La radioactivité, un siècle après
PDF de l'articleNous sommes réunis aujourd’hui pour commémorer la découverte de la radioactivité. Mais il est souvent difficile d’attribuer une date précise à un événement scientifique. Une découverte est toujours le fruit d’un long processus d’accumulation de résultats, de recoupements, de contre-épreuves, et ceci, même dans les cas exceptionnels d’illuminations subites, telles que le bain d’Archimède, la pomme de Newton ou le marchepied d’omnibus de Poincaré. C’est pourquoi nous avons célébré en France pendant deux ans le centenaire de la découverte de la radioactivité, depuis 1996. En fait, les années 1896 et 1898 n’ont représenté que les deux premières étapes d’une exploration qui s’est déroulée en cinq actes comme un opéra.
Marie Curie et sa fille Irène dans leur laboratoire de l’Institut du Radium, 1921.
ARCHIVES CURIE ET JOLIOT-CURIE — D.R.
Le prélude, bref mais brillant, se joua à la fin de 1895 à Wurtzbourg, ville d’Allemagne où Röntgen découvrit les rayons X ; la diffusion immédiate de la radiographie de la main baguée de son épouse eut un tel retentissement dans la communauté scientifique qu’il fut en 1901 le premier lauréat du prix Nobel de physique.
Le premier acte est bref ; il se passe à Paris. Il a pour personnage principal Henri Becquerel, maillon d’une longue dynastie de savants qui comprend cinq membres de l’Académie des sciences, en majorité professeurs à la fois au Muséum d’Histoire naturelle et à l’École polytechnique. Henri Becquerel est déjà renommé comme expert de la phosphorescence, propriété qu’ont certains corps d’émettre de la lumière pendant quelque temps après avoir été intensément éclairés.
C’est Henri Poincaré, venant de lire à la séance du 20 janvier 1896 de l’Académie un courrier où Röntgen annonce sa découverte, et ayant la juste intuition que ses rayons encore mystérieux pourraient ressembler à la lumière, qui lui suggère de chercher si certains corps phosphorescents n’émettraient pas des rayons X. Dans ce but, Henri Becquerel prend une plaque photographique enveloppée de papier noir très épais, opaque à la lumière mais transparent aux rayons X ; il dépose sur ce paquet deux lamelles d’un certain composé phosphorescent qui se trouve contenir de l’uranium, expose le tout au grand soleil pendant quelques heures ; en développant la plaque, il observe qu’elle a été impressionnée juste à l’endroit où se trouvait le composé, ce qui paraît suggérer que ce dernier a émis par phosphorescence des rayons X.
Mais au cours des derniers jours de février 1896, le soleil ne se montre pas. Becquerel avait préparé des plaques ; il les développe malgré tout, et à sa surprise il voit encore apparaître la silhouette de son dépôt de composé d’uranium. Une radiation invisible mais pénétrante a été émise sans éclairage préalable, il ne s’agit donc pas de phosphorescence : l’énergie émise ne provient pas d’un stockage temporaire d’énergie lumineuse. De surcroît, cette radiation inconnue semble différer des rayons X. L’expérience est refaite au cours des mois suivants avec de nouveaux corps, phosphorescents ou non. Pour tous ceux qui contiennent de l’uranium et seulement ceux-là, l’effet reste présent ; il est même plus marqué encore avec de l’uranium métallique. Fait remarquable, il ne décroît pas sensiblement au cours du temps.
Cependant, en 1897, ces “rayons uraniques” trouvés par Becquerel n’apparaissaient que comme une curiosité de laboratoire, avérée mais mal comprise. Lui-même s’en désintéressa.
