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Poursuivant ces travaux, BOHR et BECKER s'aperçurent en 1930, en bombardant du Glucinium (ou Béryllium) par des particules α, que ces transmutations (1) Avec les notations en usage l'indice inférieur représente la charge du noyau (nombre atomique Z) c'est-à-dire suivant les théories actuelles (HEISENBERG, 1934), le nombre de protons qu'il renferme, et l'indice supérieur le nombre de masse A (entier le plus voisin de la masse isotopique), c'est-à-dire la somme des nombres de protons et de neutrons contenus dans le noyau. (2) A noter que la masse même des noyaux représente une énergie intrinsèque beaucoup plus considérable donnée par la
représente une énergie intrinsèque beaucoup plus considérable donnée par la même formule, mais qui ne pourrait être libérée que par un processus encore inconnu de désintégration totale. Cf. Tableau annexe n° 2. (3) On consultera utilement un tableau de la classification périodique moderne des éléments pour suivre plus facilement la suite de l'exposé. (4) Avec la notation abrégée de Bothe on écrit maintenant cette réaction : où représente le noyau initial, CI le corpuscule incident, p le corpuscule expulsé et "0 le noyau final ; cf. Tableau annexe N° 1. accompagnaient parfois de l'émission d'un rayonnement très pénétrant, décelé au
accompagnaient parfois de l'émission d'un rayonnement très pénétrant, décelé au compteur à pointe (GEIGER, 1913 et W. MULLER, 1928), qu'ils assimilèrent à un rayonnement γ. Irène CURIE et Frédéric JOLIOT, répétant cette expérience (1930), montrèrent que l'ionisation provoquée par ce rayonnement se trouvait non pas affaiblie, comme on aurait pu s'y attendre, mais renforcée lorsqu'on lui faisait traverser une couche de paraffine fine, ce qui indiquait la présence dans le rayonnement pénétrant d'une composante de nature différente non électromagnétique. J. CHADWICK, complétant ces travaux, parvint enfin (1932) à la conclusion que cette composante inconnue devait être constituée de corpuscules de
que cette composante inconnue devait être constituée de corpuscules de masse voisine de celle du proton (A = 1) et de charge nulle (Z = 0), qu'il baptisa pour cette raison neutrons, et dont l'existence a été depuis largement confirmée par ses conséquences. Ainsi la transmutation considérée du Béryllium s'expliquait correctement par la réaction : dans laquelle le corps intermédiaire instable 13C 6 est un isomère actif d'un isotope stable du Carbone (1). Cette réaction n'a cessé de jouer, comme source de neutrons (cf. § 9), un rôle très important dans les recherches ultérieures de physique nucléaire et particulièrement dans
dans les recherches ultérieures de physique nucléaire et particulièrement dans celles qui viennent de conduire à la réalisation de la bombe atomique. Enfin l'introduction du neutron en physique nucléaire a également permis d'améliorer considérablement la théorie du noyau supposé dès lors constitué de protons et de neutrons (HEISENBERG, 1934). Les moyens d'attaque du noyau. — En outre, le neutron éjecté dans la réaction précédente avec une énergie cinétique considérable se révélait comme le projectile de choix pour provoquer les transmutations atomiques, caractère qu'il doit en grande partie à son absence de charge, ce qui le met à l'abri de la
de charge, ce qui le met à l'abri de la répulsion électrostatique que subissent les autres particules chargées positivement (protons, deutérons, hélions) lorsqu'elles s'approchent des noyaux également positifs. Jusqu'à ce moment d'ailleurs, les transmutations provoquées ne l'avaient été au moyen de ces particules que grâce à leur émission spontanée dans les phénomènes radioactifs naturels. Un progrès important fut donc réalisé lorsque COCKROFT et WALTON montrèrent en 1932 que les transmutations pouvaient être également provoquées à l'aide d'ions légers dotés artificiellement d'une énergie cinétique suffisante par accélération dans un champ électrostatique très élevé. Cette constatation fut le point de départ du
