Avant le triple art, c'est-à-dire la découverte de la radioactivité artificielle
Teneur
De temps en temps dans l'histoire de la physique, il y a des années "merveilleuses" où les efforts conjoints de nombreux chercheurs conduisent à une série de découvertes révolutionnaires. Il en fut de même avec 1820, l'année de l'électricité, 1905, l'année miraculeuse des quatre articles d'Einstein, 1913, l'année associée à l'étude de la structure de l'atome, et enfin 1932, quand une série de découvertes techniques et d'avancées dans le création de la physique nucléaire.
jeunes mariés
Irene, la fille aînée de Marie Skłodowska-Curie et de Pierre Curie, est née à Paris en 1897 (1). Jusqu'à l'âge de douze ans, elle a été élevée à la maison, dans une petite "école" créée par d'éminents scientifiques pour ses enfants, dans laquelle il y avait une dizaine d'élèves. Les professeurs étaient : Marie Sklodowska-Curie (physique), Paul Langevin (mathématiques), Jean Perrin (chimie), et les sciences humaines étaient principalement enseignées par les mères des élèves. Les cours se déroulaient généralement au domicile des enseignants, tandis que les enfants étudiaient la physique et la chimie dans de véritables laboratoires.
Ainsi, l'enseignement de la physique et de la chimie était l'acquisition de connaissances par des actions pratiques. Chaque expérience réussie ravissait les jeunes chercheurs. Il s'agissait de véritables expériences qu'il fallait comprendre et mener à bien, et les enfants du laboratoire de Marie Curie devaient être dans un ordre exemplaire. Il fallait aussi acquérir des connaissances théoriques. La méthode, comme le sort des élèves de cette école, plus tard de bons et éminents scientifiques, s'est avérée efficace.
2. Frédéric Joliot (photo Harcourt)
De plus, le grand-père paternel d'Irena, médecin, a consacré beaucoup de temps à la petite-fille orpheline de son père, s'amusant et complétant son éducation en sciences naturelles. En 1914, Irène est diplômée du pionnier Collège Sévigné et entre à la faculté de mathématiques et de sciences de la Sorbonne. Cela a coïncidé avec le début de la Première Guerre mondiale. En 1916, elle rejoint sa mère et ensemble elles organisent un service de radiologie pour la Croix-Rouge française. Après la guerre, elle a obtenu un baccalauréat. En 1921, son premier ouvrage scientifique est publié. Il s'est consacré à la détermination de la masse atomique du chlore à partir de divers minéraux. Dans ses activités ultérieures, elle a travaillé en étroite collaboration avec sa mère, traitant de la radioactivité. Dans sa thèse de doctorat, soutenue en 1925, elle étudie les particules alpha émises par le polonium.
Frédéric Joliot né en 1900 à Paris (2). Dès l'âge de huit ans, il fréquente l'école de So, vit dans un pensionnat. A cette époque, il préfère le sport aux études, notamment le football. Il a ensuite fréquenté à tour de rôle deux lycées. Comme Irène Curie, il a perdu son père très tôt. En 1919, il réussit l'examen de l'École de physique et de chimie industrielle de la Ville de Paris (École de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris). Il obtient son diplôme en 1923. Son professeur, Paul Langevin, a appris les capacités et les vertus de Frédéric. Après 15 mois de service militaire, sous les ordres de Langevin, il est nommé assistant de laboratoire personnel de Marie Skłodowska-Curie à l'Institut du Radium grâce à une bourse de la Fondation Rockefeller. Il y rencontre Irène Curie et, en 1926, les jeunes se marient.
Frederick a terminé sa thèse de doctorat sur l'électrochimie des éléments radioactifs en 1930. Un peu plus tôt, il avait déjà concentré ses intérêts sur les recherches de sa femme, et après avoir soutenu la thèse de doctorat de Frederick, ils travaillaient déjà ensemble. L'un de leurs premiers succès importants a été une préparation de polonium, qui est une forte source de particules alpha, c'est-à-dire noyaux d'hélium.(24Il). Ils sont partis d'une position indéniablement privilégiée, car c'est Marie Curie qui a fourni à sa fille une grande partie du polonium. Lew Kowarsky, leur futur collaborateur, les décrit ainsi : Irena était "une excellente technicienne", "elle travaillait très bien et avec soin", "elle comprenait profondément ce qu'elle faisait". Son mari avait "une imagination plus fulgurante, plus envolée". "Ils se complétaient parfaitement et le savaient." Du point de vue de l'histoire des sciences, les plus intéressantes pour eux furent deux années : 1932-34.
Ils ont presque découvert le neutron
"Presque" compte beaucoup. Ils ont appris très vite cette triste vérité. En 1930 à Berlin, deux Allemands - Walter Bothe i Hubert Becker - Étude du comportement des atomes légers lorsqu'ils sont bombardés de particules alpha. Bouclier de Béryllium (49Be) lorsqu'ils sont bombardés de particules alpha émettent un rayonnement extrêmement pénétrant et de haute énergie. Selon les expérimentateurs, ce rayonnement devait être un fort rayonnement électromagnétique.
