logo Essonne

De la découverte de la radioactivité à la bombe atomique

Découverte par hasard en 1896, la radioactivité est rapidement devenue un sujet d'étude majeur dont les applications – en particulier la possibilité de produire de l'énergie nucléaire – ont profondément marqué le XXe siècle. La revue Elementaire revient sur ce demi-siècle (1896-1945) qui a vu cette science naître puis se développer, avant de finalement perdre son innocence lors des premières explosions atomiques.

Lord Ernest RutherfordLord Ernest Rutherford (1871-1937) était un physicien britannique qui a obtenu le prix Nobel de chimie en 1908 pour ces travaux en physique nucléaire et pour sa théorie relative à la structure de l'atome
© AIP Emilio Segre Visual Archives

A l'automne 1895, Wilhem Röngten découvre de mystérieux « rayons X » émis par un lointain ancêtre du tube cathodique de nos téléviseurs. Ces rayons traversent une feuille de papier opaque, font scintiller un écran fluorescent mais sont arrêtés par les os.

En janvier 1896, cette découverte est présentée à l'Académie des Sciences de Paris ; elle attire l'attention d'Henri Becquerel, spécialiste des phénomènes de fluorescence. Quelques jours plus tard, il dépose du sel phosphorescent d'uranium sur des plaques photographiques vierges, les enveloppe dans du papier noir et les expose au soleil. Une fois développées, elles révèlent l'image des cristaux de sel d'uranium. Becquerel pense alors que l'énergie solaire est absorbée par le sel d'uranium avant d'être réémise sous forme de rayons X qui impressionnent les plaques photographiques. En fait il se trompe et la météo va l'aider.

Les 26 et 27 février, les nuages masquent le soleil ; dépité, Becquerel range ses plaques déjà imprégnées de sel d'uranium dans un placard. Le 1er mars, il les développe par acquis de conscience : à sa grande surprise, elles sont également impressionnées ! Becquerel vient de découvrir la radioactivité, c'est-à-dire l'émission spontanée (sans apport d'énergie extérieure) de radiation par une substance inerte.

Il montre ensuite que ce rayonnement est d'un type nouveau : il n'est pas formé de rayons X. Pierre et Marie Curie se lancent alors sur les traces de nouvelles substances radioactives – terme qu'ils ont d'ailleurs inventé. En 1898, ils découvrent le polonium puis le radium. Plusieurs années leur sont ensuite nécessaires pour mesurer les propriétés chimiques de ces éléments très rares. Ce travail de titan, effectué sans radioprotection suffisante, obère durablement leur santé.

Cette période est également marquée par les travaux d'Ernest Rutherford. En particulier, il découvre que la radioactivité est associée à un phénomène de transmutation : en se désintégrant, un noyau devient un autre élément chimique. Dès 1919, Rutherford réalise la première transmutation artificielle : en bombardant des noyaux d'azote avec des noyaux d'hélium, il obtient de l'oxygène.

L'avancée majeure suivante est réalisée en 1934 par Irène Curie et Frédéric Joliot. Ils réussissent à produire un isotope radioactif du phosphore qui n'existe pas dans la nature. La découverte de la radioactivité artificielle ouvre la porte à la création contrôlée de noyaux radioactifs.

En 1938, des physiciens allemands découvrent que l'élément uranium est fissile. Peu après, Joliot et ses collaborateurs mettent en évidence la production de neutrons lors de la fission de l'uranium. Ils démontrent également la possibilité d'une réaction en chaîne susceptible de fournir une quantité considérable d'énergie.

La seconde guerre mondiale cristallise ces recherches dont les applications militaires sont évidentes. Bien qu'il soit pacifiste, Albert Einstein envoie une lettre au président Roosevelt dès le 2 août 1939 pour l'avertir des progrès récents accomplis en physique nucléaire et de leurs possibles conséquences. Alors que les recherches visant à mettre au point la bombe atomique sont découragées en Allemagne, la science américaine bénéficie de l'aide d'un grand nombre de physiciens exilés aux USA. Ainsi, Enrico Fermi met au point la première pile atomique en 1942. Dès lors, la voie est tracée pour le projet « Manhattan », basé à Los Alamos et dirigé par Robert Oppenheimer, dont le but est de mettre au point « les bombes extrêmement puissantes d'un type nouveau » dont parle Einstein dans son courrier.

