La découverte de la radioactivité

La découverte de la radioactivité constitue l’un des grands bouleversements de la physique de la fin du 19^ème siècle. Jusqu’alors, l’atome était généralement pensé comme une entité stable, indivisible et inerte. Or, avec les travaux d’Henri Becquerel, puis de Pierre et Marie Curie, de Rutherford, de Soddy et de nombreux autres chercheurs, cette image va voler en éclats. Certaines substances se révèlent capables d’émettre spontanément des rayonnements, donc de libérer de l’énergie sans apport extérieur, et même de se transformer en d’autres éléments.

Cette découverte ouvre un champ scientifique entièrement nouveau. Elle conduit d’abord à identifier plusieurs types de rayonnements, alpha, bêta et gamma, puis à comprendre qu’ils proviennent de transformations internes de l’atome. La radioactivité apparaît alors comme le signe que la matière n’est ni immuable ni indivisible. L’atome possède une structure interne, et son noyau peut être le siège de processus de désintégration, de transmutation et de libération d’énergie considérable.

Mais l’histoire de la radioactivité ne s’arrête pas à cette phase de découverte. Très rapidement, les physiciens passent de l’observation de phénomènes naturels à leur reproduction en laboratoire. Avec la radioactivité artificielle, l’être humain ne se contente plus de constater l’instabilité de certains noyaux : il apprend à provoquer lui-même des réactions nucléaires, à créer des isotopes nouveaux, puis à contrôler, au moins partiellement, les processus de fission. Ce passage de l’observation à l’action marque une rupture technique et conceptuelle majeure.

Cet article retrace cette double histoire. Nous verrons d’abord comment la radioactivité naturelle a été mise en évidence, caractérisée et interprétée, depuis les rayons uraniques de Becquerel jusqu’aux lois de décroissance radioactive et à l’identification des différents rayonnements. Nous aborderons ensuite la radioactivité artificielle, des premières transmutations nucléaires aux travaux des Joliot-Curie, de Fermi, de Hahn, Meitner et Frisch, jusqu’à la compréhension de la fission nucléaire et de son contrôle. À travers ces découvertes successives, c’est toute la vision de la matière qui se transforme, et avec elle l’entrée de la physique dans l’ère nucléaire.

Les rayons uraniques (Henri Becquerel-1896)

La première découverte de radioactivité naturelle est due au physicien français Henri Becquerel en 1896^[1]. Becquerel s’intéressait au phénomène de phosphorescence. Ayant pris connaissance de la découverte des rayons X par Röntgen en 1895, Becquerel voulu caractériser les rayons naturels émis par une roche d’uranium, en pensant que la phosphorescence émise par l’uranium était susceptible d’être des rayons X.

En 1896, les rayons X faisaient l’objet de nombreuses recherches. Le caractère très illustratif des rayons X (on pouvait voir les os à l’intérieur du corps humain grâce à ces rayons X) avait contribué à diffuser très largement et très rapidement ce nouvel objet de la science physique aussi bien dans la communauté scientifique que du grand public. En étudiant la phosphorescence Becquerel se demandait si des rayons X n’étaient pas émis dans le même temps par les corps « phosphorescents » qu’il étudiait, et en particulier l’uranium.

La phosphorescence des sels d’uranium est relativement brève. Becquerel enregistre les rayonnements émis par ces sels d’uranium à l’aide d’une plaque photographique. Le 24 février 1896, il positionne simplement le sel d’uranium phosphorescent sur une plaque photographique préalablement enveloppée dans du papier noir pour qu’aucun rayon de lumière ne vienne en contact avec cette plaque photographique, et que seuls les rayons très pénétrants tels que les rayons X puissent impressionner la plaque. Becquerel se rend compte que la plaque est impressionnée et en déduit que c’est la phosphorescence des sels d’uranium qui en est responsable.

Il souhaite alors reproduire son expérience, mais, du fait d’une météo un peu capricieuse, il n’a malheureusement pas assez de lumière pour engendrer la phosphorescence de son sel d’uranium. Il décide alors de ranger tout son matériel expérimental dans un tiroir en attendant des jours meilleurs. La météo ne s’améliorant pas, il a l’idée le 1^er mars de développer quand même sa plaque photographique, et se rend compte que, de façon très surprenante, le sel d’uranium placé dans le tiroir avec la plaque photographique a laissé la même trace sur cette plaque.

Becquerel pense dans un premier temps qu’il s’agit d’une phosphorescence ayant un effet de très longue durée et décide de reproduire l’expérience après avoir laissé le sel d’uranium à l’abri de la lumière pendant une très longue durée. Il constate à nouveau une impression de la plaque photographique, et en déduit que ce n’est pas l’énergie lumineuse emmagasinée par la roche qui en est la cause.

Becquerel fait alors une deuxième hypothèse, il suppose que l’impression de la plaque provient de certaines formes chimiques des sels d’uranium. Il reproduit son expérience avec différents types de composés d’uranium à la fois phosphorescents et non phosphorescents, mais également avec des composants chimiques phosphorescents ne contenant pas d’uranium. L’impression de la plaque est, à chaque fois, la même avec tous les composés d’uranium.

A contrario, lorsqu’il n’y a pas d’uranium, il ne constate aucune impression de la plaque photographique. Il en déduit alors que c’est l’uranium qui émet des rayonnements spécifiques susceptibles d’impressionner la plaque, et il appellera ces rayons, les rayons uraniques. La particularité de ce phénomène est qu’une matière a priori inerte puisse émettre des radiations sans apport énergétique extérieur, ce qui n’était pas le cas par exemple pour les rayons X.

Lors de la conférence de remise de son prix Nobel en 1903, Becquerel confirma le caractère totalement inattendu de ses découvertes alors qu’il cherchait à reproduire les rayons X de Röntgen : « Au commencement de l’année 1896, le jour même où on connut à Paris les expériences de Röntgen et les propriétés extraordinaires des rayons émis par la paroi phosphorescente des tubes de Crookes, je pensai à rechercher si toute matière phosphorescente n’émettait pas de semblables rayons. L’expérience ne justifia pas cette conception, mais dans cette recherche, je rencontrai un phénomène inattendu ».

Cette découverte est aujourd’hui reconnue comme un jalon fondamental dans l’histoire des sciences. Le fait que la matière puisse émettre spontanément des rayonnements, et donc de l’énergie, sans apport extérieur remettait en cause l’idée, alors largement admise, d’une matière immuable.

Cependant, à l’époque, les rayons uraniques découverts par Becquerel restèrent relativement confidentiels. Ils firent bien moins sensation que les rayons X de Röntgen, dont les radiographies avaient été largement médiatisées. Ainsi, les travaux de Becquerel ne suscitèrent dans un premier temps qu’un intérêt limité.

Il fallut attendre les recherches de la physicienne et chimiste franco-polonaise Marie Curie, à partir de 1898, pour que l’étude de la radioactivité prenne véritablement son essor. Marie Curie s’attacha alors à répondre à deux questions essentielles : quelle est la nature de ces nouveaux rayons ? Et quelle est leur source au sein des atomes ?