très élevé. Cette constatation fut le point de départ du renouveau d'actualité que connurent, dans ces dernières années, les grandes machines électrostatiques permettant d'obtenir des différences de potentiel de plusieurs millions de volts (Van DE GRAAF, 1933). Mais ces machines ont été rapidement surpassées par la méthode d'accélération par résonance magnétique conduisant à la réalisation par LAWRENCE et LEVINGSTON (1934) du cyclotron qui permet d'obtenir un rendement supérieur (2). D'autre part J. CHADWICK et GOLDBABER montrèrent (1934) que la désintégration nucléaire pouvait être également provoquée dans certains cas par action d'un rayonnement γ d'énergie suffisamment grande. Cette « photo-désintégration »
d'un rayonnement γ d'énergie suffisamment grande. Cette « photo-désintégration » ou effet photoélectrique nucléaire se produit en particulier dans l'Hydrogène lourd (Deutérium) sous l'action du rayonnement γ du Thorium CIV dont la composante la plus dure possède une énergie de 2,62 millions d'électron-volts (1) supérieure à l'énergie de liaison (2,2 MeV) des constituants (neutron et proton) du deutéron, qui se décompose suivant la réaction : Cette dernière réaction pourrait bien intervenir secondairement dans le fonctionnement de la bombe atomique (cf. § 14 bis). La radioactivité artificielle. En 1934 également, I. et P. JOLIOT-CURIE annonçaient une nouvelle découverte d'une importance considérable
et P. JOLIOT-CURIE annonçaient une nouvelle découverte d'une importance considérable : celle de la radioactivité artificielle, c'est-à-dire la création de radioéléments synthétiques à partir d'éléments normalement stables. Ils venaient en effet d'observer qu'en bombardant de l'aluminium par des rayons Y du polonium, ce qui conduisait à la transmutation : apparemment très analogue à la transmutation (α, n) du béryllium (§ 6), on obtenait en outre une émission d'électrons positifs (de matérialisation interne) qui se poursuivait même après que la source de rayons α eut été éloignée et qui décroissait exponentiellement en fonction du temps avec une période de 3 min
en fonction du temps avec une période de 3 min 15 s (3) exactement comme le font les radioéléments naturels, phénomène qu'ils interprétèrent correctement par une instabilité essentielle du « radio-phosphore » de masse 30 ainsi créé (le nombre de masse du phosphore stable est 31) qui se désintégrait en silicium conformément à la relation : Grâce à cette radioactivité, I. et F. JOLIOT-CURIE parvinrent même, pour la première fois en chimie nucléaire, à caractériser les nouveaux éléments obtenus par des méthodes purement chimiques qui confirmèrent l'exactitude des formules précédentes. La quasi-totalité des éléments s'étant révélée depuis susceptible de fournir
La quasi-totalité des éléments s'étant révélée depuis susceptible de fournir des produits de transmutation radioactifs, cette découverte a imprimé un nouvel essor à la chimie nucléaire, dont le petit tableau suivant pourra donner une idée : NOMBRE DE RADIOÉLÉMENTS NOMBRE TOTAL ANNÉE ARTIFICIELS CONNUS DE TRANSMUTATIONS CONNUES 1937 ................... 60 180 1941 300 600 ................... (dont 100 neutroniques) (dont 200 neutroniques) (1) L'électron-volt, unité usuelle d'énergie en micro-physique, est l'énergie cinétique acquise par un électron dans une chute de potentiel de 1 volt, de même que le kilogramme-mètre peut être considéré comme l'énergie cinétique acquise par une masse de 1
considéré comme l'énergie cinétique acquise par une masse de 1 kilogramme dans une chute de 1 mètre dans le champ de la pesanteur, 1 électron-volt = 16.034 10-16 ergs, correspondant, d'après la valeur du nombre d'Avogadro N = 6,024 10-23 à 96 550 joules ou 23 080 calories gr. par molécule-gramme. (2) L'électron positif ou positon avait été découvert en 1932 par C. D. ANDERSON au cours de ses recherches sur le rayonnement cosmique. I. et F. JOLIOT-CURIE montrèrent en 1933 que celui-ci prend naissance en même temps qu'un électron négatif par matérialisation brusque d'un photon y d'énergie supérieure à
négatif par matérialisation brusque d'un photon y d'énergie supérieure à 1 MeV lorsqu'il rencontre un noyau. F. JOLIOT et J. THIBAUD établirent enfin en 1934 que le processus inverse, dématérialisation d'une paire d'électrons positif et négatif avec émission de deux photons Y de 0,5 MeV, se produisait également, conformément aux prévisions théoriques de DIRAC (1928), et en accord avec la formule relativiste de l'inertie de l'énergie (EINSTEIN, 1905). (3) La période d'un élément radioactif est le temps dans lequel son activité est réduite de moitié (destruction d'un atome sur deux). (4) Les symboles des noyaux instables sont affectés d'un astérisque.
