. Il démontra que l’aimantation du fer (et plus généralement des matériaux ferromagnétiques) disparaissait au-dessus d’une température critique, appelée désormais « température de Curie » ou « point de Curie ». Pour le fer, elle est de 1043 K.

Ferro et para magnétismes
Ferromagnétisme et paramagnétisme

 Sa thèse de doctorat « Sur les propriétés magnétiques des corps à diverses températures » établit les lois applicables aux trois types d’éléments connus, diamagnétiques, paramagnétiques et ferromagnétiques et la disparition à haute température (point de Curie) des propriétés particulières de ces derniers.

Principes de symétrie et l’apport de Pierre Curie. Le principe de symétrie de Curie énonce un certain nombre de relations entre les éléments de symétrie des causes et ceux des effets produits lors d’un phénomène physique.

Instrumentation

Pierre Curie améliora fortement en 1885 la sensibilité de l’électromètre à quadrants inventé par Lord Kelvin

Schéma de Pierre Curie pour un électromètre à quadrants
Schéma de Pierre Curie pour un électromètre à quadrants
Base d'un électromètre
Base d’un électromètre à quadrants, laissant apparaître au centre en bas le miroir suspendu au fil et permettant d’en mesurer la rotation lors du passage d’un courant électrique.

Maria Skłodowska Curie

Marie Curie
Maria Skłodowska Curie (1867-1934)

La personnalité et la vie de Maria Skłodowska sont bien connues par les très nombreuses biographies de Madame Curie, à commencer par celle de sa fille Ève. Cinquième enfant du professeur Skłodowski, Maria devint, après son baccalauréat à 16 ans, préceptrice dans la famille Zorawski, pour aider sa sœur Bronisława (Bronia) à faire ses études de médecine à Paris. Elle l’y rejoignit en 1891 quand Bronia s’y installa comme médecin.

Marie, son père et deux de ses soeurs
Maria, Bronisława et Helena autour de leur père

Elle s’inscrivit à la Sorbonne, réussissant brillamment sa licence de physique en 1893, puis de mathématiques en 1894. Elle obtint alors une bourse de l’industrie métallurgique pour l’étudier les propriétés magnétiques des métaux. Elle fut donc naturellement mise en contact avec un bon spécialiste du sujet: Pierre Curie.

Pierre et Marie se marièrent en 1895, puis Marie prépara l’agrégation de physique dont elle sortit première en 1896. Sa première fille, Irène, naquit le 12 septembre 1897. La seconde, Eve, ne vit le jour que le 6 décembre 1904 car Marie avait entretemps décidé de se lancer dans une thèse de doctorat ès sciences. Elle fut la première femme en France à se lancer dans cette aventure.

Pierre et Marie Curie partant en voyage de noces
Pierre et Marie Curie partant en voyage de noces

Pierre suggéra à Marie fin 1897 de reprendre l’étude des rayons «uraniques» abandonnée par Becquerel. Elle soutint le 25 juin 1903 sa thèse «Recherches sur les substances radio-actives». Entretemps, elle avait découvert avec Pierre le polonium et le radium. Et ils reçurent ensemble le prix Nobel de physique de 1903 pour ces travaux.

Pierre et Marie Curie
Pierre Curie (1859-1906), physicien et Marie Curie (1867-1934), chimiste, lors de leur mariage

Le programme de recherche de Marie

Marie reprit donc l’étude des rayons uraniques là où Becquerel venait de l’abandonne. Elle décida de rechercher si d’autres corps que l’uranium pouvaient en émettre. Becquerel avait exclu cette éventualité, mais Marie savait pouvoir disposer d’une instrumentation beaucoup plus sensible que Becquerel gâce aux instruments de Pierre. «La question était entièrement nouvelle» écrivit-elle en 1923 dans sa biographie de Pierre. Ce n’était pas tout à fait exact, d’autres physiciens avaient déjà eu la même idée, mais leurs résultats étaient très confus. Marie décida d’utiliser l’ionisation de l’air pour détecter et comparer l’activité de différents échantillons et surtout d’employer pour cela l’électromètre de Kelvin, grandement perfectionné par Pierre, pour mesurer l’intensité du courant d’ionisation de ses échantillons. La plaque photographique était lente, l’électroscope peu précis, l’électromètre était l’outil idéal, mais son utilisation était très délicate.

