Rutherford alchimiste: transmutations

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Transmutations

Frederick Soddy

Frederick Soddy
Frederick Soddy (1877-1956)

Frederick Soddy fut nommé en 1900 démonstrateur de chimie à McGill, où il resta 2 ans → collaboration très fructueuse avec Rutherford, d’abord sur l’émanation, puis sur les transmutations radioactives. Il retourna à Londres en 1903, où il collaboration avec William Ramsay sur les gaz inertes — dont le radon Nommé professeur à Glasgow en 1904, il y démêla l’écheveau des filiations radioactives (montrant que le radium provenait de l’uranium) Il y conçut également la notion d’isotope. Professeur à Aberdeen en 1914, puis à Oxford en 1919, il reçut le prix Nobel de chimie en 1921 pour ses travaux sur les isotopes Il proposa ensuite — sans succès —une réforme de l’économie (anticipant J.M. Keynes).

Thorium X

La découverte des émanations et de la part importante qu’elles jouaient dans la radioactivité du radium et du thorium avait conduit en 1900 Crookes à préparer de l’uranium chimiquement pur, et à observer que sa radioactivité était quasi-nulle. La radioactivité attribuée à l’uranium devait donc résulter d’une impureté inconnue, baptisée faute de mieux uranium X. Becquerel confirma ce résultat en 1901, mais il remarqua que la radioactivité de l’uranium pur réapparaissait progressivement, ce qui l laissa perplexe car cela semblait exclure l’idée d’une impureté. Après les travaux de Rutherford et Soddy, la question de l’uranium X fut reprise, et il s’avéra qu’il y avait en fait un uranium X1 et un uranium X2, puis un uranium Z, puis d’autres éléments radioactifs encore…

De son côté, Rutherford voulut vérifier si le thorium était bien à l’origine de son émanation. Au cours du printemps 1901, Soddy isola donc du thorium très pur en faisant agir de l’ammoniac sur du nitrate de thorium, précipitant le thorium. Mais le précipité de thorium se révéla inactif, tandis que ce restait dans la solution était radioactif, et produisait de l’émanation! Ils baptisèrent thorium X cet élément actif, qui pourtant n’était chimiquement pas du thorium.

La radioactivité de ce thorium X diminuait au cours du temps avec une demi-vie de 4 jours environ, et il produisait en même temps de l’émanation du thorium.

Décroissance de la radioactivité du thorium X et reprise d’activité du thorium purifié (Rutherford & Soddy 1902).
Décroissance de la radioactivité du thorium X et reprise d’activité du thorium purifié (Rutherford & Soddy 1902).

Le thorium naturel contiendrait-il une impureté seule responsable de la radioactivité et de l’émanation (comme la pechblende contenait du radium et du polonium)?

En fait non car, laissé à lui-même le précipité de thorium inactif retrouvait progressivement sa radioactivité initiale en trois semaines. Le thorium régénérait spontanément du thorium X, qui n’était donc pas une impureté mais un élément inévitablement fabriqué par le thorium.

Soddy : «C’est une transmutation! Le thorium se désintègre et se transmute en argon.»

Rutherford : «Pour l’amour du ciel, Soddy, ne prononcez pas ce mot. On va vouloir nos têtes en nous traitant d’alchimistes»

NB : en fait, il ne s’agissait pas d’argon mais du radon. Rutherford et Soddy ne comprirent pas tout de suite qu’une transmutation alpha donne – toujours ! – l’élément situé deux rangs avant dans le tableau périodique. L’argon (Z=18) se trouve très loin du thorium. Mais Rutherford et Soddy avaient simplement identifié un gaz inerte plus lourd que l’hélium ou le néon.

