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BECQUEREL au début de 1896, suivie de celle du Thorium en 1898 (G. SCHMIDT, Mme CURIE), qu'il faut remonter pour trouver l'origine des travaux qui viennent d'aboutir d'une façon si « éclatante ». Pour la première fois en effet les physiciens se trouvaient en présence d'un phénomène explosif se produisant spontanément au sein de l'atome avec libération de quantités d'énergie considérables émises sous forme de rayons gamma, (α et β, identifiés plus tard comme constitués respectivement par des noyaux d'Hélium (RAMSAY et SODDY), des électrons négatifs (J. J. THOMSON, M. DE BROGLIE, ...) et du rayonnement électromagnétique de grande fréquence (RUTHERFORD, BRAGG, ...). On sait comment ces travaux poursuivis et largement développés, entre autres par Pierre et Marie CURIE et leurs collaborateurs, conduisirent successivement à la découverte du Polonium (P. et M. CURIE, 1898), du Radium (M. CURIE, 1899), isolé plus tard à l'état de métal pur (M. CURIE et A. DEBIERNE, 1910), de l'Actinium (A. DEBIERNE et GIESE, 1899), auxquels s'ajoutèrent ensuite l'Iode (BOLLWOOD, 1906), le Radiothorium et le Mesothorium (O. HAHN, 1905 et 1907), le Protactinium (O. HAHN et Lise MEITNER) (2), etc.... Cette découverte, donnant une énorme impulsion aux recherches, déclancha cette série ininterrompue de progrès qui, avec l'appui des disciplines voisines : rayons X (ROENTGEN, 1895), quanta (PLANCK, 1900), relativité restreinte (EINSTEIN, 1905), (1) Deux expérimentateurs qui, ainsi qu'on le verra plus loin (§§ 10 et 12), ont encore grandement contribué aux travaux récents. spectres X (Von LAUE, 1911), mécanique quantique (BOHR, 1913) (1), relativité générale (EINSTEIN, 1917), mécanique ondulatoire (L. DE BROGLIE, 1924), allait en cinquante ans renouveler complètement la physique et bouleverser notre image du monde. C'est l'histoire de ces recherches jusqu'à leurs derniers développements connus que nous allons maintenant passer en revue. 2. L'atome nucléaire. — En présence du nouveau phénomène on fut rapidement conduit à admettre que l'énergie considérable libérée par les transformations radioactives (mesurée par P. CURIE et LABORDE, 1903) devait avoir sa source au cœur même de l'atome, dont on cherchait alors, surtout depuis la découverte de l'électron (J. J. STONEY, 1891), à pénétrer la structure (modèles de J. J.
avec l'appui des disciplines voisines : rayons X (ROENTGEN, 1895), quanta (PLANCK, 1900), relativité restreinte (EINSTEIN, 1905), (1) Deux expérimentateurs qui, ainsi qu'on le verra plus loin (§§ 10 et 12), ont encore grandement contribué aux travaux récents. spectres X (Von LAUE, 1911), mécanique quantique (BOHR, 1913) (1), relativité générale (EINSTEIN, 1917), mécanique ondulatoire (L. DE BROGLIE, 1924), allait en cinquante ans renouveler complètement la physique et bouleverser notre image du monde. C'est l'histoire de ces recherches jusqu'à leurs derniers développements connus que nous allons maintenant passer en revue. 2. L'atome nucléaire. — En présence du nouveau phénomène on fut rapidement conduit à admettre que l'énergie considérable libérée par les transformations radioactives (mesurée par P. CURIE et LABORDE, 1903) devait avoir sa source au cœur même de l'atome, dont on cherchait alors, surtout depuis la découverte de l'électron (J. J. STONEY, 1891), à pénétrer la structure (modèles de J. J. THOMSON, de J. PERRIN, ...). Cette hypothèse proposée par E. RUTHERFORD et F. SODDY (1903) contribua à susciter la théorie plus précise élaborée par E. RUTHERFORD (1911) — suivant une idée déjà émise par J. PERRIN (1901) — de l'atome planétaire ou nucléaire permettant de rendre compte de ses observations sur la diffusion des particules à travers la matière, théorie d'après laquelle, suivant l'image classique et passablement trompeuse du système solaire en miniature, autour d'un noyau central chargé positivement et concentrant dans un espace très réduit (quelques 10-12 cm.) la quasi-totalité de la masse du système, gravitent des électrons négatifs en nombre suffisant pour assurer la neutralité de l'ensemble. On sait à quels immenses succès cette théorie brillamment développée et considérablement perfectionnée par N. BOHR (1913) a conduit dans l'interprétation des spectres lumineux et X, ainsi d'ailleurs que dans tous les domaines de la physique et de la chimie. 3. Les isotopes. — Toujours vers la même époque l'existence, déjà prophétiquement prévue par W. CROOKES, dès 1886, et sérieusement soutenue par SODDY, en 1910 d'éléments différents par la masse atomique et éventuellement par les propriétés radioactives, mais chimiquement (A. Von WEESBACH, MARCKWAED, SODDY, 1910) et même spectroscopiquement [A. S. RUSSELL,