Comment se faisait-il que ce rayonnement soit aussi intense et persistant ? Nous allons aborder ces questions successivement, en commençant par la caractérisation des différents types de rayonnements émis par les atomes radioactifs, les fameux rayons alpha, bêta et gamma, avant d’explorer les découvertes concernant la production de ces rayons au cœur des noyaux atomiques.

Les rayons alpha et béta (Marie Curie / Ernest Rutherford – 1898)

En 1898, Marie Curie, née Marie Sklodowska, décida de consacrer sa thèse de doctorat à l’étude des rayons uraniques découverts par Becquerel deux ans plus tôt. Plutôt que d’utiliser une plaque photographique comme Becquerel, elle employa un électromètre, un appareil capable de mesurer précisément l’intensité des radiations émises par l’uranium. En analysant différents métaux, sels et minéraux contenant de l’uranium, elle s’aperçut que ces rayons étaient présents quelle que soit la forme chimique de l’uranium. Elle en conclut que ces radiations n’étaient pas une propriété chimique, mais bien une propriété physique intrinsèque à l’atome d’uranium lui-même.

La même année, Ernest Rutherford poursuivit ces recherches en utilisant un dispositif similaire, avec une plaque d’uranium émettant des rayonnements mesurés par un électromètre. Pour étudier l’interaction de ces rayonnements avec la matière, il interposa entre la source et le détecteur une fine feuille d’or. Il observa une légère diminution de l’intensité mesurée. En ajoutant progressivement plusieurs feuilles d’or puis d’aluminium, il constata que l’intensité diminuait jusqu’à un seuil en dessous duquel elle ne pouvait plus descendre. Rutherford en déduisit l’existence de deux types de radiations émises par l’uranium, qu’il nomma alpha et bêta. La radiation alpha était arrêtée par les feuilles métalliques, tandis que la bêta la traversait plus facilement. Il supposa également qu’il pouvait exister d’autres radiations, plus pénétrantes ou moins intenses.

Parallèlement, Marie Curie poursuivit ses recherches en se concentrant sur un minerai appelé pechblende. Avec l’aide de son mari Pierre Curie, ils démontrèrent que d’autres éléments présents dans ce minerai émettaient des rayons encore plus puissants que ceux de l’uranium. Ils identifièrent d’abord une substance plus radioactive que l’uranium, qu’ils nommèrent polonium en hommage à la Pologne, pays natal de Marie Curie. Peu après, ils découvrirent une matière encore plus radioactive qu’ils baptisèrent radium, en raison de sa très forte activité radioactive. Tous les résultats de ses recherches à cette période sont rassemblés dans la thèse qu’elle publiera en 1904^[2].

Le radium captiva non seulement la communauté scientifique mais aussi le grand public, suscitant une fascination comparable à celle provoquée quelques années plus tôt par les rayons X de Röntgen. Certains journaux allaient même jusqu’à suggérer que ces rayonnements pouvaient guérir des maladies graves, y compris le cancer, sans se douter des dangers qu’ils pouvaient aussi représenter.

L’extraction du radium à partir de la pechblende était une tâche titanesque : il fallait plusieurs tonnes de minerai pour obtenir un échantillon significatif. Comme la pechblende ne se trouvait pas à Paris, où était installé le laboratoire des Curie, Pierre Curie découvrit une mine en République tchèque, à Joachimsthal, où ce minerai était considéré comme un simple déchet. Grâce au soutien financier du baron Edmond de Rothschild, quelques tonnes de pechblende purent être acheminées à Paris, permettant enfin aux Curie d’étudier cette matière fascinante.

C’est à la suite de ces découvertes que Pierre et Marie Curie introduisirent en avril 1898 le terme « radioactivité » pour désigner ce phénomène naturel. Le polonium fut découvert en juillet 1898, le radium en décembre de la même année, tandis que les travaux de Rutherford sur les rayonnements alpha et bêta furent publiés en septembre 1898. Ces recherches parallèles marquèrent véritablement le début de l’étude approfondie de la radioactivité, sous l’impulsion des Curie et de Rutherford, dont l’émulation scientifique fut déterminante.

En 1899, les physiciens allemands Elster, Geitel et Giesel étudièrent l’effet d’un champ magnétique sur les radiations émises par le radium. Ils confirmèrent qu’il existait bien deux types de rayonnements : l’un dévié par le champ magnétique, l’autre non. Ils remarquèrent que la radiation déviée se comportait comme un faisceau d’électrons, similaire aux rayons cathodiques récemment découverts. Le manque de déviation des rayons alpha s’expliqua plus tard par leur masse beaucoup plus importante (ils sont constitués d’ions hélium), et par la puissance insuffisante du champ magnétique utilisé.

Pierre et Marie Curie reproduisirent ces expériences en 1900 et confirmèrent que les rayons déviés par le champ magnétique étaient les rayons bêta, chargés négativement, constitués d’électrons. Ils émirent alors l’hypothèse que ce rayonnement était un faisceau d’électrons, tandis que les rayons alpha étaient composés de particules plus lourdes et non déviées.

Les rayons gamma (Paul Villard-1900)

En 1900^[3], une découverte majeure fut réalisée par le chimiste français Paul Villard, qui mit en évidence fortuitement un troisième type de radiation : les rayons gamma. Villard s’intéressait lui aussi aux rayons émis par le radium, et notamment à la déviation des rayons bêta sous l’effet des champs magnétiques.

À cette époque, seuls deux types de rayonnements étaient connus, classés selon leur comportement face à un champ magnétique : les rayons alpha, non déviés (à cause de la masse importante des particules et de la faible puissance du champ), et les rayons bêta, déviés. En étudiant la réfraction des rayonnements sur une plaque métallique, Villard constata que seule une partie du rayonnement était réfractée, tandis qu’une autre traversait la plaque en ligne droite, sans déviation ni réfraction. Il essaya alors de dévier ce second faisceau à l’aide d’un champ magnétique, sans succès. De plus, ce rayonnement non dévié réussissait à traverser une fine feuille de plomb, ce que les rayons alpha et bêta ne pouvaient pas faire.

Villard proposa ainsi l’existence d’un troisième type de rayons, beaucoup plus pénétrants que les deux premiers. Il écrivit dans ses travaux : « Le faisceau qui dans mes expériences traversait sans se réfracter la lame d’aluminium inclinée correspond aux rayons non déviables. L’expérience a en effet montré qu’il est insensible au champ magnétique. Les rayons déviables, au contraire, se comportent comme les rayons cathodiques et émergent normalement à la lame traversée. … Ces faits conduisent à admettre que la partie non déviable de l’émission du radium contient des radiations très pénétrantes, capables de traverser des lames métalliques, radiations que la méthode photographique permet de déceler. »

Initialement, Villard appela ces rayons « rayons X du radium », car ils ressemblaient aux rayons X découverts quelques années auparavant. Pourtant, ces travaux ne suscitèrent pas immédiatement un grand intérêt, la plupart des physiciens étant focalisés sur les rayons alpha et bêta.