Rutherford et Soddy finirent en effet par admettre que le thorium fabriquait du thorium X, un élément chimique différent, et qu’il disparaissait sans doute dans l’opération, puis que ce thorium X fabriquait de l’émanation, là aussi un élément chimique différent et qu’il disparaissait à son tour dans l’opération (demi-vie de 3.6 jours), et enfin que l’émanation disparaissait aussi (demi-vie de 56 s) en fabriquant un autre élément radioactif encore. Il se révéla ensuite qu’il y avait là un enchaînement rapide d’un élément très instable avec une demi-vie de 0.15 s (provisoirement nommé thorium A) suivi d’un élément avec une demi-vie d’une dizaine d’heures (thorium B). Le tableau se compliqua ensuite, mais Rutherford et Soddy rassemblèrent en 1903 leurs observations et leurs conclusions dans deux articles intitulés Cause et nature de la radioactivité, dans lesquels ils posaient que:

  • ☞ La radioactivité correspond à une transmutation (ou désintégration, terme moins connoté avec l’alchimie) d’un élément chimique en un autre.
  • ☞ « La désintégration de l’atome et l’expulsion de particules lourdes chargées (…) conduisent à un nouveau système, plus léger, dont les propriétés physiques et chimiques sont totalement différentes de celles de l’élément originel. »
  • ☞ « La radioactivité de chacune de ces substances est liée, non pas à la transformation par laquelle elle a été produite, mais à la transformation au cours de laquelle elle produit à son tour le nouveau type suivant. »
  • ☞ L’émission d’une particule alpha ou bêta n’accompagne pas la transformation, elle est la transformation.
  • ☞ « Parmi tous les éléments, les radioéléments sont ceux qui possèdent le poids atomique le plus élevé. C’est de fait leur unique caractéristique chimique commune. »
  • ☞ Les éléments lourds comme l’uranium, le thorium, le polonium et le radium, étaient naturellement instables et ils se transmutaient continuellement en formant des éléments radioactifs plus légers jusqu’au produit final, qui était le plomb comme il apparut plus tard.

L’accueil de la communauté des physiciens fut d’abord très réservé devant l’affirmation audacieuse d’une impermanence des atomes. Pierre Curie, rédigeant en 1904 un état des lieux de la radioactivité rassemblant tous les travaux sur la question à travers le monde, ne mentionne pas cette idée. Mais l’idée de familles radioactives, rassemblant des éléments qui se transmutaient en cascade les uns dans les autres, fut finalement acceptée assez rapidement.

Mésothoriums, radiothorium, thoriums A, B, C, D

Rutherford et ses collègues esquissèrent 3 familles radioactives:

  • celle de l’uranium
  • celle du thorium
  • celle du radium

Otto Hahn découvrit chez Ramsay en 1905 qu’un radiothorium s’intercalait entre le thorium et le thorium X. Il vint travailler avec Rutherford, puis découvrit en 1906-1907 à Berlin qu’un mésothorium I et un mésothorium II s’intercalaient à leur tour entre thorium et radiothorium.

De son côté, l’émanation du thorium rendait radioactifs les éléments qu’elle touchait. L’émanation déposait un élément radioactif, le thorium A très instable qui donnait du thorium B, qui donnait à son tour du thorium C, puis du thorium D, qui lui était enfin stable. S’intercalèrent ensuite un thorium C’ et un thorium C ». Cette nomenclature n’impliquait aucunement, dans l’esprit des physiciens et des chimistes que ces éléments soient chimiquement du thorium, simplement qu’ils étaient obtenus en cascade à partir du thorium. Cela n’interdisait pas au demeurant que certains puissent être chimiquement du thorium (c’est d’ailleurs le cas du radiothorium). Il apparut aussi que les chaînes de transmutations radioactives pouvaient se ramifier en fin de chaîne, d’où les C’ et C ». On sait désormais que certains corps radioactifs peuvent aussi bien subir une transmutation alpha qu’une transmutation bêta (avec des probabilités différentes), d’où branchement. Mais en général dans ce cas, la transmutation alpha est suivie d’une bêta, et la bêta d’une alpha, aboutissant au même élément final.