Après un entracte d’un an, la scène est occupée pendant l’année 1898 par Maria Sklodowska et son époux Pierre Curie, que nous honorons aujourd’hui. Ils y sont pratiquement seuls pour le grand duo du deuxième acte. Leurs personnalités et leurs compétences se complètent à merveille, et ils maîtrisent à eux deux toutes les méthodes nécessaires de physique et de chimie. Ils mettent en évidence la généralité du phénomène, qui concerne non seulement l’uranium mais aussi d’autres éléments, connus comme le thorium ou encore inconnus comme le polonium et le radium. La simple observation fait place à une étude quantitative de l’intensité du rayonnement. L’exposé de Jeanne Laberrigue retracera cette aventure.
Le troisième acte s’étend sur une dizaine d’années. L’action ne se déroule plus seulement à Paris, mais aussi à Cambridge, Montréal, Manchester, Vienne et autres lieux. Tandis que Becquerel revient sur une scène que les Curie n’ont pas quittée, de nouveaux protagonistes apparaissent, notamment Ernest Rutherford et Frederick Soddy. Une exploration systématique accompagnée d’âpres controverses aboutit à de nombreuses découvertes.
Comme les rayons X, la radioactivité ionise la matière. Lorsqu’un élément radioactif rayonne spontanément, il se transmute en un autre élément, qui peut lui-même rayonner, de sorte que les éléments radioactifs se classent en familles. Chacun d’eux a une durée moyenne de vie caractéristique. Trois types de rayonnements, baptisés α, β et γ, sont susceptibles d’être émis ; ils se distinguent l’un de l’autre par leurs propriétés de pénétration et par leurs trajectoires différentes dans un champ magnétique ou électrique.
Les rayons α sont ensuite identifiés à des faisceaux de noyaux d’hélium, les rayons β à des électrons, et plus tard les rayons γ à des photons de haute énergie. L’épineux problème de l’origine de l’énergie émise est finalement élucidé : cette énergie, primitivement emmagasinée dans le noyau radioactif, instable, est libérée par la transmutation de celui-ci.
La situation ressemble à celle de la chimie, mais les énergies en jeu sont ici de l’ordre d’un million de fois plus grandes.
Il restait à trouver l’explication théorique de ces phénomènes. Il fallut attendre pour ce faire l’élaboration de la mécanique quantique. Notre quatrième acte se déroule donc entre 1928 et 1933. Les personnages et les lieux ont changé. George Gamow, de passage à Göttingen, établit la théorie de la radioactivité α, Wolfgang Pauli à Zürich et Enrico Fermi à Rome celle de la radioactivité β.
Le dernier acte nous ramène à Paris, en janvier 1934, et c’est à nouveau un duo, celui de Frédéric et Irène Joliot-Curie. Conformément à l’unité d’action, les nouveaux personnages se relient aux précédents, car Marie Curie avait donné naissance à Irène en 1897, juste avant le deuxième acte.
Frédéric et Irène Joliot-Curie réussissent à produire et identifier un radio-isotope artificiel, nouvel élément radioactif n’existant pas dans la nature. La radioactivité est devenue une science complète, puisqu’à l’observation, à l’exploration, à la mesure et à l’explication s’ajoute désormais la possibilité de manipulation.
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L’impact de la découverte de la radioactivité sur la physique de notre siècle a été considérable. Elle a constitué l’un des événements majeurs qui ont déclenché la révolution scientifique et conceptuelle du premier quart de notre siècle, marquée par l’émergence de la relativité, de la mécanique quantique et de la microphysique. En explorant la Nature à des échelles de plus en plus fines, on a réussi à l’appréhender à l’aide de principes de plus en plus simples, de plus en plus unifiés, mais de plus en plus abstraits et masqués par le nombre immense des particules constituant les objets à notre échelle.
Rutherford eut ainsi l’idée, peu après qu’il eut identifié les rayons α, de les utiliser comme sonde pour scruter la structure atomique de la matière. Pour ce faire, il suggéra à des collègues et élèves d’étudier la diffusion de pinceaux de particules α par de minces feuilles métalliques. Geiger et Marsden trouvèrent des résultats inattendus et intrigants, sur lesquels il médita durant plusieurs mois.