(4) Les symboles des noyaux instables sont affectés d'un astérisque. dans le Bore, l'Iridium, le Cadmium, le Rhodium, l'Argent, ...), ce qui donne la possibilité de séparer les neutrons lents en divers groupes de vitesses (d'énergies) par interposition de filtres convenables (feuilles minces calibrées de Bore). Tout se passe en somme comme si, dans l'image simple du projectile et de la cible, la surface de celle-ci (« section efficace ») était plus grande à l'égard des neutrons lents que des neutrons rapides. 10. Les éléments « transuraniens ». — Cette aptitude exceptionnelle des neutrons lents à provoquer des transmutations de
aptitude exceptionnelle des neutrons lents à provoquer des transmutations de rendement relativement notable permit à Fermi et à ses collaborateurs de créer et d'identifier en peu de temps une centaine de radioéléments artificiels à partir de la plupart des éléments naturels ; les nouveaux éléments, présentant une radioactivité β, étant d'ailleurs toujours des isotopes plus lourds que l'isotope stable de l'élément par exemple : Aussi lorsqu'ils commencèrent, dès 1934, à attaquer le plus lourd des éléments : l'Uranium 92U, furent-ils tout naturellement conduits à attribuer une partie des émissions (T = 10 sec., 40 sec., 13 min., 60 min.) à
= 10 sec., 40 sec., 13 min., 60 min.) à la désintégration d'un élément actif de numéro atomique 93 formé aux dépens de l'Uranium activé par le bombardement neutronique. Cet élément fut baptisé Eka-Rhénium parce que sa place dans la classification périodique en fait un homologue du Rhénium 75Re (et aussi de 43Ma et de 25Mn). Le nombre des périodes d'activité trouvées étant d'ailleurs assez élevé, il fallut même conclure à la création de plusieurs « transuraniens ». Cependant les identifications de Fermi avaient été aussitôt critiquées du point de vue chimique par I. NODDACK, qui avait souligné dès ce
vue chimique par I. NODDACK, qui avait souligné dès ce moment (1934) que la preuve de l'existence des transuraniens ne pourrait être obtenue qu'après avoir éliminé avec certitude les éléments connus, suggérant même que les noyaux bombardés se scindaient peut-être pour former des éléments de numéro atomique plus faible ; mais les esprits n'étaient pas prêts à envisager sérieusement ce phénomène imprévu et la réalité des éléments transuraniens fut assez généralement admise à la suite des travaux de Von GROSSE et AGRUSS, d'AGOSTINO et SEGRE, et de O. HAHN et L. MEITNER (1935), qui établissaient que les substances de 13
L. MEITNER (1935), qui établissaient que les substances de 13 et 60 min. ne pouvaient être des isotopes d'aucun élément de numéro atomique supérieur ou égal à 80 (Hg). Des expériences analogues des mêmes sur le Thorium 90Th, susceptibles de produire la famille radioactive manquante de la forme 4n + 1, mettaient aussi en évidence des activités de périodes 1 et 24 min., auxquelles Mme I. CURIE, von HAUBAN et PREISWERK en ajoutaient bientôt deux autres de 2,5 min. et 3,5 h. ; ceux-ci trouvant le corps de T = 1 min. précipitable avec le Baryum l'attribuèrent à son homologue
1 min. précipitable avec le Baryum l'attribuèrent à son homologue supérieur le Radium 88Ra et celui de T = 3,5 h., de propriétés chimiques analogues à celles du lanthane La, à son homologue l'Actinium 89Ac, mais en notant cependant l'anomalie de l'apparition du Ra par un processus (n, γ). Cependant, poursuivant leurs travaux, O. HAHN, L. MEITNER et P. STRASSMANN accumulaient pendant les années 1936 et 1937 un grand nombre d'observations tendant à prouver l'existence de toute une série d'éléments transuraniens de 93EkaRe à 97EkaAu ; ce qui n'allait pas toutefois sans soulever d'importantes difficultés théoriques. On ne pouvait comprendre