À ce stade, Irena et Frederick ont réglé le problème. Leur source de particules alpha était la plus puissante qui soit. Ils ont utilisé une chambre à brouillard pour observer les produits de réaction. Fin janvier 1932, ils annoncèrent publiquement que ce sont les rayons gamma qui assomment les protons de haute énergie d'une substance contenant de l'hydrogène. Ils ne comprenaient pas encore ce qui était entre leurs mains et ce qui se passait.. Après avoir lu James Chadwick (3) à Cambridge, il se mit immédiatement au travail, pensant qu'il ne s'agissait pas du tout de rayonnement gamma, mais de neutrons prédits par Rutherford plusieurs années à l'avance. Après une série d'expériences, il se convainc de l'observation du neutron et constate que sa masse est similaire à celle du proton. Le 17 février 1932, il soumit une note à la revue Nature intitulée "L'existence possible du neutron".
C'était en fait un neutron, même si Chadwick croyait qu'un neutron était composé d'un proton et d'un électron. Ce n'est qu'en 1934 qu'il a compris et prouvé que le neutron est une particule élémentaire. Chadwick a reçu le prix Nobel de physique en 1935. Bien qu'ils aient réalisé qu'ils avaient raté une découverte importante, les Joliot-Curie ont poursuivi leurs recherches dans ce domaine. Ils ont réalisé que cette réaction produisait des rayons gamma en plus des neutrons, ils ont donc écrit la réaction nucléaire :
, où Ef est l'énergie du gamma-quantum. Des expériences similaires ont été menées avec 919F.
Ouverture manquée à nouveau
Quelques mois avant la découverte du positron, Joliot-Curie possédait entre autres des photographies d'une trajectoire courbe, comme s'il s'agissait d'un électron, mais tournant dans le sens opposé de l'électron. Les photographies ont été prises dans une chambre à brouillard située dans un champ magnétique. Sur cette base, le couple a parlé d'électrons allant dans deux directions, de la source et vers la source. En fait, ceux associés à la direction "vers la source" étaient des positrons, ou des électrons positifs s'éloignant de la source.
Pendant ce temps, aux États-Unis, à la fin de l'été 1932, Carl David Anderson (4), fils d'immigrants suédois, a étudié les rayons cosmiques dans une chambre à brouillard sous l'influence d'un champ magnétique. Les rayons cosmiques arrivent sur Terre depuis l'extérieur. Anderson, pour être sûr de la direction et du mouvement des particules, à l'intérieur de la chambre a fait passer les particules à travers une plaque de métal, où elles ont perdu une partie de l'énergie. Le 2 août, il a vu une traînée, qu'il a sans doute interprétée comme un électron positif.
Il convient de noter que Dirac avait précédemment prédit l'existence théorique d'une telle particule. Cependant, Anderson n'a suivi aucun principe théorique dans ses études sur les rayons cosmiques. Dans ce contexte, il a qualifié sa découverte d'accidentelle.
Là encore, Joliot-Curie dut s'accommoder d'un métier indéniable, mais entreprit des recherches plus poussées dans ce domaine. Ils ont découvert que les photons gamma peuvent disparaître près d'un noyau lourd, formant une paire électron-positon, apparemment conformément à la célèbre formule d'Einstein E = mc2 et à la loi de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. Plus tard, Frederick lui-même a prouvé qu'il existe un processus de disparition d'une paire électron-positon, donnant naissance à deux quanta gamma. En plus des positrons des paires électron-positon, ils avaient des positrons de réactions nucléaires.
5. Septième Conférence Solvay, 1933
Assises au premier rang : Irène Joliot-Curie (deuxième à partir de la gauche),
Maria Skłodowska-Curie (cinquième à partir de la gauche), Lise Meitner (deuxième à droite).
radioactivité artificielle
La découverte de la radioactivité artificielle n'a pas été un acte instantané. En février 1933, en bombardant de l'aluminium, du fluor puis du sodium avec des particules alpha, Joliot obtient des neutrons et des isotopes inconnus. En juillet 1933, ils annoncent qu'en irradiant de l'aluminium avec des particules alpha, ils observent non seulement des neutrons, mais aussi des positrons. Selon Irene et Frederick, les positrons de cette réaction nucléaire ne pouvaient pas avoir été formés à la suite de la formation de paires électron-positon, mais devaient provenir du noyau atomique.
La Septième Conférence Solvay (5) a eu lieu à Bruxelles du 22 au 29 octobre 1933. Elle s'intitulait "La structure et les propriétés des noyaux atomiques". Il a réuni 41 physiciens, dont les experts les plus éminents dans ce domaine au monde. Joliot a rapporté les résultats de leurs expériences, déclarant que l'irradiation du bore et de l'aluminium avec des rayons alpha produit soit un neutron avec un positron, soit un proton.. A cette conférence Lisa Meitner Elle a dit que dans les mêmes expériences avec l'aluminium et le fluor, elle n'a pas obtenu le même résultat. En interprétation, elle ne partageait pas l'avis du couple de Paris sur la nature nucléaire de l'origine des positrons. Cependant, lorsqu'elle retourne travailler à Berlin, elle refait ces expériences et le 18 novembre, dans une lettre à Joliot-Curie, elle admet que maintenant, selon elle, des positrons sortent bien du noyau.