Le 16 juillet 1945, la première bombe atomique explose dans le désert du Nouveau Mexique. Les 6 et 9 août, deux autres bombes sont lâchées sur les villes japonaises d'Hiroshima et Nagasaki, tuant de manière immédiate ou retardée des centaines de milliers de personnes. La guerre mondiale est gagnée mais la physique nucléaire a définitivement perdu son innocence…

01.8 novembre 1895 : découverte des rayons X

Portrait d'Henri BecquerelHenri Becquerel (1852-1908) découvrit la radioactivité en 1896, par hasard, et reçu le prix nobel de physique en 1903 avec les physiciens français Pierre et Marie Curie pour leurs travaux sur la radioactivité.
© Musée des archives de l’Institut du Radium
Découverte il y a une centaine d'années, la radioactivité a fortement marqué le XXe siècle de son empreinte. En effet, son étude a débouché sur de nombreuses applications : traitement des tumeurs, datation de vestiges archéologiques et bien évidemment production de quantités colossales d'énergie, utilisées à des fins tant pacifiques que militaires.

Depuis l'explosion des premières bombes atomiques, le nucléaire est au cœur de nos sociétés. Si depuis la fin de la guerre froide le danger d'une confrontation atomique meurtrière s'est un peu atténué, la question des déchets radioactifs est plus que jamais d'actualité en France où la production d'électricité est très majoritairement assurée par des centrales nucléaires.

Sans rentrer dans un débat de société majeur où chacun, citoyen comme scientifique, a son mot à dire, nous nous proposons d'y contribuer de manière indirecte en retraçant la chronologie des cinquante années qui ont suivi la découverte de la radioactivité. Cette période (1896-1945) est marquée par des avancées scientifiques très importantes : mise en évidence d'éléments chimiques toujours plus radioactifs, de la structure atomique, des phénomènes de transmutation, de la fission nucléaire etc. Elle se clôt finalement par les catastrophes d'Hiroshima et de Nagasaki qui représentent une vraie rupture dans les rapports entre science et société.

Wilhelm Conrad RöngtenWilhelm Röngten (1845-1923) est le physicien allemand qui découvrit les rayons X et reçu pour cela le prix Nobel de physique en 1901.
© AIP Emilio Segre Visual Archives
A l'université de Würzburg en Allemagne, Wilhelm Röntgen (1845-1923) découvre un mystérieux rayonnement émis par un tube de Crookes (un ancêtre de nos tubes cathodiques) qu'il utilise pour étudier les propriétés de faisceaux d'électrons. Ces « rayons X » – Röngten les baptise ainsi – ont le pouvoir de traverser un papier opaque enveloppant le tube de Crookes et font scintiller un écran fluorescent situé sur une table voisine. Rapidement, Röntgen met en évidence d'autres propriétés des rayons X. «Éclairée» par ces derniers, la main de sa femme projette en arrière plan l'image nette de ses os et de son alliance. Ainsi, les rayons X traversent la peau et la chair sans dommage, mais ils sont arrêtés par les os et le métal.
Après quelques semaines, Röntgen, qui recevra en 1901 le premier prix Nobel de Physique pour sa découverte, envoie ses «clichés radiographiques» à plusieurs confrères en Europe. Le 20 janvier 1896, Henri Poincaré les présente à Paris lors d'une séance à l'Académie des Sciences et fait l'hypothèse que ce rayonnement pénétrant accompagne la fluorescence du tube de Crookes observée expérimentalement. Dans l'assistance se trouve Henri Becquerel, fils et petit-fils de physicien, spécialiste des phénomènes de fluorescence et de phosphorescence.

02.1er mars 1896 : découverte de la radioactivité naturelle

Bol contenant du radiumBol contenant du radium et émettant de la lumière.
© Musée des archives de l’Institut du Radium
Henri Becquerel (1852-1908) s'intéresse à la découverte de Röntgen et décide de faire des recherches sur les liens entre rayons X et fluorescence à l'aide d'une préparation de sel phosphorescent d'uranium. Déposant ce sel sur des plaques photographiques enveloppées dans du papier noir, il expose le tout au soleil puis développe les plaques. Les photographies révèlent l'image des cristaux de sel d'uranium, que Becquerel suppose créée par les mystérieux rayons X de Röntgen.