Ce n’est qu’en 1903 qu’Ernest Rutherford proposa une synthèse cohérente de l’ensemble des rayonnements radioactifs alors connus. Les travaux menés depuis la découverte des rayons uraniques par Becquerel avaient progressivement révélé que les substances radioactives n’émettaient pas un rayonnement unique, mais plusieurs types de radiations aux propriétés très différentes. Les expériences de Rutherford, des Curie, d’Elster, Geitel et Villard avaient notamment montré que certains rayonnements étaient arrêtés par une simple feuille de papier, d’autres traversaient des plaques métalliques minces, tandis qu’un troisième type de rayonnement possédait un pouvoir de pénétration beaucoup plus important.

Rutherford proposa alors une classification fondée sur leurs propriétés physiques : pouvoir de pénétration, déviation par les champs électriques et magnétiques, et nature des particules transportées. Il distingua ainsi trois catégories de rayonnements, qu’il nomma rayons alpha, bêta et gamma.

Les rayons alpha, les moins pénétrants, sont arrêtés par quelques centimètres d’air ou une simple feuille de papier. Ils correspondent à des particules massives et chargées positivement, qui seront identifiées plus tard comme des noyaux d’hélium.

Les rayons bêta possèdent un pouvoir de pénétration plus important. Déviés fortement par les champs magnétiques, ils furent rapidement identifiés comme des électrons émis à grande vitesse par les atomes radioactifs.

Enfin, les rayons gamma, mis en évidence par Paul Villard, présentent un comportement très différent. Ils ne sont pas déviés par les champs électriques ou magnétiques et traversent des épaisseurs importantes de matière, notamment le plomb. Rutherford comprit qu’ils ne correspondaient pas à des particules chargées, mais à une forme de rayonnement électromagnétique extrêmement énergétique, analogue aux rayons X découverts par Röntgen quelques années auparavant.

Cette classification des rayonnements radioactifs constitua une étape fondamentale dans la naissance de la physique nucléaire. Elle permit non seulement de mieux comprendre la diversité des phénomènes radioactifs, mais aussi d’établir un lien entre la structure interne de l’atome et les différents types d’émissions observées expérimentalement.

Dans un premier temps, on assimilait les rayons gamma à des rayons X particulièrement pénétrants. Ce n’est qu’en 1912 que Max von Laue étudia la diffraction des rayons X par les cristaux, ouvrant la voie à une meilleure compréhension de ces rayonnements. Puis, en 1914, Rutherford réussit à mesurer la longueur d’onde des rayons gamma, constatant qu’elle était nettement différente de celle des rayons X mesurée par von Laue, confirmant ainsi que les rayons gamma constituaient un rayonnement électromagnétique bien distinct.

La suite des recherches sur les rayonnements radioactifs

Une fois les trois types de rayonnements identifiés (alpha, bêta et gamma), les travaux de Pierre et Marie Curie, de Rutherford et de Soddy se sont attachés à mieux comprendre la nature de ces rayonnements, en particulier celle du rayonnement alpha, encore très mal connue.

En effet, parmi les trois types de rayonnements identifiés dans les premières années de l’étude de la radioactivité, les rayons alpha ont suscité une attention particulière en raison de leur abondance, de leur faible pouvoir de pénétration et de leur faible déviation par les champs magnétiques. Très tôt, Rutherford émit l’hypothèse qu’ils étaient des particules chargées positivement, mais leur nature exacte restait à établir.

En 1903, Rutherford parvient à observer une très légère déviation des rayons alpha sous l’effet d’un champ magnétique particulièrement intense. Cette déviation est en sens inverse de celle observée pour les rayons bêta, ce qui indique une charge positive. Cette observation est capitale : elle permet de distinguer ces rayons d’un rayonnement purement électromagnétique (comme les rayons gamma) et d’envisager une particule matérielle massive et chargée positivement.

Entre 1903 et 1904, Soddy s’associe au chimiste écossais William Ramsay, célèbre pour avoir isolé plusieurs gaz nobles. Ensemble, ils étudient un échantillon de radium contenu dans un tube scellé et y détectent la présence d’un gaz d’hélium. Cette découverte est cruciale : elle suggère que le radium émet spontanément de l’hélium, sans apport extérieur. Bien que suggestive, cette observation ne constitue pas encore une preuve directe que les particules alpha sont des atomes d’hélium ionisés.

Il est d’ailleurs significatif que Marie Curie, dans son ouvrage Recherches sur les substances radioactives publié chez Gauthier-Villars (1904), ne mentionne nulle part l’identification des particules alpha à l’hélium. Elle s’en tient à la classification des rayons selon leurs propriétés physiques : « Il convient de distinguer trois espèces de rayons que je désignerai, suivant la notation adoptée par M. Rutherford, par les lettres α, β et γ.

1° Les rayons α sont des rayons très peu pénétrants qui semblent constituer la plus grosse partie de rayonnement. Ces rayons sont caractérisés par les lois suivant lesquelles ils sont absorbés par la matière. Le champ magnétique agit très faiblement sur ces rayons, et on les a considérés tout d’abord comme insensibles à l’action de ce champ. Cependant, dans un champ magnétique intense, les rayons α sont légèrement déviés ; la déviation se produit de la même manière que dans le cas des rayons cathodiques, mais le sens de la déviation est renversé ; il est le même que pour les rayons canaux des tubes de Crookes.

2° Les rayons β sont des rayons moins absorbables dans leur ensemble que les précédents. Ils sont déviés par un champ magnétique de la même manière et dans le même sens que les rayons cathodiques.

3° Les rayons γ sont des rayons pénétrants insensibles à l’action du champ magnétique et comparables aux rayons de Röntgen ».

En 1906, Rutherford et ses collaborateurs mesurent le rapport entre la masse et la charge électrique (m/e) des particules alpha. Ils trouvent une valeur environ la moitié de celle de l’ion hydrogène H⁺, ce qui correspond au rapport attendu pour un noyau d’hélium doublement chargé He²⁺. Cela renforçait fortement l’hypothèse selon laquelle les rayons alpha étaient des ions hélium. Cependant, une preuve encore plus directe était nécessaire.

L’une des raisons pour lesquelles les rayons alpha sont faiblement déviés par un champ magnétique, contrairement aux électrons (rayons bêta), tient à leur masse beaucoup plus élevée. Un ion hélium est environ 7300 fois plus massif qu’un électron, ce qui explique sa trajectoire très peu sensible aux champs électromagnétiques standards. Ce n’est qu’en utilisant des champs très intenses que Rutherford parvint à détecter une faible courbure.