toutefois sans soulever d'importantes difficultés théoriques. On ne pouvait comprendre en particulier comment l'addition d'un seul neutron à un noyau relativement très stable (par rapport à d'autres radioéléments) pouvait y produire une instabilité telle que plusieurs émissions β successives devenaient nécessaires pour la réduire. De leur côté, I. CURIE et P. SAVITCH parvenaient (1937-1938) par une méthode un peu différente à la conclusion très importante que la substance de période 3,5 h. attribuée d'abord à l'Ac se rapprochait beaucoup plus du La par l'ensemble de ses propriétés, soulignant la difficulté qu'il y avait à placer dans la classification périodique un
qu'il y avait à placer dans la classification périodique un peu au-delà de l'Uranium un élément de propriétés chimiques analogues à celles du Lanthane. Ils venaient ainsi de passer très près de la vérité, manquant de peu la découverte du nouveau phénomène qui déroutait les chercheurs. Ces expériences eurent cependant un rôle important dans sa découverte, car HAHN et STRASSMANN en les répétant (1938) mirent en évidence des substances actives de périodes 25 min., 110 min. et plusieurs jours, précipitables avec le Baryum, et donnant naissance à d'autres de périodes 40 min., 4 h. et 60 h., précipitables avec le
40 min., 4 h. et 60 h., précipitables avec le Lanthane. Ils attribuaient les premières à trois noyaux 223Ra isomères et les secondes à trois 229Ac isomères, ces noyaux isomères résultant de l'expulsion rapide de deux particules α par les noyaux excités d' Uranium formés par capture des neutrons. Mais cette éjection de particules était difficile à comprendre et des expériences de von DROSTE (1938), avec une chambre à ionisation, entreprises en vue de mettre en évidence des particules α aboutissaient à des échecs. Ainsi l'idée de Fermi, en elle-même intéressante et qui a eu le mérite de provoquer toutes
intéressante et qui a eu le mérite de provoquer toutes ces recherches, de la synthèse des éléments plus lourds que l'Uranium, avait cependant égaré les chercheurs pendant plusieurs années. 11. La découverte de la scission de l'Uranium. — En vue d'établir définitivement la nature chimique des atomes actifs, O. HAHN et F. STRASSMANN entreprirent alors (fin 1938), au Kaiser Wilhelm Institut für Physik de Berlin, une série d'expériences rigoureuses qui leur permirent de caractériser quatre espèces distinctes de Radium actif, de périodes < 1 min. (I), 14 min. (II), 86 min. (III) et 250 à 300 h. IV), donnant naissance
min. (III) et 250 à 300 h. IV), donnant naissance à quatre variétés actives d'Actinium et d'établir formellement par une série de précipitations et de cristallisations fractionnées du genre de celles qui servent à séparer le Radium du Baryum que le soi-disant « Ra IV » était en fait un isotope du Baryum et non pas du Radium, et que, par suite, les autres pseudo Ra et Ac devaient être aussi des isotopes du Ba et du La, comme l'avaient bien indiqué I. CURIE et P. SAVITCH (§ 10), ce qu'ils confirmaient dans un travail ultérieur. Il était donc cette
qu'ils confirmaient dans un travail ultérieur. Il était donc cette fois impossible d'échapper à la conclusion que le bombardement neutronique brisait les noyaux d'Uranium en fragments de masses élevées, voisines de 140 et de 100, parmi lesquels HAHN et STRASSMANN ne tardèrent pas à identifier en outre un Strontium Sr et un Yttrium Y actifs. La découverte de ce phénomène inattendu en physique nucléaire, annoncée au début de janvier 1939 par HAHN et STRASSMANN, qui le baptisèrent scission nucléaire, souleva un intérêt extraordinaire chez les spécialistes et déclancha aussitôt une véritable explosion d'activité fiévreuse dans tous les laboratoires de chimie
véritable explosion d'activité fiévreuse dans tous les laboratoires de chimie nucléaire du monde, dont témoigne l'avalanche de publications qui la suivit, et qu'on ne peut guère comparer qu'à celle qui avait suivi jadis la découverte de la radioactivité. J'adopterai ici l'expression de « scission nucléaire » pour désigner le nouveau phénomène, comme équivalent français le plus voisin des termes allemands de « Kernspaltung » et anglais de « Nuclear Fission » On trouve aussi dans la littérature : « fragmentation », « bipartition ». L'article de L. A. TURNER de la Reviews of Modern Physics de janvier 1940, d'où je