Becquerel pense alors que l'énergie solaire est absorbée par l'uranium avant d'être réémise sous forme de rayons X. Il a tort et, comme souvent en science, la chance lui donne un coup de pouce inattendu. Les 26 et 27 février, le temps est tellement couvert sur Paris que Becquerel renonce à ses expériences d'exposition : il range ses plaques photographiques imprégnées de sel d'uranium dans un placard. Le 1er mars, il les ressort et décide, par acquis de conscience, de les développer bien qu'il s'attende à les trouver vierges. À sa grande surprise, les plaques sont quand même impressionnées et Becquerel distingue même l'image négative d'une croix de cuivre qui se trouvait entre l'uranium et l'une des plaques photographiques. En l'absence de source d'énergie extérieure (comme le soleil), une substance inerte se montre capable d'émettre des rayons qui traversent le papier mais sont arrêtés par le métal.
Grâce aux aléas de la météo (et au choix, par hasard, de sels fluorescents à l'uranium !) Becquerel vient de découvrir la radioactivité, c'est-à-dire l'émission spontanée de radiation par un matériau. On connaît aujourd'hui trois formes de radioactivité, appelées α (« alpha », émission de noyaux d'hélium), β (« bêta », émission d'électrons) et γ (« gamma », émission de photons).
Au cours des années suivantes, Becquerel montre que la radiation émise par l'uranium a certaines propriétés communes avec les rayons X de Röngten. Par contre, les « rayons uraniques » sont formés de particules chargées alors que les rayons X sont neutres. Pour tous ces résultats, Becquerel partage le prix Nobel de Physique en 1903 avec les époux Curie.

Laboratoire de Pierre et Marie CuriePierre (1859-1906) et Marie (1867-1934) Curie dans leur laboratoire.
© ACJC
1898 : découvertes du polonium et du radium
Pierre (1859-1906) et Marie (1867-1934) Curie se lancent sur les traces des « rayons U » de Becquerel. Travaillant sur la pechblende (un minerai d'uranium), ils découvrent qu'il est bien plus radioactif que l'uranium pur dont ils disposent. De cette observation, ils déduisent que la pechblende doit contenir une source inconnue de radioactivité. Pour l'isoler, ils sont contraints de traiter et de purifier plusieurs tonnes de résidu de minerai de pechblende qu'ils font livrer dans leur laboratoire. En juillet 1898, ils découvrent le polonium – baptisé en l'honneur du pays natal de Marie, la Pologne – puis en décembre le radium, deux millions de fois plus radioactif que l'uranium. Ensuite, plusieurs années de travail seront nécessaires pour obtenir une quantité suffisante de ces éléments afin de pouvoir mesurer leurs propriétés chimiques.

Ces recherches leur vaudront de partager le prix Nobel de physique en 1903 (avec Henri Becquerel). Après la mort accidentelle de Pierre Curie en 1906 Marie reprend sa chaire à la Sorbonne – elle est la première femme à occuper un tel poste – et continue ses recherches. En particulier, elle isole le radium, travail pour lequel elle reçoit le prix Nobel de Chimie en 1911 ; ainsi, elle est la première à obtenir deux prix Nobel.

Il convient de rappeler ici que Pierre et Marie Curie ont inventé le terme de « radioactivité » et qu'ils ont chèrement payé leurs découvertes. Marie Curie est morte d'une leucémie, certainement provoquée par les substances radioactives qu'elle manipula sans protection suffisante pendant des années afin de les purifier. En reconnaissance de leurs parcours exceptionnels, les restes de Pierre et Marie Curie ont été transférés au Panthéon en 1995.

03.1899-1911 : Rutherford explore la structure de l'atome

Robert OppenheimerRobert Oppenheimer (1904-1967) physicien américain qui diriga la mise au point des premières bombes atomiques.
© CERN
En un peu plus d'une décennie, Ernest Rutherford (1871-1937) révolutionne la connaissance des atomes et effectue des avancées considérables dans la compréhension de la radioactivité : partout où il passe, il réalise des expériences décisives qui, prises individuellement, suffiraient à faire le bonheur d'un physicien ambitieux. En 1899, à Cambridge, il identifie et nomme les rayons alpha et bêta. Puis, en 1902, maintenant installé à l'université Mac Gill au Canada, il montre avec Frederick Soddy que la radioactivité s'accompagne d'un phénomène de transmutation : en se désintégrant, un noyau devient un autre élément chimique. Pour la première fois, le vieux rêve des alchimistes devient réalité ... On imagine la révolution scientifique que cette découverte a représentée ! Pour tous ces travaux, Rutherford obtient le prix Nobel de chimie en 1908.