Chambre d'ionisation
Chambre d’ionisation
Électromètre de Pierre Curie
Électromètre de Pierre Curie

L’idée de base est simple : un échantillon est placé entre les deux plaques d’un condensateur (une chambre d’ionisation dont le premier modèle fut une boîte de conserves récupérée) dont on mesure le courant de décharge grâce à l’électromètre : le passage du courant fait pivoter un miroir suspendu à un long fil de torsion en quartz, ce pivotement dévie un faisceau lumineux réfléchi par le miroir et qui revient sur une règle graduée. La vitesse de déplacement de la tache de lumière mesure l’intensité du courant. Becquerel avait signalé que le rayonnement de l’uranium rendait l’air conducteur (il ionisait l’air). D’où l’idée de Pierre Curie de mesurer l’intensité du rayonnement via l’intensité du courant traversant une chambre d’ionisation. Montage très délicat, mais très sensible grâce à l’électromètre à quadrants inventé en 1872 par Kelvin et amélioré par Pierre. Un des quadrants (l’aiguille du schéma) pivote par rapport à l’autre et entraîne la torsion du long fil de suspension. Cette torsion est repérée par la rotation d’un miroir qui réfléchit la lumière d’une source vers une réglette graduée.

Rotation de l'électromètre
Rotation de l’électromètre

Raffinement additionnel de Pierre Curie: la méthode différentielle. On ajoute à l’ensemble une balance à quartz sur laquelle on pose un poids, qui génère une charge électrique Q. On chronomètre le temps t nécessaire au courant de la chambre d’ionisation pour équilibrer la charge Q → i = Q/t. En pratique, c’est très fastidieux ! La méthode fut néanmoins utilisée jusque dans les années 1950 avant d’être définitivement remplacée par des compteurs (Geiger par exemple).

Le "montage Curie"
Le « montage Curie » de mesure de la radioactivité (exposé au musée Curie à Paris) : à gauche la « boîte » est la chambre d’ionisation où est placé l’échantillon dont on mesure l’activité, au centre (au fond) l’électromètre, au premier plan, la réglette graduée et, accrochée dessous la lampe dont la lumière est réfléchie par le miroir suspendu au fil de l’électromètre. À droite, au fond, la balance à quartz ajoutée ensuite, et sa boîte de poids.

L’EPCI où Pierre était professeur était un établissement d’enseignement formant des ingénieurs, mais nullement un centre de recherche, et il ne disposait pas vraiment de laboratoires. Le directeur de l’école permit à Pierre (et à Marie dont le statut était incertain) l’usage de hangars désaffectés.

Extérieur des hangars
Extérieur des hangars
Intérieur du hangar consacré à la physique
Intérieur du hangar consacré à la physique
Intérieur du hangar consacré à la chimie
Intérieur du hangar consacré à la chimie (le poêle à gauche a été immortalisé par la pièce de théâtre Les palmes de M. Schutz)

Une bizarrerie de la pechblende

Les carnets de laboratoire remplis – à deux mains – par Marie et Pierre Curie permettent de suivre leur cheminement, leurs hésitations, leurs doutes et leurs joies. Marie commença à utiliser l’électromètre le 16 décembre 1897, et elle ajouta au montage la balance à quartz piézo-électrique le 20 janvier pour que les mesures soient plus stables et plus précises. Sous la tension d’un poids, le quartz générait une charge électrique bien déterminée, et il ne restait qu’à mesurer avec un chronomètre le temps nécessaire au courant d’ionisation pour compenser cette charge. Ce «montage Curie» fut la clé de la réussite. Il resta utilisé plus d’un demi-siècle pour les mesures fines de radioactivité.

Pierre et Marie Curie aux commandes
Marie Curie aux commandes, la main droite soulevant le poids de la balance à quartz, la main gauche tenant le chronomètre et l’œil fixé sur la tache de lumière sur la règle. À ses côtés, Pierre Curie et son assistant, Petit. L’électromètre est ici en dehors de l’image, sur la gauche. ©ACJC

Le 10 février Marie put commencer ses premières mesures, en commençant, bien entendu, par reproduire les expériences de Becquerel, et surtout de Kelvin et ses collaborateurs, sur divers échantillons de sels d’uranium. Tous les composés de l’uranium se révélèrent actifs et cela d’autant plus qu’ils contenaient plus d’uranium: l’activité était bien liée aux atomes, indépendamment de leur composition chimique. Cependant, elle remarqua le 17 février une anomalie avec deux minerais : la pechblende et la chalcolite (aujourd’hui appelée plutôt torbernite).