Une fois déchiffrée, la chaîne du thorium se révéla être:

 Nom  Identité  Demi-vie
 Thorium  Th232  1.4*1010 ans
 Mésothorium 1  Ra228  5,75 ans
 Mésothorium 2  Ac228  6,1 h
 Radiothorium  Th228  1,9 ans
 Thorium X  Ra224  3,5 jours
 Thoron (émanation)  Rn220  55,6 s
 Thorium A  Po216  0,15 s
 Thorium B  Pb212  10,6 h
 Thorium C  Bi212  60,5 mn
 Thorium C’  Po212  300 ns
 Thorium C »  Tl208  3,05 mn
 Thorium D  Pb208  stable

Chaque élément d’une chaîne fabriquait à un rythme constant l’élément suivant, et disparaissait ce faisant, avec une demi-vie qui lui était propre et ne dépendait pas des conditions physiques ni chimiques. Les demi-vies sont extrêmement variables d’un élément à un autre de la chaîne, et certaines sont trop brèves pour que l’élément soit observable: sa brève existence est reconstituée à partir de sa désintégration (observation d’un bêta par exemple). Tous les éléments de la chaîne partant du thorium (de masse atomique 232) ont une masse atomique de la forme 4*n: 232 → 228 → 224 → 220 → 216 → 212 → 208. Cette observation fut un élément important pour Soddy dans son élaboration de la notion d’isotope.

Chaîne du thorium, avec les anciens et les nouveaux nomsLa situation se révéla plus compliquée pour le radium: à l’émanation du radium succédaient des dépôts solides baptisés radiums A, B, C, D (avant que s’intercalent ensuite les radiums C’ et C »), E, E’, F et G, lequel était stable (non radioactif).

Nom  Identité  Demi-vie
Radium  Ra226  1602 ans
Radon  Rn222  3,8 jours
Radium A  Po218  3,1 mn
Radium B  Pb214  26,8 mn
Radium C  Bi214  19,9 mn
Radium C’  Po214  164 µs
Radium C » Tl210  1,3 mn
Radium D  Pb210  22,2 ans
Radium E  Bi210  5,0 jours
Radium F  Po210  138 jours
Radium E’  Tl206  4,2 mn
Radium G  Pb206  stable

Pour la chaîne de l’uranium, l’uranium X se révéla à l’origine du radium (celui des Curie), ce qui raccorda les deux chaînes:

Chaîne de l'uranium d'après Soddy
Chaîne de l’uranium d’après Soddy en 1909 (il manque encore beaucoup d’éléments dans la chaîne)

Mais ce n’était pas si simple, et la situation fut compliquée par les isoméries du protactinium 234 identifié dans ses diverses formes comme brévium, uranium X2 et uranium Z (Hahn 1921). La recherche du prédécesseur direct du radium fut ainsi délicate et son découvreur, Otto Hahn, eut beaucoup de mal à abandonner le nom qu’il lui avait donné, l’ionium.

Nom  Identité  Demi-vie
Uranium 1  U238  4.5*109 ans
 Uranium X1  Th234  24 jours
 Brévium  Pa234m  1,17 mn
 Uranium X2  Pa234m  1,17 mn
 Uranium Z  Pa234  6,7 h
 Uranium 2  U234  245 500 ans
 Ionium  Th230  7538 ans
 Radium  Ra226  1602 ans

L’uranium 238 était donc à l’origine d’une chaîne analogue à celle du thorium (la chaîne 4n+2), chaîne qui passait par le radium 226 des Curie, et se terminait au plomb 206.

L’actinium 227 était lui aussi à l’origine d’une chaîne (la chaîne 4n+3) dont on découvrit plus tard qu’elle partait en réalité de l’uranium 235 (découvert par Arthur Dempster en 1935, et initialement appelé actino-uranium).

Nom Identité Demi-vie
Actino-uranium U235 7.04*108 ans
Uranium Y Th231  25,5 h
Actinium  Ac227  21,8 ans
Radioactinium Th227  18,7 jours
 Actinium K Fr223  22 mn
Actinium X Ra223  11,4 jours
Actinon Rn219  3,96 s
Actinium A Po215  1,8 ms
Actinium B Pb211  36 mn
Actinium C Bi211 2,14 mn
Actinium C’ Po211 0,52 s
Actinium C » Tl207 4,8 mn
Actinium D Pb207 stable

Les trois isotopes stables du plomb, le plomb 206 (24% du plomb naturel), le plomb 207 (22%) et le plomb 208 (54%), correspondent aux trois terminaisons des chaînes 4n+2, 4n+3 et 4n.

On peut naturellement se demander ce qu’il en est de la chaîne 4n+1. Elle ne fut découverte que bien plus tard, après la découverte du neptunium 237, car seuls les deux derniers éléments de cette chaîne sont naturellement présents sur Terre (bismuth 209 quasi stable et tellure 205 stable).