La démonstration définitive est apportée entre 1907 et 1908, lorsque Rutherford et Thomas Royds réalisent une expérience décisive. Ils enferment une source de rayonnement alpha dans une fine capsule de verre, qu’ils plongent ensuite dans une enceinte vide. Les particules alpha émises par la source traversent la paroi de verre (très fine), mais sont arrêtées dans l’enceinte, où elles finissent par capter des électrons et former des atomes neutres d’hélium. Ils analysent alors le spectre lumineux du gaz recueilli dans l’enceinte. Résultat, le spectre observé présente les mêmes raies spectrales que celles de l’hélium, telles qu’observées dans le spectre solaire depuis 1868. Cette coïncidence confirme que les particules alpha sont bel et bien des noyaux d’hélium, plus précisément des ions He²⁺.

En l’espace de quelques années, grâce à une combinaison d’analyses spectrales, de mesures de masse/charge et de détection chimique, les physiciens établirent avec certitude que les rayons alpha sont constitués de noyaux d’hélium (He²⁺). Cette identification constitua une avancée majeure : elle démontrait que les rayonnements radioactifs ne provenaient pas des couches électroniques de l’atome, mais bien d’une transformation de son noyau atomique, inaugurant ainsi l’ère de la physique nucléaire.

Les découvertes des propriétés des atomes radioactifs

Après avoir identifié les types de rayonnements émis par les substances radioactives, les scientifiques du début du 20^ème siècle s’interrogèrent sur l’origine de ces rayonnements et surtout sur la quantité d’énergie qu’ils libéraient. Très vite, ils découvrirent que la radioactivité révélait une transformation beaucoup plus profonde que tout ce qu’on connaissait jusqu’alors en chimie : l’atome lui-même changeait de nature en émettant une énergie colossale. Ces transformations n’étaient pas seulement puissantes, elles étaient aussi prévisibles et mesurables dans le temps. Ce chapitre explore comment la découverte de cette énergie « invisible » et des lois qui la gouvernent bouleversa notre conception de la matière et ouvrit la voie à la physique nucléaire moderne.

L’énergie libérée par la radioactivité : une énergie considérable

Avant cette période, les atomes étaient considérés comme immuables, indestructibles. Mais la radioactivité montra que certains atomes se transformaient spontanément, émettant des radiations et libérant de l’énergie. En 1903, Pierre Curie et André Laborde mesurèrent la chaleur dégagée par un gramme de radium, estimée à environ 100 calories par heure, un dégagement d’énergie continu et bien supérieur à celui d’une réaction chimique classique. Ils conclurent que cette énergie devait provenir d’une transformation profonde à l’intérieur même de l’atome de radium : « Le dégagement continu d’une telle quantité de chaleur ne peut s’expliquer par une transformation chimique ordinaire. … Cette transformation doit être de nature plus profonde et doit être due à une modification de l’atome de radium lui-même. … Si donc l’hypothèse précédente était exacte, l’énergie mise en jeu dans la transformation des atomes serait extraordinairement grande ».

Dans le même temps, Rutherford et Soddy, au Canada, confirmèrent ces résultats, évaluant une énergie rayonnée comparable. Ils en déduisirent que l’énergie dégagée par ces transformations atomiques dépassait de plusieurs milliers de fois celle des réactions chimiques : « L’énergie d’une transformation radioactive doit donc être au moins vingt mille fois et peut-être un million de fois plus grande que l’énergie de n’importe quel changement moléculaire ».

Ces résultats renforcèrent l’idée que les atomes ne sont pas indivisibles, mais constitués de composants plus fondamentaux. Convaincu que l’énergie libérée provenait du cœur de l’atome, Rutherford entreprit de le « casser » en le bombardant avec des particules alpha. Ces expériences allaient aboutir à deux découvertes majeures : le noyau atomique (1911) puis le proton (1919).

La découverte de la loi de décroissance radioactive

Entre 1901 et 1903, Rutherford et Soddy étudièrent la désintégration du thorium. Ils observèrent l’émission d’un gaz radioactif, le radon, sans aucune réaction chimique, ce qui suggérait une transformation atomique. En analysant les radiations émises par le radon, ils remarquèrent un phénomène inattendu : l’intensité des radiations diminuait rapidement, jusqu’à disparaître au bout de quelques minutes.

En répétant l’expérience avec différentes quantités de radon, ils constatèrent que, quelle que soit la quantité initiale, l’intensité des rayonnements était réduite de moitié au bout d’un temps constant : environ 56 secondes. Ce temps, propre à chaque élément radioactif, fut appelé « période de demi-vie« . Ainsi naquit la loi de décroissance radioactive : Pour chaque élément instable, la moitié des noyaux se désintègrent après un temps caractéristique (la demi-vie).

Dans le cas du thorium 232, cette transformation s’effectue en dix étapes successives, aboutissant au plomb 208, un isotope stable. Le radon 220, gaz intermédiaire de cette chaîne, se désintègre lui-même en polonium 216 par émission alpha. Cette chaîne radioactive illustre que la radioactivité est un processus en cascade, où un élément instable engendre un autre, jusqu’à l’atteinte d’un état stable.

Rutherford et Soddy proposèrent que toutes les substances radioactives subissent une série de transmutations, terme employé par Soddy, non sans réticence de Rutherford, qui voulait éviter l’association avec l’alchimie. Rutherford et Soddy publièrent un article de synthèse sur la radioactivité en 1903^[4], dans lequel ils expliquaient que la radioactivité correspond à la transformation d’un élément chimique en un autre élément chimique. Cette idée était totalement révolutionnaire puisque jusque-là l’immuabilité des éléments chimiques était un postulat absolu en chimie.

Une horloge naturelle : vers la datation des roches de la Terre

La découverte de la décroissance radioactive entraîna une conséquence inattendue : elle permit d’imaginer une méthode de datation géologique. En analysant les roches contenant de l’uranium ou du thorium, Rutherford proposa d’estimer l’âge d’une roche à partir de la proportion des éléments présents dans la chaîne de désintégration. Il suggéra d’abord un âge de 140 millions d’années, puis affina ses mesures pour proposer un âge d’au moins 500 millions d’années pour la Terre, bien supérieur aux estimations fondées jusque-là sur des arguments thermiques (notamment ceux de Lord Kelvin).

Cette voie mènera, un demi-siècle plus tard, à la proposition du géochimiste Clair Patterson en 1953 : en étudiant des météorites et les isotopes de plomb, il détermina l’âge de la Terre à 4,55 milliards d’années, valeur aujourd’hui universellement reconnue.

Deux découvertes techniques et théoriques importantes vinrent compléter ce tableau.

• En 1913, Hans Geiger, collaborateur de Rutherford, imagina le principe d’un détecteur capable de mesurer la radioactivité à partir d’un gaz ionisé. En 1928, avec Walther Müller, il mit au point un détecteur désormais célèbre : le compteur Geiger-Müller. Ce dispositif contient un gaz rare non conducteur ; lorsqu’un rayonnement traverse l’appareil, il ionise le gaz, générant une impulsion électrique détectable. Ce fut une révolution pour la mesure des rayonnements alpha, bêta et gamma.
• En 1932, la radioactivité bêta plus fut observée pour la première fois. Alors que la désintégration bêta moins, déjà connue, impliquait la transformation d’un neutron en proton avec émission d’un électron, on découvrit qu’un proton pouvait se transformer en neutron avec émission d’un positron (particule identique à l’électron mais de charge positive). Cette découverte fut faite par Irène Curie et Frédéric Joliot, en bombardant de l’aluminium avec des particules alpha : ils détectèrent des particules de charge positive mais de trajectoire identique à celle des électrons. Ce fut la première preuve expérimentale de l’existence du positron.