Pechblende
Pechblende
Chalcolite (ou torbernite)
Chalcolite (ou torbernite)

Ils étaient deux fois plus actifs que l’uranium, et c’est là que l’on voit l’importance des mesures quantitatives précises que Marie Curie était seule à exécuter. Mais la chalcolite de synthèse ne possédait pas cette propriété, et Marie supposa donc qu’elle était due à une «impureté» contenue dans la chalcolite et la pechblende naturelles dont la composition est complexe. Elle ne s’attarda cependant pas sur cette anomalie et elle continua à étudier systématiquement d’autres substances.

L’anomalie notée par Marie Curie, qui conduisit à la découverte du polonium et du radium (comptes-rendus à l’Académie des Sciences, 12 avril 1898)
L’anomalie notée par Marie Curie, qui conduisit à la découverte du polonium et du radium (comptes-rendus à l’Académie des Sciences, 12 avril 1898)

Marie Curie découvrit ensuite, le 24 février 1898, que le thorium (Z=90) émettait des rayonnements ionisants similaires à ceux de l’uranium (Z=92). Elle inventa à cette occasion le terme de radioactivité, puisque le terme de « rayons uraniques » n’était plus pertinent. Cependant en Allemagne, à Erlangen, Gerhardt Schmidt l’avait précédée et il avait annoncé dès le 14 février que le thorium émettait des « rayons de Becquerel ». Grâce aux relations de Pierre parmi les minéralogistes, elle put examiner «un grand nombre de métaux, sels, oxydes et minéraux» dans les collections de minéralogie de l’EPCI, de la Sorbonne et du Muséum. Mais seuls les composés de l’uranium et du thorium montrèrent une activité mesurable. Elle publia le 12 avril 1898 une note sur les «Rayons émis par les composés de l’uranium et du thorium» mentionnant l’activité anormale des minerais d’uranium. Elle se posa bien sûr la question de la source d’énergie de ces rayons, et comme le thorium et l’uranium étaient les éléments les plus lourds connus (avec des masses atomiques de 234 et 238), cela lui suggéra une explication ingénieuse:

Explication de l'énergie de la radiaoctivitéOn découvrait presque chaque année de nouveaux rayonnements et il était logique de penser que certains corps pouvaient avoir la possibilité de capter ces rayonnements traversant l’espace comme de petites antennes, plus ou moins efficaces selon la nature des corps et des rayonnements.

Ce premier article de Marie Curie contient déjà en filigrane tous les travaux suivants de Pierre et Marie Curie:

  1. l’activité augmente avec la quantité de l’élément responsable (elle ne parle pas de proportionnalité car elle n’était pas du tout évidente à ce moment, en raison de l’absorption par l’élément lui-même d’une partie de son activité, les alphas essentiellement)
  2. l’activité est une propriété atomique de l’élément, identique quelle que soit sa forme physique ou chimique
  3. l’activité n’est pas propre à l’uranium (exemple du thorium), et elle devrait permettre de diagnostiquer la présence de nouvelles substances

Polonium

Marie Curie regrettait cependant d’avoir été devancée par Schmidt sur le thorium et, abandonnant cet élément, elle se focalisa sur l’anomalie découverte dans la pechblende. Comme elle venait de démontrer qu’aucun élément connu ne pouvait en être responsable, elle pensa qu’il devait exister dans la pechblende un élément inconnu et beaucoup plus actif que l’uranium : puisqu’il n’avait pas été décelé chimiquement jusque-là, il devait être présent à l’état de traces, et donc être particulièrement actif. Pierre la rejoignit alors dans ses recherches, et ils se lancèrent dès le 14 avril dans la séparation chimique des constituants d’un échantillon de quelques centaines de grammes de pechblende. Marie avait reçu une bonne formation de chimiste en Pologne, mais ils n’avaient bien sûr aucune idée des propriétés chimiques de ce nouvel élément, et ils tâtonnèrent donc quelque peu. Ils reçurent l’aide de chimistes de l’EPCI, Gustave Bémont en particulier, et ils utilisèrent les méthodes usuelles de chimie minérale, en se guidant « par le contrôle de l’activité radiante des produits séparés à chaque opération ».