☞ Premier indice de l’existence d’isotopes : l’uranium donne radium, radon, polonium et plomb, le thorium donne aussi radium, radon, polonium et plomb, mais il ne s’agit visiblement pas des mêmes éléments — physiquement parlant — puisque leurs périodes radioactives sont différentes. Il existe donc au moins deux variétés de chacun de ces éléments. Mais il a fallu du temps pour identifier chimiquement les éléments de chacune des chaînes.

D’où vient l’énergie de la radioactivité?

En 1904, Rutherford et H.T. Barnes mesurèrent l’énergie dégagée par les transmutations. Pour cela ils placèrent une petite quantité de radium (ou d’émanation du radium) dans un petit tube inséré dans le récipient de droite du montage. Un récipient identique contenait à la place une résistance électrique R connue, et les deux récipients étaient connectés à un manomètre mesurant la différence de pression entre les deux récipients. Un dégagement de chaleur dans l’un ou l’autre des récipients conduisait à une augmentation de pression et une dilatation de l’air. En réglant l’intensité I du courant pour que le manomètre indique la même pression, la chaleur libérée par la résistance (effet Joule: P=RI2) égalait la chaleur libérée par le corps radioactif.

Appareil de mesure de l'énergie dégagée par la radioactivité
Appareil de mesure de l’énergie dégagée par la radioactivité

Rutherford et Barnes mesurèrent une chaleur de 110 calories par heure et par gramme de radium (en équilibre avec ses produits de désintégration. Ils confirmaient ainsi les résultats de Pierre Curie et Laborde qui avaient mesuré en 1903 que la radium libérait 100 calories par gramme et par heure. Rutherford et Barnes observèrent que 70% de cette énergie était due à l’émanation du radium (radon 222) en notant que si le radium était débarrassé de l’émanation, la chaleur libérée était beaucoup plus faible mais augmentait exponentiellement avec le temps, tandis que la chaleur libérée par l’émanation diminuait exponentiellement, la somme des deux étant constante. La chaleur libérée suivait exactement la même loi que l’ionisation, confirmant que l’énergie libérée provenait bien de la désintégration radioactive (Rutherford & Barnes Heating effect of the radium emanation Phil. Mag., Ser. 6, 7: 202-219:1904).

Cette quantité d’énergie importante, 104 à 105 fois supérieure à celle d’une réaction chimique, posait le problème de son origine. Qu’elle soit interne à l’atome radioactif semblait violer la loi de conservation de l’énergie. Reprenant la suggestion faite en 1899 par Marie Curie, Pierre Curie pensait que:

chaque atome d’un corps radioactif fonctionne comme une source constante d’énergie grâce à la présence de centres de condensation d’énergie situées entre les molécules.

Cela signifiait en pratique que les atomes radioactifs captaient une énergie diffuse dans l’espace, telles de petites antennes. Kelvin comme Perrin partageaient cette idée, qui ne posait pas de problème quant à la conservation de l’énergie. Si l’énergie du rayonnement radioactif ne venait pas de l’atome lui-même, mais était captée dans son environnement, on pouvait penser qu’elle serait plus difficile à capter au fond d’un puits qu’à l’air libre, d’où l’expérience de Elster et Geitel en 1899 pour mesurer la radioactivité dans un puits de mine.

Rutherford jugeait au contraire que la source d’énergie des atomes radioactifs était interne aux atomes (il parlait d’énergie « latente ») parce qu’elle résultait manifestement de leurs transmutations. Il y voyait en 1904 un grand réservoir d’énergie:

If it were ever possible to control at will the rate of disintegration of radioelements, an enormous amount of energy could be obtained from a small amount of matter.

Cette suggestion fut reprise par les auteurs de science-fiction (H.G. Wells en particulier dans The world set free), bien avant qu’une façon d’accéder en pratique à cette énergie soit envisagée. Rutherford jugeait encore en 1932 que cette énergie resterait humainement inaccessible. Rutherford suggéra cependant en 1904 qu’une telle source d’énergie pourrait expliquer la température très élevée au centre de la Terre, ainsi que l’énergie rayonnée par le Soleil. Kelvin et Helmholtz avaient proposé comme source d’énergie pour le Soleil un mécanisme de contraction gravitationnelle, ce qui imposait un âge inférieur à 30 millions d’années, âge en contradiction avec les données de la géologie sur la durée nécessaire au dépôt des couches géologiques, à l’érosion pour aplanir une chaîne de montagne, et aux données de la paléontologie.