La désintégration bêta fut alors divisée en deux catégories :

• Bêta moins : émission d’un électron (β⁻)
• Bêta plus : émission d’un positron (β⁺)

Ces découvertes ouvrirent la voie à la maîtrise de la radioactivité, tant naturelle qu’artificielle. Elles permirent des avancées considérables, de la production d’énergie nucléaire à l’imagerie médicale, mais elles portaient aussi en germe des dangers majeurs. À cette époque pionnière, les effets nocifs des radiations étaient largement ignorés. Marie Curie mourut d’une leucémie liée à son exposition prolongée. De nombreux autres chercheurs, comme Henri Becquerel ou Clarence Dally, furent gravement irradiés.

Les travaux menés par Curie, Rutherford, Soddy et leurs contemporains ont radicalement transformé la vision que l’on avait de l’atome. Loin d’être indivisible et immuable, l’atome se révélait instable dans certaines conditions, capable de se désintégrer en libérant une énergie considérable. La mise en évidence de la loi de décroissance radioactive et de la transformation d’un élément chimique en un autre marqua une rupture historique dans la chimie et la physique. Ces découvertes ont non seulement ouvert la voie à la datation des matériaux terrestres, mais elles ont aussi jeté les bases de la physique nucléaire. Elles annoncent les grands bouleversements à venir : la compréhension du noyau atomique, la maîtrise de la radioactivité artificielle, l’exploitation de l’énergie nucléaire.

La radioactivité artificielle

La découverte de la radioactivité artificielle marque un tournant majeur dans l’histoire scientifique : elle reprend les mécanismes fondamentaux de la radioactivité naturelle (désintégration, émission de particules, énergie nucléaire) mais les reproduit dans des conditions contrôlées, souvent créées par l’homme. Jusqu’à présent, les noyaux instables étaient l’apanage des éléments lourds formés dans les étoiles et présents naturellement sur Terre. Désormais, en utilisant des particules telles que les neutrons ou les particules alpha, les scientifiques parviennent à fabriquer des isotopes inconnus dans la nature, ouvrant la voie à des applications novatrices en médecine, recherche, industrie et… armes nucléaires.

La radioactivité artificielle s’oppose à la radioactivité naturelle uniquement par le fait que les éléments radioactifs sont produits par l’homme. Du point de vue de la physique il n’y a aucune différence entre la radioactivité dite artificielle et la radioactivité naturelle. La principale différence réside dans les niveaux d’énergie qui peuvent être atteint en radioactivité artificielle. Ils sont plus faibles que ceux obtenus en radioactivité naturelle obtenue dans des conditions extrêmes, comme dans le cœur des étoiles au travers des réactions de fusion. En revanche, ils sont en général plus importants que la radioactivité naturelle sur Terre. Les éléments radioactifs ainsi obtenus sont ainsi en général moins stables et ont des périodes de demi-vie beaucoup plus courtes.

Le chapitre s’articule autour de cinq sections qui retracent les découvertes et applications majeures de la radioactivité artificielle :

1. Premières expériences et rôle du neutron : comment les premières manipulations de noyaux atomiques ont été réalisées et pourquoi le neutron est devenu un outil essentiel pour provoquer des réactions nucléaires.
2. Les travaux des Joliot-Curie : la création du premier isotope artificiel et la démonstration des désintégrations bêta plus.
3. Fermi et les éléments transuraniens : l’utilisation des neutrons pour générer de nouveaux éléments au-delà de l’uranium et la découverte des isotopes artificiels lourds.
4. Découverte de la fission nucléaire : comment la fission de l’uranium a été mise en évidence, expliquée et modélisée, ouvrant la voie à la production d’énergie et aux applications militaires.
5. Contrôle de la fission : les méthodes pour maîtriser les réactions en chaîne.

Premières expériences et rôle du neutron

La première réaction de radioactivité artificielle a été réalisée par Rutherford en 1919. En bombardant un gaz d’azote avec des particules alpha émises par le radium, Rutherford observa la formation de noyaux d’oxygène et l’émission de particules qu’il identifia comme des protons. Cette expérience permit non seulement de démontrer l’existence du proton, constituant élémentaire du noyau atomique, mais ouvrit également la voie à la transmutation artificielle des éléments, jusqu’alors considérée comme impossible.

Peu après, d’autres expériences similaires furent menées avec différents gaz et cibles, comme l’oxygène, le fluor ou le néon, afin d’étudier la transmutation nucléaire induite par les particules alpha. Les chercheurs observèrent que, dans certains cas, des noyaux plus légers se transformaient en noyaux plus lourds ou émettaient des protons, illustrant que la matière pouvait être artificiellement modifiée au niveau nucléaire. Cependant, ces réactions restaient très rares : seules quelques collisions sur des milliers ou des millions produisaient effectivement une transformation nucléaire. Cette rareté s’expliquait par la répulsion électrostatique intense entre les particules alpha, chargées positivement, et le noyau également positif, qui constituait une barrière difficile à franchir pour atteindre le centre du noyau et déclencher une réaction.

Ce n’est véritablement qu’après la découverte du neutron par Chadwick en 1932 et celle de la radioactivité artificielle par Frédéric et Irène Joliot-Curie en 1934 que l’étude de la radioactivité artificielle prendra son essor.

La raison de l’importance de la découverte du neutron pour la radioactivité artificielle est assez simple à comprendre quand on se plonge à l’échelle atomique. Lorsqu’on envoie des particules chargées, comme des particules alpha ou des protons sur des atomes, leur probabilité qu’elles interagissent avec le noyau atomique est extrêmement faible en raison des interactions électromagnétiques avec le nuage d’électron se situant en périphérie du noyau atomique. Prenons l’exemple de l’uranium qui possède 92 électrons dans ses différentes couches électroniques. Si on envoie un proton qui est chargé positivement, il n’a aucune chance d’interagir avec le noyau atomique, et ne peut en conséquence engendrer aucune réaction nucléaire (modification du noyau atomique).

A contrario, un neutron qui ne possède pas de charge électrique, n’interagit que très peu avec les électrons, et dans tous les cas pas via l’interaction électromagnétique. Par ailleurs, le neutron peut également franchir plus facilement la barrière coulombienne du noyau atomique, ce qui est essentiel pour provoquer des réactions nucléaires efficaces. Le neutron est donc susceptible d’interagir avec le noyau atomique et d’engendrer des réactions nucléaires.