Finalement, en 1911, il en déduisit que, contrairement aux idées en cours, les charges positives et l’essentiel de la masse de chaque atome devaient être concentrés dans un noyau central, très petit, tandis que les charges négatives portées par les électrons beaucoup plus légers occupaient tout le volume de l’atome. Cette expérience célèbre engendra la physique atomique et à travers Niels Bohr la mécanique quantique.
En 1919, c’est encore Rutherford qui observa le premier une réaction nucléaire, l’absorption d’une particule α par un noyau d’azote avec émission d’un proton. À partir de là, la radioactivité a eu pour prolongement direct la physique nucléaire, science nouvelle qui rend compte de la structure des noyaux atomiques et de leurs réactions, et dont elle est devenue un chapitre.
Autre incidence précoce : avant même qu’Einstein n’élabore sa théorie de la relativité, des mesures sur les trajectoires de rayons β issus du radium avaient montré que l’inertie des électrons constituant ces rayons augmente avec leur vitesse lorsque celle-ci se rapproche de celle de la lumière. La genèse de la relativité générale elle-même n’est pas sans rapport avec la radioactivité, puisque Einstein, en écrivant sa célèbre formule E = mc2, prévoyait déjà que la désintégration du radium fournirait une preuve expérimentale de cette équivalence entre énergie et masse.
L’étude des particules élémentaires nous a appris qu’aux échelles beaucoup plus courtes que la taille des noyaux la physique repose seulement sur quatre interactions fondamentales, que la théorie vise actuellement à unifier. Mise à part l’interaction gravitationnelle, les trois autres étaient déjà en filigrane dans la radioactivité : l’émission des rayons α est régie par l’interaction dite forte, celle des rayons β par l’interaction dite faible et celle des rayons γ par l’interaction électromagnétique.
Toute la science contemporaine est imprégnée par le concept de probabilité. La radioactivité est le premier phénomène où ce concept se manifeste clairement à l’échelle microscopique. Dès 1903, des expériences permettent de détecter une à une les particules qui constituent un rayonnement α, et on observe que cette émission se distribue au hasard dans le temps.
La désintégration d’un noyau avec émission d’une particule α constitue donc un phénomène aléatoire se produisant à un instant imprévisible. Ceci allait être confirmé un quart de siècle plus tard par la mécanique quantique, théorie foncièrement probabiliste.
La radioactivité et plus généralement la physique nucléaire ont révolutionné les sciences de l’Univers. L’important dégagement de chaleur qui accompagne les émissions radioactives a suggéré très tôt qu’il fallait chercher là la source d’énergie permettant au Soleil de briller pendant plusieurs milliards d’années et donc à la vie de se développer. Aujourd’hui, nous disposons d’une théorie détaillée du fonctionnement de cette gigantesque machine, de son devenir, et plus généralement de l’évolution des autres types d’étoiles.
En cosmologie, l’abondance dans l’Univers des divers éléments repose également sur la physique nucléaire. Quant à la radioactivité de notre planète, bien que faible, c’est la source d’énergie qui gouverne les mouvements de son magma interne, eux-mêmes responsables de la tectonique ; elle est essentielle dans la compréhension de son évolution depuis sa création.
Pierre Curie faisant son cours dans l’amphithéâtre de la Faculté des Sciences, rue Cuvier, 1904.
ARCHIVES CURIE ET JOLIOT-CURIE — D.R.
La radiochimie, science initiée il y a juste cent ans par Marie Curie, permet aujourd’hui de produire et d’isoler toute une gamme d’isotopes radioactifs, ayant les mêmes propriétés chimiques que les éléments naturels correspondants mais susceptibles d’être détectés grâce au rayonnement qu’ils émettent. Ceci permet de “marquer” des molécules (chimiques et biologiques) en remplaçant l’un de leurs atomes par un isotope radioactif, et de les suivre ainsi à la trace sans que leur fonctionnement soit affecté.