Quand Einstein introduisit la relativité restreinte en 1905, il apporta en particulier l’équivalence de la masse et de l’énergie et la célébrissime équation E = mc2 ⇒ 1 gramme de matière équivalant à 1014 J, une variation (indétectable) de 1 millionième de la masse d’un corps radioactif suffisait à expliquer l’origine de l’énergie rayonnée, alors que la combustion chimique de 1 g pétrole ne libère que 4×104 J. Dans son discours de réception du prix Nobel (rédigé en fait en 1905), Pierre Curie évoque lui aussi cette énergie inépuisable des atomes.

Âge de la Terre

BoltwoodLe chimiste Bertram Boltwood (1870-1927) s’intéressa à partir de 1904 aux relations entre les différents corps radioactifs (ce qu’on nomme aujourd’hui les chaînes de désintégration, comme celle qui fait passer de l’uranium au radium pour aboutir au plomb). Il démontra que le radium était un produit de transmutation de l’uranium car le rapport Ra/U était identique dans tous les minerais étudiés. En mesurant les teneurs en plomb et en hélium (qu’il pensait être les produits finals des chaînes de désintégration de l’uranium et du thorium) de différents minerais, il montra que les minerais des couches géologiques les plus anciennes avaient plus de plomb que les couches récentes, et il les avait daté de 250 millions à plus de un milliard d’années en 1907 (535 millions d’années pour un minerai d’urainite américain, 2.2 milliards années pour une thorianite de Ceylan). Il est ainsi le fondateur de la datation par radioéléments

Exemple de calcul (approximatif): les isotopes 235 et 238 de l’uranium sont présents sur Terre dans le rapport 1 à 140. L’uranium 235 a une demi-vie de 710 millions d’années, alors que celle de l’uranium 238 est beaucoup plus longue, de 4.5 milliards d’années. Si on suppose que les abondances étaient égales lors de la formation de l’uranium, et comme 140~27, ce moment remonte à 7 demi-vies de l’uranium 235, soit à peu près 5 milliards d’années. En fait, il faut tenir compte d’une part de la transmutation de l’uranium 238 (→ augmente l’âge calculé), et d’autre part la proportion initiale n’est pas 1:1 mais 1.65:1 si, comme on le pense maintenant, l’uranium est formé lors l’explosion d’une supernova car les noyaux plus légers sont plus faciles à synthétiser que les noyaux plus lourds (→ diminue l’âge calculé) → âge calculé de cette supernova de 6.6 milliards d’années, ce qui est cohérent avec les modèles actuels de formation du système solaire qui lui attribuent un âge de 4.6 milliards d’années, la supernova ayant produit les éléments lourds (comme le carbone ou l’oxygène, les « métaux » dans le vocabulaire des astrophysiciens) devant nécessairement être antérieure.

Prix Nobel de chimie

Ernest Rutherford reçut le prix Nobel de chimie en 1908 « pour ses recherches sur la transmutation des éléments et la chimie des substances radioactives ». Le comité Nobel avait un peu hésité à lui associer Soddy (qui reçut finalement le prix de chimie en 1921 pour son concept d’isotopes). Du point de vue du comité Nobel, le choix du prix de chimie était logique car l’identification des éléments relevait normalement de la chimie, mais Rutherford se voyait comme un physicien étudiant un phénomène physique.

“I have dealt with many different transformations with various periods of time, but the quickest that I have met was my own transformation in one moment from a physicist to a chemist.” Ernest Rutherford (Nobel banquet 1908)

Le prix Nobel ne récompensait pourtant que le début de la carrière scientifique de Rutherford, qui était déjà allé plus loin! Sa conférence Nobel (11 décembre 1908) portait déjà sur «La nature chimique des particules alpha»

Prix Nobel de Rutherford
Prix Nobel de Rutherford

Contact: lettreani
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