Ces premières expériences montrent que la transmutation nucléaire, bien que théoriquement possible, est extrêmement difficile avec des particules chargées en raison de la répulsion électrostatique. La découverte du neutron, particule neutre et pénétrante, a radicalement changé la donne : elle a offert un outil efficace pour atteindre les noyaux et provoquer des réactions nucléaires contrôlées. C’est cette avancée qui a permis aux chercheurs des années 1930 de passer de simples observations expérimentales à la création systématique d’isotopes artificiels, ouvrant la voie à l’essor de la radioactivité artificielle.

Les travaux des Joliot-Curie

En 1934, Frédéric et Irène Joliot-Curie annoncèrent une découverte majeure : la création d’un atome radioactif artificiel qui n’existait pas dans la nature. Leur travail s’inscrivait dans la continuité des recherches sur la radioactivité naturelle et artificielle, mais il marquait un tournant décisif, car il démontrait qu’il était possible de produire des noyaux instables en laboratoire, de manière contrôlée.

Pour réaliser cette expérience, les Joliot-Curie bombardèrent des feuilles d’aluminium-27 avec des particules alpha (⁴He) émises par une source radioactive. L’impact de ces particules sur le noyau d’aluminium provoqua la formation d’un isotope instable, le phosphore-30, accompagné de l’émission d’un neutron. La réaction nucléaire s’écrit :

\[\ _{13}^{27}\text{Al}{\ + \ }_{2}^{4}\text{He}{\ \ \rightarrow \ \ \ }_{15}^{30}\text{P }{+ \ }_{0}^{1}\text{n}\]

Le phosphore-30 ainsi créé est radioactif et possède une période de demi-vie très courte, d’environ trois minutes. Il se désintègre rapidement en silicium-30 par désintégration bêta plus, un processus au cours duquel un proton du noyau se transforme en neutron, avec l’émission d’un positron (e⁺) et d’un neutrino électronique (ν_e) :

\[\ _{15}^{30}\text{P}{\ \ \rightarrow \ \ \ }_{14}^{30}\text{Si} + e^{+} + \nu_{e}\]

L’expérience était particulièrement audacieuse pour l’époque, car elle nécessitait de détecter un flux de positrons extrêmement faible et de suivre sa décroissance exponentielle au cours du temps. La détection des positrons permettait non seulement de confirmer la désintégration du phosphore-30, mais aussi de mesurer sa demi-vie avec précision. Il faut rappeler que la preuve de l’existence du positron avait été apportée seulement deux ans plus tôt, en 1932, par Carl Anderson, ce qui rendait l’observation encore plus novatrice et délicate.

Cette découverte démontra de manière irréfutable que les noyaux atomiques pouvaient être transformés artificiellement pour produire des isotopes radioactifs, ouvrant ainsi la voie à toute la radiochimie moderne et à l’essor de la radioactivité artificielle. Elle montra également l’importance des particules alpha comme agents de transmutation et la possibilité de créer des isotopes aux propriétés physiques très différentes de celles présentes dans la nature.

La portée scientifique de ces travaux fut immédiatement reconnue : Frédéric et Irène Joliot-Curie reçurent en 1935 le prix Nobel de chimie, seulement un an après leur découverte. Cette attribution rapide et exceptionnelle du prix Nobel souligne l’importance majeure de la création d’isotopes artificiels et le rôle pionnier des Joliot-Curie dans le domaine de la physique nucléaire expérimentale. Leur travail posa les fondations de nombreuses applications ultérieures, depuis la radiothérapie médicale jusqu’à la production de traceurs radioactifs pour la recherche et l’industrie.

Fermi et les éléments transuraniens

Sur la base des travaux de Frédéric et Irène Joliot-Curie, Enrico Fermi, à Rome, eut l’idée d’utiliser des neutrons, en raison de leur neutralité électrique, pour bombarder des noyaux lourds, comme celui de l’uranium. En 1934, il expose de l’uranium à un flux de neutrons et observe la formation de nouveaux éléments qu’il interprète comme des éléments « transuraniens », c’est-à-dire plus lourds que l’uranium (Z > 92). Il suppose qu’un neutron a été capté par le noyau d’uranium, formant un isotope plus massif qui se transforme ensuite en un élément de numéro atomique 93 par désintégration bêta. Ces résultats lui valent le prix Nobel de physique en 1938.

Lors de son discours à l’occasion de la remise de son prix Nobel en décembre 1938, Fermi mentionnera l’intérêt des neutrons pour les réactions nucléaires : « En comparaison des particules alpha, les neutrons ont le désavantage évident que les sources qui les produisent n’émettent comparativement que peu de neutrons. En effet, les neutrons sont émis en tant que produits de réactions nucléaires dont la probabilité est rarement supérieure à 10^-4. Ce désavantage est cependant compensé par le fait que les neutrons, n’ayant pas de charge électrique, peuvent atteindre le noyau des atomes, sans avoir à passer au-delà de la barrière de potentiel due au champ coulombien qui entoure le noyau atomique. Par ailleurs, comme les neutrons n’interagissent pratiquement pas avec les électrons, leur propagation est très importante, et la probabilité d’une collision nucléaire est beaucoup plus importante que dans le cas d’une particule alpha ou d’un proton. En pratique, les neutrons étaient déjà connus pour être des agents efficaces pour produire des désintégrations nucléaires ».

Cette découverte fut révolutionnaire car elle démontra que les neutrons pouvaient être utilisés comme outils universels pour provoquer des réactions nucléaires dans des noyaux lourds. L’approche de Fermi ouvrait la voie à la production d’éléments jusqu’alors inconnus, appelés transuraniens, et montrait que l’homme pouvait influencer directement la composition des noyaux atomiques.

Au-delà de l’aspect purement fondamental, cette technique établit les bases de la physique nucléaire moderne, permettant le développement ultérieur des réacteurs nucléaires, de la radiochimie des isotopes artificiels et, plus tard, de la fission contrôlée ou explosive. Elle illustrait également la puissance conceptuelle des neutrons : leur neutralité électrique permettait de contourner la barrière électrostatique du noyau, rendant possible la création d’une infinité de noyaux instables ou radioactifs sur demande.

Découverte de la fission nucléaire

Mais des analyses ultérieures menées en Allemagne par Otto Hahn et Fritz Strassmann vont bouleverser l’interprétation initiale de Fermi. En bombardant de l’uranium avec des neutrons, ils détectent dans les produits de réaction la présence d’éléments beaucoup plus légers, comme le baryum. Cette découverte, publiée fin 1938, défiait toutes les connaissances de l’époque : selon les lois connues de la radioactivité, un noyau aussi lourd que celui de l’uranium (92 protons) ne devait donner naissance qu’à des noyaux voisins, par désintégration alpha ou bêta, et certainement pas à un élément aussi léger que le baryum, qui n’en compte que 56.

Ne comprenant pas la signification physique de leurs résultats, Hahn et Strassmann envisagent d’abord qu’il puisse s’agir d’erreurs ou de contaminations expérimentales. Mais les analyses chimiques s’avèrent rigoureuses : le baryum est bel et bien présent. Ils tentent alors de réinterpréter leurs résultats, sans parvenir à exclure cette possibilité déroutante.