sur la diffusion des particules à travers la matière, théorie d'après laquelle, suivant l'image classique et passablement trompeuse du système solaire en miniature, autour d'un noyau central chargé positivement et concentrant dans un espace très réduit (quelques 10-12 cm.) la quasi-totalité de la masse du système, gravitent des électrons négatifs en nombre suffisant pour assurer la neutralité de l'ensemble. On sait à quels immenses succès cette théorie brillamment développée et considérablement perfectionnée par N. BOHR (1913) a conduit dans l'interprétation des spectres lumineux et X, ainsi d'ailleurs que dans tous les domaines de la physique et de la chimie. 3. Les isotopes. — Toujours vers la même époque l'existence, déjà prophétiquement prévue par W. CROOKES, dès 1886, et sérieusement soutenue par SODDY, en 1910 d'éléments différents par la masse atomique et éventuellement par les propriétés radioactives, mais chimiquement (A. Von WEESBACH, MARCKWAED, SODDY, 1910) et même spectroscopiquement [A. S. RUSSELL, et ROSSI, 1912] identiques (ou presque), était définitivement établie en 1913 par J. J. THOMSON qui mit ces éléments en évidence dans les ions positifs émis par le tube de CROOKES (rayons canaux de GOLDSTEIN, 1886) soumis à l'action conjointe d'un champ électrique et d'un champ magnétique (méthode des parabôles). Ces éléments de même numéro atomique (3) (même charge nucléaire, donc même nombre d'électrons planétaires et par suite mêmes propriétés chimiques et spectroscopiques) mais de poids atomiques différents (c'est-à-dire de masses et par suite de propriétés nucléaires différentes), appelés isotopes parce qu'ils se placent dans la même case de la classification périodique des éléments (D. I. MENDELEIEFF, 1869), et dont la découverte permettait d'interpréter les écarts à la loi de PROUT (1815) (cf. § 4), furent beaucoup mieux séparés et étudiés systématiquement par F. W. ASTON, puis par DEMPSTER à l'aide du spectrographe de masse (F. W. ASTON, 1919) qui n'a cessé de jouer un grand rôle dans ces recherches et dans la découverte actuelle. On sait que plus récemment et malgré la quasi-identité des propriétés physico-chimiques ordinaires, on est parvenu à séparer par divers procédés (diffusion, électrolyse fractionnée, ...) des masses notables de certains isotopes rares tels que l'Hydrogène
Ces éléments de même numéro atomique (3) (même charge nucléaire, donc même nombre d'électrons planétaires et par suite mêmes propriétés chimiques et spectroscopiques) mais de poids atomiques différents (c'est-à-dire de masses et par suite de propriétés nucléaires différentes), appelés isotopes parce qu'ils se placent dans la même case de la classification périodique des éléments (D. I. MENDELEIEFF, 1869), et dont la découverte permettait d'interpréter les écarts à la loi de PROUT (1815) (cf. § 4), furent beaucoup mieux séparés et étudiés systématiquement par F. W. ASTON, puis par DEMPSTER à l'aide du spectrographe de masse (F. W. ASTON, 1919) qui n'a cessé de jouer un grand rôle dans ces recherches et dans la découverte actuelle. On sait que plus récemment et malgré la quasi-identité des propriétés physico-chimiques ordinaires, on est parvenu à séparer par divers procédés (diffusion, électrolyse fractionnée, ...) des masses notables de certains isotopes rares tels que l'Hydrogène lourd (1) N. BOHR lui aussi a joué un rôle de tout premier ordre dans l'établissement de la théorie des phénomènes étudiés dernièrement. (2) A ne pas confondre avec l'illustre astrophysicien H.-N. RUSSELL. (3) La signification du numéro atomique venait justement d'être précisée par MOSELEY (1913). ou Deuterium D (1) (WASHBURN, J. N. LEWIS et MACDONALD, 1933) dont la préparation s'effectuait même déjà avant la guerre à l'échelle industrielle, sous la forme de l'eau lourde, aux États-Unis et en Norvège. 4. L'énergie de constitution des noyaux. — La détermination précise ainsi rendue possible des masses atomiques (ou plus exactement nucléaires) des différents isotopes a permis de déceler de petits écarts résiduels entre ces masses et les multiples entiers les plus proches (nombre de masse A) de celle du noyau d'Hydrogène, considéré, conformément à l'hypothèse de PROUT, comme l'élément constitutif primordial (d'où son nom de proton ; RUTHERFORD, 1919) dont résultent les autres atomes. Ces « défauts de masse » ont été interprétés, suivant les idées de P. LANGEVIN (1911), comme donnant la mesure de la masse de l'énergie libérée lors de la formation des noyaux par l'entassement des protons (« packing fraction », F. W. ASTON, 1917), conformément à la