la Reviews of Modern Physics de janvier 1940, d'où je tire grande partie de ces renseignements, cite trois références pour 1934, 7 pour 1935, 5 pour 1936, 5 pour 1937, 9 pour 1938 et 104 pour les 11 premiers mois de 1939. L'énergie des produits de la scission. — En effet, les résultats de HAHN et STRASSMANN étant immédiatement confirmés de tous côtés, en particulier au laboratoire de Niels Bohr, à Copenhague, par O. R. FRISCH et L. MEITNER et aux États-Unis par les physiciens de l'Université de Colombie, parmi lesquels se trouvaient E. FERMI, il apparût presque aussitôt à
lesquels se trouvaient E. FERMI, il apparût presque aussitôt à chacun que cette dislocation d'un noyau lourd en deux plus légers devait s'accompagner de la libération d'une quantité d'énergie énorme, ainsi que le signalèrent indépendamment dès janvier 1939 O. R. FRISCH d'une part et F. JOLIOT de l'autre. En effet, supposons, par exemple que le noyau d'Uranium de charge 92 se sépare en deux noyaux de charges 54 (Xénon) et 38 (Strontium) ; les isotopes stables les plus lourds de ces éléments étant 136Xe et 88Sr, dont la masse totale est 224 seulement, alors que celle du noyau explosif est
est 224 seulement, alors que celle du noyau explosif est 239 (238 pour U et 1 pour le neutron absorbé), on voit qu'il y a 15 neutrons de trop à répartir entre les deux noyaux résultants ; c'est-à-dire que les produits immédiats de la scission seront par exemple 136Xe et 88Sr. Ces deux noyaux instables subiront le premier 4 et le second 6 désintégrations successives, suivant les schémas : Xe* Cs* -> Ba* La* Ce et : Sr* Zr* -> Nb* Mo* Mo* -> Ru, avant de se stabiliser sous les formes respectives de 144Ce et 100Ru. D'après la formule
les formes respectives de 144Ce et 100Ru. D'après la formule d'Einstein de conversion de la masse en énergie E = Mc2, l'énergie libérée au total dans la transformation est : E = CA (Mo + MJ + M2), si Mo, Ml et M2 sont les masses respectives du noyau initial et des deux noyaux finaux, c'est-à-dire dans le cas considéré 218 MeV (2). Cette énergie énorme (équivalente à 5000 milliards de calories par molécule-gramme, soit 238 grammes d'Uranium), et dépassée seulement par celle du rayonnement cosmique (plus de 1000 MeV), est d'un ordre de grandeur bien supérieur à celle que
est d'un ordre de grandeur bien supérieur à celle que mettent en jeu les phénomènes radioactifs et toutes les transmutations antérieurement connues (quelques MeV au plus). Cf. Tableau annexe n° 2. Un calcul plus précis effectué par N. BOHR et J. A. WHEELER (1939), en tenant compte de l'énergie utilisée dans les dix transitions intermédiaires, donne 189 MeV dans le cas considéré. Cette énergie qui doit se partager entre les deux noyaux en raison inverse des masses, soit 111 MeV pour 88Sr et 78 MeV pour 136Xe, ne donne encore sans doute elle-même qu'une limite supérieure des énergies cinétiques disponibles,
sans doute elle-même qu'une limite supérieure des énergies cinétiques disponibles, en raison de l'énergie utilisée à l'excitation des fragments initiaux de la scission. Ces conclusions étaient aussitôt confirmées par de nombreux expérimentateurs (FRISCH, ANDERSON, FERMI et HANSTEIN, FOWLER et DODSON, HIBAUD et MOUSSA, ...) qui observèrent, au moyen de la chambre à ionisation reliée à un amplificateur proportionnel, les très fortes impulsions provoquées par les fragments expulsés, bien supérieures à celles occasionnées par les particules et impliquant effectivement la mise en jeu d'énergies de l'ordre de 100 MeV, dans lesquelles JENTSCHKE et PRANKL puis BOOTH, DUNNING et SIACK reconnurent bientôt