C’est Lise Meitner, physicienne autrichienne d’origine juive, ancienne collaboratrice de Hahn et réfugiée en Suède après avoir fui l’Allemagne nazie, qui apportera la clé de compréhension. En janvier 1939, avec son neveu Otto Frisch, elle propose une explication radicalement nouvelle : ce que Hahn et Strassmann ont observé n’est pas une simple transmutation, mais une véritable fission nucléaire. Le noyau d’uranium, après avoir capturé un neutron, devient instable et se scinde en deux noyaux plus petits, ici du baryum et du krypton, tout en libérant plusieurs neutrons supplémentaires et une immense quantité d’énergie.

Pour expliquer la fission nucléaire, Lise Meitner et Otto Frisch se sont appuyés sur une image simple : celle d’une goutte de liquide. Ce modèle, proposé quelques années plus tôt par le physicien danois Niels Bohr, permet de mieux comprendre le comportement du noyau atomique. Dans ce modèle, le noyau d’un atome (formé de protons et de neutrons) est comparé à une petite goutte de liquide. Les forces de cohésion entre les nucléons (protons et neutrons) jouent un rôle similaire aux forces de surface qui maintiennent la cohésion de la goutte d’eau. Le noyau est globalement stable, mais il peut se déformer s’il est excité, par exemple en absorbant un neutron.

Si cette excitation est suffisamment forte, la « goutte » se met à osciller, puis à s’allonger, comme une goutte d’eau secouée. Et dans certaines conditions, elle peut se scinder en deux, tout comme une goutte liquide qui se divise en deux plus petites sous l’effet d’une perturbation.

C’est exactement ce qui se produit lors de la fission nucléaire. Le noyau d’uranium-235 capture un neutron et devient instable. Il se déforme puis se brise en deux noyaux plus légers, libérant une grande quantité d’énergie et plusieurs neutrons, capables à leur tour de provoquer d’autres fissions.

Ce modèle n’explique pas tous les détails du comportement nucléaire, mais il a été fondamental pour visualiser et comprendre pourquoi et comment un noyau lourd peut se diviser, donnant ainsi naissance au concept de réaction en chaîne.

Ils calculent également que l’énergie libérée lors de cette fission est de l’ordre de 200 MeV, soit environ cent millions de fois plus que celle d’une réaction chimique typique. La réaction peut s’écrire de manière simplifiée ainsi :

\[_{92}^{235}{\ U} +_{0}^{1}{\ n} \rightarrow_{36}^{92}{\ Kr} +_{56}^{141}{\ Ba} + 3\ _{0}^{1}{\ n}\]

Cette découverte, à la fois scientifique et stratégique, marque un tournant. Non seulement elle explique enfin les résultats expérimentaux de Hahn et Strassmann, mais elle ouvre aussi la voie à un nouveau type de réaction en chaîne, capable de produire de l’énergie de manière continue (dans les réacteurs) ou explosive (dans les bombes).

Bien qu’ayant demandé à Niels Bohr de garder le secret, Meitner et Frisch lui transmettent leurs résultats. Mais Bohr, alors en route pour une conférence aux États-Unis en janvier 1939, partage rapidement l’information avec plusieurs physiciens, dont Leo Szilard, Enrico Fermi et John Wheeler, qui en saisissent immédiatement les implications. La nouvelle se répand dans la communauté scientifique en exil, et provoque une intense effervescence.

Dès janvier 1939, Otto Hahn publie seul les résultats expérimentaux de ses travaux avec Strassmann dans la revue Naturwissenschaften, sans mentionner Meitner. De leur côté, Meitner et Frisch publient leur interprétation théorique dans Nature en mars 1939. La même année, près d’une centaine d’articles scientifiques seront publiés sur le sujet de la fission nucléaire, tant les perspectives énergétiques et militaires sont vertigineuses.

Malgré son rôle décisif dans l’interprétation du phénomène de fission nucléaire, Lise Meitner ne recevra jamais le Prix Nobel. En 1944, c’est Otto Hahn seul qui se voit décerner le Prix Nobel de chimie pour la découverte de la fission de l’uranium, sans que Meitner ne soit même mentionnée, ni en tant que collaboratrice historique, ni en tant que découvreuse de la signification physique de la réaction. Cette décision du comité Nobel a suscité, et suscite encore aujourd’hui, de nombreuses critiques dans la communauté scientifique.

Plusieurs historiens des sciences estiment que cette omission est due autant à des considérations politiques (le contexte de guerre, le rôle de l’Allemagne nazie, et l’exil forcé de Meitner en Suède) qu’à des préjugés sexistes profondément enracinés à l’époque. Pourtant, Meitner fut célébrée par de nombreux collègues comme « la Marie Curie allemande » et Albert Einstein la décrivit comme la « Marie Curie de la fission ».

Ce n’est que tardivement que son rôle a été pleinement reconnu. Elle a reçu plusieurs distinctions honorifiques dans les années 1950-1960, et en 1997, l’élément chimique n°109 a été nommé meitnérium (Mt) en son honneur, scellant ainsi symboliquement sa place dans l’histoire de la physique nucléaire.

Cette découverte de la fission nucléaire représente un tournant à la fois scientifique et technologique. Elle montre qu’un noyau lourd peut se scinder en plusieurs fragments plus légers, libérant une énergie colossale et de nouveaux neutrons capables d’entretenir une réaction en chaîne. Cette compréhension ouvre la voie à deux applications majeures : la production contrôlée d’énergie dans les réacteurs nucléaires et l’utilisation militaire dans les armes atomiques. La maîtrise de la fission nécessite cependant de réguler finement le processus pour éviter toute réaction incontrôlée. La section suivante détaillera donc comment la fission peut être contrôlée dans des réacteurs, les principes de criticité, l’utilisation des modérateurs et des absorbeurs de neutrons, ainsi que les implications de cette maîtrise pour la production d’énergie civile et militaire.

Le contrôle de la Fission

En France, Frédéric Joliot-Curie fut très actif sur le sujet de la fission nucléaire et montra qu’une réaction en chaîne divergente était possible avec de l’uranium, à condition de disposer d’une masse minimale critique de matière fissile. Il formula cette idée dans le cadre de ses recherches sur les réacteurs expérimentaux, où il analysait comment les neutrons produits par chaque fission pouvaient provoquer de nouvelles fissions. La masse critique correspond au volume et à la densité minimale nécessaires pour que, statistiquement, chaque fission entraîne au moins une fission suivante, assurant ainsi la continuité du processus et la possibilité de maintenir une réaction auto-entretenue.

Cependant, disposer simplement de la masse critique ne suffit pas pour contrôler efficacement la réaction. Pour que celle-ci reste stable et sûre, il est nécessaire de gérer la propagation des neutrons dans le matériau fissile. C’est ici qu’interviennent les absorbeurs de neutrons, capables de capturer les neutrons excédentaires, et les modérateurs, qui ralentissent les neutrons rapides pour augmenter la probabilité de fission. L’étude et l’utilisation de ces matériaux constituent l’étape suivante pour comprendre le contrôle de la fission nucléaire dans les réacteurs expérimentaux et civils.