(WASHBURN, J. N. LEWIS et MACDONALD, 1933) dont la préparation s'effectuait même déjà avant la guerre à l'échelle industrielle, sous la forme de l'eau lourde, aux États-Unis et en Norvège. 4. L'énergie de constitution des noyaux. — La détermination précise ainsi rendue possible des masses atomiques (ou plus exactement nucléaires) des différents isotopes a permis de déceler de petits écarts résiduels entre ces masses et les multiples entiers les plus proches (nombre de masse A) de celle du noyau d'Hydrogène, considéré, conformément à l'hypothèse de PROUT, comme l'élément constitutif primordial (d'où son nom de proton ; RUTHERFORD, 1919) dont résultent les autres atomes. Ces « défauts de masse » ont été interprétés, suivant les idées de P. LANGEVIN (1911), comme donnant la mesure de la masse de l'énergie libérée lors de la formation des noyaux par l'entassement des protons (« packing fraction », F. W. ASTON, 1917), conformément à la formule relativiste de l'inertie de l'énergie (A. EINSTEIN, 1905), Cette énergie libérée étant maximum pour les éléments de poids atomiques moyens (20 à 160 environ), il en résulte, en particulier, ainsi qu'on le verra plus exactement par la suite (§ 12), que l'opération inverse de désintégration d'un atome lourd en éléments plus légers, donc plus stables parce que d'énergie interne moindre, doit également libérer de l'énergie (2). C'est la preuve que tout cet échafaudage de théories et de raisonnements était bien conforme à la réalité qui vient d'être si brutalement administrée aux populations japonaises ; celle-ci paraît de nature à achever de convaincre là et ailleurs les derniers sceptiques ; les physiciens eux n'avaient plus à l'être depuis bien des années déjà. La première transmutation provoquée. — En 1919, enfin, E. RUTHERFORD parvenait pour la première fois à provoquer la transmutation artificielle d'un élément chimique en un autre en bombardant, à l'aide des particules émises par le Radium C, des noyaux d'Azote qui se transformèrent en noyaux stables d'un isotope de l'Oxygène suivant la réaction : Résultat étendu ensuite à d'autres éléments (B, F, Na, Mg, Al, P) par RUTHERFORD et CHADWICK et d'autres expérimentateurs à partir de 1922, et
éléments plus légers, donc plus stables parce que d'énergie interne moindre, doit également libérer de l'énergie (2). C'est la preuve que tout cet échafaudage de théories et de raisonnements était bien conforme à la réalité qui vient d'être si brutalement administrée aux populations japonaises ; celle-ci paraît de nature à achever de convaincre là et ailleurs les derniers sceptiques ; les physiciens eux n'avaient plus à l'être depuis bien des années déjà. La première transmutation provoquée. — En 1919, enfin, E. RUTHERFORD parvenait pour la première fois à provoquer la transmutation artificielle d'un élément chimique en un autre en bombardant, à l'aide des particules émises par le Radium C, des noyaux d'Azote qui se transformèrent en noyaux stables d'un isotope de l'Oxygène suivant la réaction : Résultat étendu ensuite à d'autres éléments (B, F, Na, Mg, Al, P) par RUTHERFORD et CHADWICK et d'autres expérimentateurs à partir de 1922, et confirmé depuis (BECKETT, 1929) par l'observation directe à la chambre à brouillard (C. T. R. WILSON, 1912). Le neutron. — 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 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.
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 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 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 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 celles qui viennent de conduire à la réalisation de la
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 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 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 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 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
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 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 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 » 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 : 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 (§
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 : 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 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 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