Rutherford part ensuite à l'université de Manchester où, avec Hans Geiger et Ernest Marsden, il découvre le noyau atomique dans les années 1909-1911. Enfin, en 1919, alors qu'il est directeur du Cavendish Laboratory à Cambridge, Rutherford réalise la première transmutation artificielle. En bombardant de l'azote avec des particules alpha, il obtient un autre élément chimique : l'oxygène.
Pour résumer l'impact de Rutherford sur la science de son temps, il suffit de préciser qu'il est enterré notamment dans l'Abbaye de Westminster à Londres aux côtés d'Isaac Newton.

Des avancées capitales de 1928 à 1934
- 1928 : invention du compteur Geiger
L'ancien collaborateur de Rutherford Hans Geiger met au point le « compteur Geiger », toujours utilisé de nos jours pour quantifier la radioactivité d'une substance.

- Début des années 1930 : premiers accélérateurs de particules
Au tournant des années 1930, les premiers accélérateurs de particules sont construits et utilisés pour étudier de manière plus systématique les propriétés des noyaux. Ces machines, sans cesse perfectionnées depuis lors, ont permis de réaliser la majeure partie des avancées en physique des particules et sont toujours des composantes essentielles des recherches actuelles. A l'époque, il s'agit d'atteindre des énergies plus élevées que celles accessibles au moyen de désintégrations radioactives naturelles et d'effectuer des collisions variées entre particules en changeant soit la nature des projectiles, soit celle de la cible.

- 1934 : découverte de la radioactivité artificielle
La fille de Pierre et Marie Curie, Irène, et son mari Frédéric Joliot découvrent la radioactivité artificielle. En bombardant une feuille d'aluminium avec des particules alpha, ils obtiennent du phosphore radioactif, un isotope du phosphore stable qui n'existe pas dans la nature ! Rutherford avait ouvert la porte à « l'alchimie nucléaire » tout en restant spectateur des réactions de transmutation qui avaient lieu. Avec les Joliot-Curie, un pas supplémentaire est franchi : on peut maintenant contrôler la création de noyaux radioactifs, ce qui sera bien vite exploité, pour le meilleur et pour le pire. Les deux époux reçoivent le prix Nobel de Chimie en 1935 pour leur découverte.

1938 : des avancées scientifiques lourdes de menaces

En 1938, les physiciens allemands Otto Hahn, Fritz Strassmann et Lise Meitner découvrent la fission du noyau d'uranium. Quelques mois plus tard, Frédéric Joliot et ses collègues H. Von Halban et L. Kowalski mettent en évidence la production de neutrons lors de la réaction de fission. Ils démontrent la possibilité d'une réaction en chaîne : les neutrons libérés lors d'une fission viennent frapper d'autres noyaux pour provoquer de nouvelles fissions. Ils imaginent les applications de ce processus pour la production d'énergie. Frédéric Joliot construit également le premier cyclotron (accélérateur circulaire) européen au Collège de France à Paris.
Dans le même temps, Edward Orlando Lawrence – inventeur du premier cyclotron – et son frère démontrent l'intérêt de l'iode radioactif pour l'exploration de la glande thyroïde, une des premières applications de la radioactivité en médecine.

04.2 décembre 1942 : la première pile atomique

Ombres d'HiroshimaOmbres d’un homme et de son échelle à Hiroshima, « imprimées » sur un mur à cause de la chaleur dégagée par l’explosion nucléaire.
© D.R. / BT.
Le 2 décembre 1942, aux États-Unis, le directeur du « National Defense Research Committee » (Comité de Recherche sur la Défense Nationale) reçoit un message codé en provenance de Chicago : « le navigateur italien vient d'atterrir dans le nouveau monde ». Que signifie cette phrase énigmatique ? Rien de moins qu'un bouleversement considérable, tant pour la conduite de la guerre que pour le futur du monde … En effet, sous les gradins d'un complexe sportif de l'Université Stagg Field de Chicago, le physicien italien Enrico Fermi et son équipe du laboratoire de métallurgie viennent de faire fonctionner la première pile atomique.