Ainsi, dans le cadre des applications civiles visant à produire de l’énergie, la réaction de fission doit être rigoureusement contrôlée. Pour éviter que le processus ne devienne explosif, il faut que la réaction ne soit ni divergente (accélération incontrôlée), ni sous-critique (extinction de la réaction). On parle alors de réaction critique et stable, où en moyenne un seul neutron libéré par fission engendre une nouvelle fission.

Une fission d’uranium-235 libère en moyenne 2 à 3 neutrons. Il est donc indispensable de neutraliser les neutrons excédentaires pour réguler la réaction. C’est le rôle des absorbeurs de neutrons, comme le bore ou le cadmium, qui capturent les neutrons en excès sans provoquer de nouvelle fission. L’usage de ces matériaux fut progressivement développé dans les premières expériences sur les réacteurs expérimentaux. Par exemple, dans le réacteur Chicago Pile-1 construit par Enrico Fermi en 1942, des barres de cadmium étaient insérées et retirées pour contrôler le flux neutronique et éviter que la réaction ne devienne explosive. Dans un réacteur moderne, ces absorbeurs sont insérés sous forme de barres de contrôle, que l’on peut ajuster pour moduler finement le taux de réaction.

Parallèlement, la vitesse des neutrons joue un rôle crucial. Les neutrons issus de la fission sont rapides, mais les noyaux fissiles comme l’uranium-235 ont une probabilité de fission beaucoup plus élevée lorsqu’ils sont frappés par des neutrons lents. Pour maximiser cette probabilité, les neutrons doivent être ralentis, ce qui a conduit à l’introduction des modérateurs. Ces matériaux légers, tels que l’eau, l’eau lourde ou le graphite, ralentissent les neutrons par collisions successives sans les absorber. Les premières études expérimentales sur les modérateurs permirent de déterminer quels matériaux et quelles configurations offraient le meilleur compromis : par exemple, Fermi et ses collaborateurs testèrent l’eau lourde et le graphite dans différentes proportions pour optimiser le ralentissement des neutrons tout en évitant leur absorption excessive.

Le bon fonctionnement d’un réacteur civil repose donc sur un équilibre subtil entre modération (ralentir les neutrons pour augmenter l’efficacité des fissions), absorption (éliminer les neutrons excédentaires pour éviter une réaction divergente), et maintien de la masse critique (assurer que la réaction se poursuit de manière stable).

Ces connaissances sur les modérateurs et absorbeurs devinrent rapidement essentielles à la conception de réacteurs nucléaires civils et à l’évaluation des risques associés aux réactions en chaîne. Elles marquent la transition entre les expériences fondamentales sur la fission et son exploitation pratique.

En septembre 1939, comme vous le savez, les pays européens entrent en guerre. La suite des découvertes relatives à la radioactivité artificielle se fera essentiellement dans le cadre de la recherche à des fins militaires. On abordera, à l’occasion de la partie de cet ouvrage consacrée à la découverte des particules élémentaires, le cas spécifique du projet Manhattan qui a conduit au développement de la bombe atomique aux Etats-Unis pendant la seconde guerre mondiale. La raison pour laquelle on abordera ce sujet dans ce chapitre relatif aux particules élémentaires est que le projet Manhattan s’est pour ainsi dire prolongé après-guerre avec des investissements majeurs dans le domaine de la physique nucléaire ce qui a débouché in fine sur le développement d’accélérateurs de particules de plus en plus imposants financés par les Etats.

La radioactivité artificielle représente une révolution technique et conceptuelle : elle transforme la matière selon des mécanismes contrôlés, permet la création d’isotopes inédits, et donne naissance à des innovations majeures : imagerie médicale, traitements par radiothérapie, datation, production d’énergie civile (réacteurs) et militaire (armes nucléaires). En quelques décennies, la science a franchi le pas de l’observation passive à la manipulation active du noyau atomique.

Ce chapitre clôt la compréhension des noyaux instables et leur transformation : place désormais au modèle atomique, à la structure du noyau et à ses mécanismes, tels que découverts par Rutherford, Bohr, Chadwick, et bien d’autres.

Conclusion

L’histoire de la radioactivité a profondément transformé la physique moderne. En montrant que certains atomes pouvaient émettre spontanément des rayonnements et se transformer en d’autres éléments, elle a mis fin à l’image classique d’une matière immuable. Avec Becquerel, les Curie, Rutherford et Soddy, l’atome est devenu un objet dynamique, capable de se désintégrer, de libérer de l’énergie et de modifier sa propre nature.

L’identification des rayonnements alpha, bêta et gamma a constitué une première étape décisive. Elle a permis de comprendre que les phénomènes radioactifs ne relevaient pas de simples propriétés chimiques ou optiques, mais de processus beaucoup plus profonds, situés au cœur même de l’atome. La mise en évidence de la loi de décroissance radioactive, puis des chaînes de désintégration, a introduit une dimension nouvelle : le temps devenait lui aussi une grandeur essentielle pour décrire la transformation de la matière.

La radioactivité artificielle a prolongé cette révolution en changeant de registre. Il ne s’agissait plus seulement de constater l’existence de noyaux instables dans la nature, mais de produire en laboratoire de nouveaux isotopes, de provoquer des transmutations, puis de maîtriser la fission nucléaire. Avec les travaux des Joliot-Curie, de Fermi, de Hahn, de Meitner, de Frisch et de tant d’autres, la physique nucléaire est entrée dans une phase active, où la matière pouvait être manipulée à l’échelle du noyau.

Cette évolution a entraîné des conséquences immenses. Elle a ouvert la voie à la datation radioactive, à la physique du noyau atomique, aux réacteurs nucléaires, à la médecine nucléaire, mais aussi aux armes atomiques. Peu de découvertes scientifiques ont eu un impact aussi profond, à la fois sur notre compréhension théorique de la matière et sur l’histoire technologique et politique du 20^ème siècle.

Ainsi, la radioactivité apparaît comme bien plus qu’un phénomène particulier : elle est le point de départ d’une nouvelle physique. En révélant que le noyau atomique pouvait se transformer et libérer une énergie colossale, elle a préparé les grandes découvertes ultérieures sur la structure de l’atome, sur les particules qui composent le noyau, et plus largement sur les constituants fondamentaux de la matière.

1. Henri Becquerel, « Sur les radiations émises par phosphorescence », Compte-rendu de l’académie des sciences, séance du 24 février 1896 ; « Sur les radiations invisibles émises par les corps phosphorescents », séance du 1^er mars, 122, 1896 ↑
2. Marie Curie, « Recherches sur les substances radioactives », thèse de 1903 ↑
3. Paul Villard, « Sur le rayonnement du radium », Comptes-rendus de l’académie des sciences, volume 130, pages 1010-1012, 1900 ↑
4. Ernest Rutherford and Frederick Soddy, “The cause and nature of radioactivity”, Philosophical Magazine, 4, 1903 ↑