De plus, cette conférence François Perrin, leur pair et bon ami de Paris, s'est exprimé au sujet des positrons. On savait par des expériences qu'ils obtenaient un spectre continu de positrons, similaire au spectre des particules bêta dans la désintégration radioactive naturelle. Une analyse plus poussée des énergies des positrons et des neutrons Perrin arriva à la conclusion qu'il fallait distinguer ici deux émissions : d'abord l'émission de neutrons, accompagnée de la formation d'un noyau instable, puis l'émission de positrons à partir de ce noyau.
Après la conférence, Joliot a arrêté ces expériences pendant environ deux mois. Et puis, en décembre 1933, Perrin publie son avis sur la question. Au même moment, également en décembre Enrico Fermi a proposé la théorie de la désintégration bêta. Cela a servi de base théorique pour l'interprétation des expériences. Début 1934, le couple originaire de la capitale française reprend ses expériences.
Le 11 janvier exactement, jeudi après-midi, Frédéric Joliot a pris du papier d'aluminium et l'a bombardé de particules alpha pendant 10 minutes. Pour la première fois, il a utilisé un compteur Geiger-Muller pour la détection, et non la chambre à brouillard, comme auparavant. Il a remarqué avec surprise qu'en retirant la source de particules alpha de la feuille, le comptage des positrons ne s'arrêtait pas, les compteurs continuaient à les montrer, seul leur nombre diminuait de façon exponentielle. Il a déterminé que la demi-vie était de 3 minutes et 15 secondes. Puis il a réduit l'énergie des particules alpha tombant sur le foil en plaçant un frein de plomb sur leur chemin. Et il a reçu moins de positrons, mais la demi-vie n'a pas changé.
Ensuite, il a soumis le bore et le magnésium aux mêmes expériences et a obtenu des demi-vies dans ces expériences de 14 minutes et 2,5 minutes, respectivement. Par la suite, de telles expériences ont été menées avec de l'hydrogène, du lithium, du carbone, du béryllium, de l'azote, de l'oxygène, du fluor, du sodium, du calcium, du nickel et de l'argent - mais il n'a pas observé de phénomène similaire à celui de l'aluminium, du bore et du magnésium. Le compteur Geiger-Muller ne faisant pas la distinction entre les particules chargées positives et négatives, Frédéric Joliot a également vérifié qu'il s'agissait bien d'électrons positifs. L'aspect technique était également important dans cette expérience, c'est-à-dire la présence d'une forte source de particules alpha et l'utilisation d'un compteur de particules chargées sensible, tel qu'un compteur Geiger-Muller.
Comme expliqué précédemment par la paire Joliot-Curie, les positrons et les neutrons sont libérés simultanément dans la transformation nucléaire observée. Maintenant, suivant les suggestions de Francis Perrin et lisant les considérations de Fermi, le couple a conclu que la première réaction nucléaire a produit un noyau instable et un neutron, suivi d'une désintégration bêta plus de ce noyau instable. Ils pourraient donc écrire les réactions suivantes :
Les Joliot ont remarqué que les isotopes radioactifs résultants avaient des demi-vies trop courtes pour exister dans la nature. Ils annoncèrent leurs résultats le 15 janvier 1934, dans un article intitulé « Un nouveau type de radioactivité ». Début février, ils ont réussi à identifier le phosphore et l'azote des deux premières réactions à partir des petites quantités collectées. Bientôt, il y eut une prophétie selon laquelle davantage d'isotopes radioactifs pourraient être produits dans les réactions de bombardement nucléaire, également à l'aide de protons, de deutons et de neutrons. En mars, Enrico Fermi a fait le pari que de telles réactions seraient bientôt réalisées à l'aide de neutrons. Il a rapidement remporté le pari lui-même.
Irena et Frederick ont reçu le prix Nobel de chimie en 1935 pour "la synthèse de nouveaux éléments radioactifs". Cette découverte a ouvert la voie à la production d'isotopes radioactifs artificiels, qui ont trouvé de nombreuses applications importantes et précieuses dans la recherche fondamentale, la médecine et l'industrie.
Enfin, il convient de mentionner les physiciens des États-Unis, Ernest Laurent avec des collègues de Berkeley et des chercheurs de Pasadena, parmi lesquels un Polonais en stage Andreï Sultan. Le comptage des impulsions par les compteurs a été observé, bien que l'accélérateur ait déjà cessé de fonctionner. Ils n'aimaient pas ce décompte. Cependant, ils ne se rendaient pas compte qu'ils avaient affaire à un nouveau phénomène important et qu'il leur manquait tout simplement la découverte de la radioactivité artificielle...