Finalement, le « corps actif » resta avec le bismuth, et ils l’en séparèrent en répétant des cristallisations fractionnées (les premiers cristaux qui apparaissaient étaient plus actifs que la solution). Ils obtinrent ainsi un corps 400 fois plus actif que l’uranium, qu’ils proposaient d’appeler polonium, en l’honneur de la patrie de Marie (alors partagée entre les empires russe, allemand et austro-hongrois). Les Curie annoncèrent leur résultat dans une note du 13 juillet 1898 à l’Académie des Sciences avec le titre « Sur une substance nouvelle radio-active, contenue dans la pechblende ». C’était la première fois qu’apparaissait publiquement le terme de radioactivité. Comme le thorium et le polonium émettaient des rayons « uraniques », ce terme ne paraissait plus approprié : il s’agissait manifestement d’une propriété nouvelle de la matière, la radioactivité.

La recette du polonium © K. Kabzinska
La recette du polonium © K. Kabzinska

Avec le recul, nous savons que cette substance « 400 fois plus active que l’uranium » contenait extrêmement peu de polonium : le polonium 210 est dix milliards de fois plus radioactif que l’uranium 238. Les Curie avaient en réalité isolé du sulfure de bismuth avec des traces (moins d’une partie par million) de polonium. Cela explique que la spectroscopie n’ait pu déceler d’autres raies que celles du soufre et du bismuth. Isoler le polonium fut un long travail, le laboratoire Curie ne parvenant qu’en 1910 à isoler quelques milligrammes d’une substance contenant 1% de polonium, permettant d’identifier des raies caractéristiques dans son spectre. De plus, le polonium 210 a une période de 140 jours, il disparaît donc rapidement des échantillons. Dans la nature il est constamment régénéré par les désintégrations radioactives à partir de l’uranium. Les Curie avaient en réalité isolé du sulfure de bismuth avec des traces de polonium (moins d’une partie par million). Le Po210 est 10 milliards de fois plus radioactif que l’uranium.

Radium

En isolant le polonium, les Curie avaient repéré la présence d’une autre substance radioactive, plus rare et au comportement chimique complètement différent et analogue à celui du baryum. Après une pause de trois mois, sans doute pour attendre la livraison de 5 kilos de pechblende, les travaux reprirent le 11 novembre. La méthode de séparation était analogue, quoique différant dans les détails, et Gustave Bémont apporta à nouveau une aide précieuse aux Curie. La nouvelle substance était si voisine du baryum qu’il était, là encore, impossible de l’en séparer par des méthodes purement chimiques et il fallut à nouveau recourir à la cristallisation fractionnée. La nouvelle substance demeurait mêlée à une forte proportion de baryum, mais l’activité du mélange dépassait 900 fois celle de l’uranium, et une raie inconnue apparaissait dans son spectre. Sur ces bases, les Curie proposèrent, le 26 décembre 1898, dans une communication à l’Académie des Sciences l’existence d’une nouvelle substance extrêmement radioactive, à laquelle ils donnèrent le nom de radium.

La recette du radium (1)
La recette du radium (1)
La recette du radium (2)
La recette du radium (2)

Ici encore, les Curie avaient en réalité isolé du sulfure de baryum contenant moins de 0,1% de radium, qui est 3 millions de fois plus radioactif que l’uranium. Il était cependant clair pour les Curie que des quantités énormes de minerai, se chiffrant en tonnes, seraient nécessaires pour extraire des quantités utiles de radium : pour continuer les recherches, il fallait passer rapidement à une échelle industrielle ! En 1902, Marie parvient à isoler 0,1 g de chlorure de radium, lui permettant d’estimer à 225±1 sa masse atomique.

Pourquoi trouve-t-on du radium et du polonium dans les minerais d’uranium? La réponse vint quelques années plus tard, quand Rutherford et ses collaborateurs établirent que la radioactivité était la conséquence de transmutations dans lesquelles un atome (en fait un noyau) se transforme en un autre, que ce phénomène pouvait se répéter et donc conduire à des chaînes de transmutation radioactives aux étapes nombreuses. Quand les physiciens finirent par démêler l’écheveau de ces transmutations, en introduisant en particulier la notion d’isotope (due à Soddy), il s’avéra que la séquence des transmutations à partir de l’uranium, qui est à l’état naturel à 99.3% de l’uranium 238, est la suivante:

Chaîne de transmutations de l'uranium
Chaîne de transmutations de l’uranium au radon
Chaîne de transmutations de l'uranium (suite)
Chaîne de transmutations du radon au plomb

À un instant donné, toutes les étapes de la chaîne sont simultanément présentes (en quantité extrêmement variable dépendant de leur demi-vie radioactive). Dans un minerai d’uranium, on trouve donc inévitablement du radium 226 et du polonium 210.

 


Contact: lettreani
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