Son « allumage » fut effectué avec une grande précaution en se fiant aux calculs – purement théoriques ! – de Fermi sur la masse critique d'uranium nécessaire pour engager et entretenir une réaction nucléaire contrôlée. Plusieurs dispositifs avaient été prévus pour stopper brutalement la pile si les compteurs (de type Geiger) montraient qu'elle s'emballait : l'ultime parade était une « équipe-suicide » de trois physiciens chargés en dernier recours de recouvrir le dispositif expérimental de sulfate de cadmium (un matériau absorbant les neutrons propageant la réaction en chaîne) au prix d'une exposition sévère au rayonnement radioactif produit. En fait, tout se passa bien et la pile fonctionna vingt-huit minutes en délivrant quelques centaines de watts. C'était suffisant pour démontrer la faisabilité d'une réaction en chaîne – et donc, à terme celle d'une bombe atomique – et pour prouver qu'il était ainsi possible de fabriquer du plutonium, un élément radioactif artificiel utilisable comme combustible nucléaire.

Fermi et ses collègues l'ignoraient alors mais leur pile atomique « artificielle » avait un précédent (« naturel » celui-ci) : il y a 1,5 milliards d'années, la concentration d'éléments radioactifs sur le site d'Oklo (au Gabon) devint suffisante pour qu'une réaction de fission nucléaire – parfaitement similaire à celle maîtrisée de nos jours dans les centrales nucléaires – s'amorce spontanément et perdure sans intervention extérieure pendant un demi million d'années. En effet, l'uranium se désintègre naturellement en émettant plusieurs neutrons. Si le matériau est suffisamment riche en uranium, certains de ces neutrons vont pouvoir entrer en collision avec d'autres atomes radioactifs, ce qui provoque leur fission elle-même accompagnée par la production de nouveaux neutrons qui, à leur tour, peuvent générer de nouvelles fissions. C'est le principe de la réaction en chaîne qui se poursuit tant qu'il y a suffisamment de noyaux fissiles. Néanmoins, la puissance ainsi produite à Oklo était modeste, de l'ordre de 20 kW, à peine de quoi allumer quelques centaines de lampes.

16 juillet 1945 : « (…) la lumière de mille soleils (…) ». A 5h30 du matin, la première bombe atomique explose dans le désert du Nouveau Mexique. La puissance de l'explosion dépasse toutes les prévisions et trouble profondément tous ceux – savants et militaires – qui y assistent. Devant ce spectacle d'apocalypse, Robert Oppenheimer, qui dirige l'équipe de physiciens qui a conçu la bombe dans le laboratoire secret de Los Alamos, se remémore quelques vers de deux poèmes mythologiques hindous dont il est un fin connaisseur.

« (…) Si la lumière de mille soleils
Eclatait dans le ciel
Au même instant, ce serait
Comme cette glorieuse splendeur (…)
»

« (…) Je suis la mort, qui ravit tout, qui ébranle les mondes. (…) »

Plus prosaïque, le responsable de l'essai, Kenneth Bainbridge, a cette réflexion : « Maintenant, nous sommes tous des fils de p… ». En tout cas, il est trop tard pour revenir en arrière.

6 août 1945

Une bombe atomique à l'uranium est lâchée sur Hiroshima au Japon : elle tue 45 000 personnes instantanément et 120 000 dans l'année qui suit à cause des rayonnements radioactifs. Le 9 août, une seconde bombe atomique, au plutonium cette fois-ci, est larguée sur Nagasaki et fait 30 000 victimes le premier jour, 80 000 sur un an. Dans les deux cas, le bilan s'est ensuite considérablement alourdi au cours des années. Les deux bombes atomiques tuent encore aujourd'hui parmi les survivants irradiés et leurs descendants. Si le Japon, assommé par ces deux catastrophes a capitulé le 2 septembre 1945, mettant ainsi fin à la Seconde Guerre Mondiale, la physique nucléaire a définitivement perdu son innocence…

Restez connecté

Suivez-nous : Page Facebook Page Twitter

Lettre d'information :

Portraits d'experts

  • Romina Aron Badin, les primates au coeur
  • Jacques-Marie Bardintzeff, une vie consacrée aux volcans
  • Catherine Charlot-Valdieu :  Home sweet home
  • Didier Labille, l’astronomie en amateur professionnel