Les rayons X

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Wilhelm Conrad Röntgen

Wilhelm Conrad Röntgen
Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923)

Professeur de physique à l’université de Strasbourg (1876) , puis à l’université de Giessen (1879) en Hesse et ensuite à l’université de Würzburg (1888), dont il devient recteur en 1895.

Ses travaux portèrent successivement sur la thermodynamique des gaz(1870), la polarisation de la lumière (1876) et les propriétés électriques des cristaux (~1880) et enfin sur les décharges électriques dans les gaz (~1890).

Décrit comme timide, taciturne, très minutieux et extrêmement persévérant, Röntgen est l’exemple même du «savant de base», solide mais apparemment sans génie, dont les recherches sont indispensables. Après sa découverte des rayons X (1895), il devint professeur à Munich (1900) et reçut le premier Prix Nobel de physique (1901).

Laboratoire de Röntgen
Le laboratoire de Röntgen en 1895 à l’Institut de Physique de Würzburg qu’il dirigeait (son appartement de fonction se situait juste au-dessus).

Une découverte inattendue

Comme bien d’autres, étudiait les rayons cathodiques quand il découvrit le 8 novembre 1895 que leur émission s’accompagnait de celle de rayons inconnus, qu’il baptisa « rayons X ». Il voulait savoir ce qui arriverait aux rayons cathodiques s’ils sortaient du tube, et remplaça donc le verre à l’extrémité du tube par une mince «fenêtre» métallique (méthode de Hertz et Lenard). Comme détecteur, il utilisait un écran en papier recouvert de platinocyanure de baryum, dont la fluorescence devait être excitée par l’impact des rayons cathodiques . Le tube cathodique, un tube de Crookes, était enveloppé de papier noir pour masquer la lumière de la décharge et la fluorescence du verre du tube. En fonctionnement «normal», l’écran aurait été à quelques centimètres de la «fenêtre» car on savait que les rayons cathodiques sont vite absorbés par l’air.

Le 8 novembre 1895, le montage était prêt, mais l’écran était encore très éloigné du tube. Röntgen remarqua qu’il s’illuminait malgré tout à chaque action de la bobine de Rumkhorff. Le phénomène bizarre persistait en déplaçant l’écran ou en le pivotant,    en intercalant entre l’écran et le tube des planches de bois, des livres, divers obstacles. Il était clair que les rayons cathodiques n’y étaient pour rien et Röntgen conclut à l’émission d’un autre rayonnement, inconnu. Ces rayons « X » pouvaient traverser (avec plus ou moins de facilité) des corps opaques, exciter la fluorescence du verre et de certains sels comme le platino-cyanure de baryum.

Radiographie de la main de Bertha Röntgen
Radiographie de la main de Bertha Röntgen

Pendant un mois, Röntgen étudia minutieusement en cachette les propriétés de ce rayonnement. Il découvrit que s’il interposait sa main, son ombre apparaissait sur l’écran, ou plus exactement l’ombre des os de sa main! Il découvrit aussi que ces rayons impressionnaient les plaques photographiques et qu’il était ainsi possible d’enregistrer leur passage. Il finit par en parler à sa femme Bertha, dont il radiographia la main.

Il publia ses résultats le 28 décembre 1895, et envoya dès le 1° janvier une copie de son mémoire – accompagnée de la radio de la main de Bertha — à la plupart des sociétés savantes d’Europe.

Article de Röntgen
W.C. Röntgen : Sur un nouveau type de rayonnement (Publication préliminaire)

«Nous avons vite découvert que tous les corps sont transparents à cet agent, bien qu’à différents degrés.»

«Si la main est interposée entre le tube à décharge et l’écran, l’ombre plus sombre des os est vue dans l’ombre légèrement marquée de la main elle-même.»