JENTSCHKE et PRANKL puis BOOTH, DUNNING et SIACK reconnurent bientôt l'existence de deux groupes principaux centrés respectivement autour de 100 et de 72 MeV. Des effets analogues étaient observés avec le Thorium, à cela près que pour celui-ci les neutrons rapides apparaissaient seuls efficaces, alors que sur l'Uranium agissaient à la fois neutrons rapides et neutrons thermiques. Parmi les nombreux essais effectués pour provoquer la scission d'autres atomes, seuls ceux de von GROSSE, BOOTH et DUNNING (1939) sur 235Pa avec des neutrons rapides donnèrent un résultat positif, d'ailleurs bien moins intense que dans le cas du Thorium. Il apparut aussi
intense que dans le cas du Thorium. Il apparut aussi très vite qu'en raison de l'importance de l'énergie libérée par la scission, celle-ci devait s'effectuer de façon explosive et projeter les fragments loin de la préparation irradiée, ce que vérifièrent indépendamment F. Joliot d'une part, L. Meitner et O. R. Frisch d'autre part, en recueillant les fragments activés à plusieurs mm, de l'Uranium, dans des expériences de types divers qui furent ensuite utilisées par plusieurs expérimentateurs pour confirmer l'absence d'éléments transuraniens (Bretscher et Cook, Meitner, ...). Cependant que d'autres (Booth, Dunning et Grasse, Haxel, Grasse et Steigman) confirmaient l'existence de
Dunning et Grasse, Haxel, Grasse et Steigman) confirmaient l'existence de deux groupes énergétiques principaux, dans les fragments de scission ayant des parcours respectifs voisins de 2 et 1,5 cm. dans l'air. Par ailleurs les épaisses trajectoires révélant ces fragments fortement ionisants, photographiées directement à la chambre de Wilson par F. Joliot, ainsi que par D. R. Corson et R. L. Thornton (1939), étaient également reconnues, dans l'épaisseur des émulsions photographiques, appliquées au contact de préparations d'Uranium irradié par des neutrons, par divers expérimentateurs russes (A. Danoff et L. Myssowsky, ...). Il faut enfin signaler que parmi les éléments nés de
Il faut enfin signaler que parmi les éléments nés de la scission, l'Iode et le Tellure furent identifiés par P. Abelson et par N. Feather et E. Bretscher (1939) grâce aux caractéristiques de leur rayonnement X, complétant ainsi heureusement les résultats de l'analyse radiochimique. Les 13 éléments suivants paraissaient de la sorte bien identifiés à la fin de 1939 parmi les produits de la scission : Br, Kr, Rb, Sr, Y, Mo, Sb, Te, I, Xe, Cs, Ba, La. La complexité de ces problèmes d'identification apparaîtra d'ailleurs si l'on remarque qu'Abelson rapportait 5 variétés actives d'Antimoine (Sb), sept de Tellure
qu'Abelson rapportait 5 variétés actives d'Antimoine (Sb), sept de Tellure (Te) et quatre d'Iode (I). Les neutrons produits par la scission. — Comme on l'a vu plus haut, la scission fait apparaître un grand excès de neutrons susceptible d'être corrigé par émission de négatons (radioactivité β transformant les neutrons en protons. Mais il parut également logique de penser que cet excès de neutrons pouvait être aussi bien réduit par expulsion directe de ces neutrons. H. von Halban, F. Joliot et L. Kowarski cherchèrent à mettre ceux-ci en évidence et y parvinrent effectivement (1939) en étudiant comparativement la répartition des neutrons
parvinrent effectivement (1939) en étudiant comparativement la répartition des neutrons autour d'une source (RaC + Be) placée au centre d'un récipient rempli successivement de solutions de même concentration soit de nitrate d'Ammonium, soit de nitrate d'Urane. Cette comparaison révéla la production dans la seconde solution de 3 neutrons secondaires environ par scission. Des expériences analogues poursuivies indépendamment par Anderson, Fermi et Hanstein donnaient 2 neutrons par scission. Ces expériences montraient que l'absorption de neutrons lents par l'Uranium était suivie de la réémission de neutrons rapides que M. Dode, von Halban, Joliot et Kowarski purent mettre directement en évidence en les