L’immense essor de la biologie contemporaine n’aurait pas eu lieu sans cette technique décisive d’investigation. Par exemple, la physiologie a été révolutionnée par la possibilité de suivre l’écoulement du sang et d’autres fluides dans diverses parties du corps ; observer l’afflux de sang en tel ou tel point du cerveau donne actuellement des indications uniques sur le fonctionnement du cerveau.
À l’échelle microscopique, l’insertion de traceurs radioactifs dans des molécules biologiques aide à déterminer la structure de l’ADN et celle des protéines, à analyser le génome, et à déchiffrer les mécanismes chimiques et dynamiques du vivant.
On ne saurait sous-estimer l’impact de ces techniques d’emploi de la radioactivité sur la biologie moléculaire, la biologie cellulaire, le génie génétique, la biologie du développement végétal ou animal, et les sciences de l’environnement.
Comme toute science déjà avancée, la radioactivité a donné lieu à des applications pratiques importantes et variées, reposant sur l’une ou l’autre de ses propriétés. Je me bornerai ici à les énumérer. Les plus spectaculaires tirent parti de la libération de grandes quantités d’énergie par des réactions nucléaires, notamment les réacteurs qui nous alimentent en électricité, et aussi malheureusement les bombes. La luminescence des corps radioactifs est exploitée pour l’éclairage de cadrans d’affichage.
D’autres applications sont liées au pouvoir pénétrant des radiations, devenues ainsi des outils d’exploration de la matière. Leurs effets ionisants en font un moyen commode et efficace de stérilisation. Dès 1901, Marie Curie eut l’idée d’utiliser le rayonnement du radium pour détruire des tissus cancéreux ; avec la radiothérapie utilisant les rayons X, la curiethérapie utilisant la radioactivité constitue aujourd’hui une arme importante dans la lutte contre les tumeurs.
La durée moyenne de vie des éléments radioactifs est connue ; en dosant ceux que contient tel ou tel objet, on peut ainsi parvenir à le dater. Le professeur Bielicki montrera l’importance de cette méthode en anthropologie pour établir la chronologie de l’histoire de l’homme. Elle sert aussi à déterminer l’âge des roches en géologie et à reconstituer l’histoire de la Terre ; elle est aussi d’usage courant en archéologie.
Une dernière série d’applications est basée sur la possibilité d’analyser la nature des rayonnements et de mesurer leur intensité avec une extrême sensibilité, ce qui permet de détecter des quantités infimes de matière radioactive. Avec le laser, c’est même le plus sensible des moyens d’investigation. L’emploi de molécules marquées par des isotopes radioactifs et celui de rayons γ servent ainsi à explorer le corps humain, fournissant des méthodes de diagnostic médical non invasives, telles que l’observation par scintigraphie de la thyroïde, des os ou du système cardiovasculaire.
Les historiens de l’art utilisent également de telles techniques, qui ont aussi permis récemment de mesurer l’émission de neutrinos par le Soleil ; ces mesures ne mettent en jeu que quelques atomes radioactifs.
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La radioactivité est sans doute la science qui a nourri le plus de mythes. On l’a longtemps perçue comme un phénomène bienfaisant. Le salon d’honneur de la Sorbonne abrite un grand tableau allégorique des années 30, où une belle femme nue symbolisant l’humanité reçoit avec extase le baiser d’un personnage viril non moins beau qui représente la radioactivité. Dans mon enfance, une affichette apposée chez mon coiffeur me fascinait ; il s’agissait d’un visage féminin éclairé par le bas d’une lueur bleue, publicité pour une pommade Tho-Radia au thorium et au radium ! Je me souviens aussi avoir été frappé dans les années 50 lors d’un voyage en Italie par une bouteille d’eau minérale qui portait en gros caractères la mention “la plus radioactive au monde” !
Une mythologie opposée règne aujourd’hui. Bien entendu, des dangers réels nous menacent avec le nucléaire militaire, et même avec le nucléaire civil lorsque celui-ci se conjugue à une incurie par exemple soviétique. Les problèmes géopolitiques posés par la dissémination des techniques nucléaires sont évidents. Mais pourquoi l’accident de Three-Mile-Island qui n’a provoqué aucune irradiation humaine a‑t-il autant enflammé les esprits ?