Après cet article, Röntgen en publia un deuxième en mars 1896, et un autre, son dernier sur le sujet, en mars 1897. Röntgen pensait que les rayons X étaient des vibrations longitudinales de l’éther (la lumière et les rayons hertziens étant des vibrations transverse). Bien qu’en fait incohérente avec la théorie de Maxwell, encore mal comprise, cette idée fut défendue pendant quelques années par Poincaré, Fitzgerald, Lorentz, Thomson, Lodge. L’idée, pourtant correcte, qu’il s’agissait d’un rayonnement électromagnétique de longueur d’onde plus courte encore que les rayons ultraviolets ne fut pas retenue car les rayons X ne subissaient apparemment pas de réfraction. Barkla démontra en 1906 qu’ils étaient polarisables, et finalement von Laue en 1912 les diffracta sur des cristaux.

Le choc

Une des premières radiographies de Röntgen : la main de son collègue Rudolf von Kölliker en 1896.
Une des premières radiographies de Röntgen : la main de son collègue Rudolf von Kölliker en 1896

La découverte de Röntgen fit l’effet d’un coup de tonnerre (cf. A. Pais, Inward bound p.38). L’enthousiasme fut général. Les médecins se jetèrent sur cette possibilité de plonger au cœur de l’organisme vivant, et les physiciens se ruèrent sur l’étude des rayons X. En France, le Dr Toussaint Bartélemy apprit le 5 janvier l’existence de ces « photographies de l’invisible » par un article du Frankfurter Zeitung et il parvint à les reproduire avec l’aide de son ami le Dr Paul Oudin. Il envoya ses photographies à l’illustre mathématicien et physicien Henri Poincaré qui les présenta à l’Académie des Sciences le 20 janvier.

Les amoureux trahis par les rayons X
Les amoureux trahis par les rayons X

Mais le monde savant ne fut pas le seul à s’enthousiasmer, la nouvelle faisait les gros titres des quotidiens et le grand public était fasciné. Dès le 10 janvier 1896, le Petit Parisien annonçait : « On parle beaucoup en ce moment à Vienne d’une découverte sensationnelle qui est appelée, croyons-nous, à un grand retentissement dans le monde savant. […] Le très distingué professeur Röntgen de l’Université de Würtzburg […] a pu photographier une série d’objets invisibles, tels que […] les os de la main d’une personne qui travaillait avec lui dans son laboratoire […] C’est le membre d’un squelette et non une main vivante, dirait-on. Et cependant il n’y a pas de doute possible… Est-il besoin d’insister sur l’importance d’une pareille découverte, dont les conséquences sont incalculables. » Les caricaturistes s’en donnèrent à coeur joie comme le montre la carte postale humoristique des amoureux dans le fiacre.

Antoine Béclère
Antoine Béclère

Antoine Béclère ouvrit (à ses frais) le premier cabinet de radiologie en 1897 à l’hôpital Tenon pour le dépistage de la tuberculose, maladie qui faisait alors des ravages.

Très vite, les médecins radiologues constatèrent l’apparition rapide de radiodermites sur les mains des opérateurs qui manipulaient sans aucune précaution les tubes à rayons X. Faute d’instruments au début, la méthode usuelle pour évaluer si un tube fonctionnait bien était de mesurer le temps d’apparition de rougeurs sur une main placée dans le faisceau.

Radiodermite
Radiodermite

Les médecins notèrent ensuite l’apparition de cancers cutanés, puis plus généraux, parmi les opérateurs et les médecins. Cela conduisit aux premières règles de radioprotection, mais aussi aux premiers essais de traitements des maladies de peau et des cancers par les rayons X.

D’où viennent les rayons X?

Dans un tube de Crookes, la cathode est chauffée pour faciliter l’émission d’électrons. La très forte différence de potentiel V entre les électrodes (plusieurs kilovolts) accélère les électrons qui percutent l’anode où ils sont brutalement arrêtés. Ce ralentissement entraîne une intense émission électromagnétique (rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung). Le spectre en est continu, avec une énergie maximale qui est celle de l’électron incident eV, donc dans la gamme des kilo-électron-volts (keV) qui est celle des rayons X (fréquence n = eV/h).

Le spectre électromagnétique (© XKCD)
Le spectre électromagnétique (© XKCD)

Contact: lettreani
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