Comment peut-on lire dans des livres ou des journaux apparemment sérieux des phrases telles que (je cite) “le contact d’une seule goutte d’eau avec le sodium que contient Superphénix suffirait à le transformer en un super Tchernobyl”, alors qu’un calcul élémentaire démontre que le seul effet en serait une élévation de température très inférieure au millionième de degré ?
Pourquoi diverses associations s’inquiètent-elles en France, au point d’engager des procès en série, d’un entreposage d’uranium appauvri, alors que ce matériau est trois fois moins radioactif que l’uranium qui se trouve dans la nature et dont il a été extrait ?
Pourquoi les médias surestiment-ils aussi dramatiquement les risques de l’électronucléaire, alors qu’ils sous-estiment ou ignorent des risques beaucoup plus graves, à commencer, paradoxalement, par ceux de la radioactivité d’origine médicale ou issue d’autres industries ?
Comme toute crainte irraisonnée, cette psychose est dangereuse. Elle a conduit plusieurs pays européens à renoncer au nucléaire pour produire les grandes quantités d’énergie électrique dont le monde moderne a besoin, sans aucune perspective de solution de rechange ; on a ainsi substitué, à des risques que nos sociétés et nos industries ont su maîtriser, les dangers, encore mal évalués et peut-être plus pernicieux, d’une augmentation de la proportion de gaz carbonique dans notre atmosphère et d’un réchauffement de notre planète.
Comment des décisions qui engagent notre avenir pourraient-elles être prises rationnellement si hommes politiques, journalistes et grand public restent sous l’emprise d’une pensée mythique ? Tout choix, y compris l’absence de choix, comporte des risques qu’il importe de savoir peser à la lumière des données objectives de la science. Ne gagnerait-on pas une vision plus sereine des choses en prenant au moins conscience du fait que la radioactivité est un phénomène naturel, omniprésent ? Il importe certes de s’en protéger, mais sa présence en faibles doses n’a pas empêché la vie de se développer. Nous sommes irradiés en permanence par la radioactivité issue de notre sol et par les rayons cosmiques.
Le corps humain lui même est une source de rayonnement ; son activité est d’environ 9 000 becquerels, c’est-à-dire qu’il s’y produit 9 000 désintégrations par seconde. Faudrait-il s’en inquiéter ? Les journaux devraient-ils remplir des colonnes pour signaler un dégagement de 2 000 becquerels par une centrale électronucléaire ?
Seul un effort d’éducation parviendra à conduire à des attitudes avisées. Parmi les objectifs de l’enseignement secondaire, la formation de citoyens responsables implique l’acquisition d’une culture scientifique qui les affranchisse de préjugés trop répandus et de craintes infondées. Les dangers véritables de la radioactivité doivent cependant rester constamment à l’esprit de ses utilisateurs, dans les hôpitaux comme dans les usines, pour éviter des entorses encore trop fréquentes à la sûreté nucléaire ; des précautions adéquates supposent des connaissances suffisantes, la formation professionnelle permanente doit y veiller.
Enfin, dans les universités, l’enseignement de la physique nucléaire au moins en France est trop souvent désuet ou inexistant. Parmi les professeurs, bien peu sont aujourd’hui des chercheurs de cette discipline, qui n’attire plus les étudiants.
Les physiciens nucléaires, surtout théoriciens, constituent ainsi une communauté dont la relève des générations n’est plus assurée. Et pourtant, il ne s’agit pas d’une science achevée ; l’élimination des déchets nucléaires, la production d’énergie propre, lancent des défis qui ne peuvent être relevés sans une recherche fondamentale active à long terme. La maîtrise de tels problèmes de société nécessite un effort particulier pour susciter et former de jeunes physiciens nucléaires, théoriciens ou expérimentateurs, qui recueilleront l’héritage de Becquerel, des Curie, de Rutherford et des Joliot-Curie.
