La découverte de la radioactivité artificielle - Version PDF
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1. DS en biologie et en m decine seront en effet nombreuses et conduiront des r sultats fondamentaux Fr d ric Joliot se tourne ensuite vers l astrophysique La mati re aussi a une histoire De l ensemble des faits envisag s nous comprenons que les quelques centaines d atomes d esp ces diff rentes qui constituent notre plan te ne doivent pas tre consid r s comme ayant t cr s une fois pour toutes et ternels Nous les observons parce qu ils ont surv cu D autres moins stables ont disparu Ce sont probablement quelques uns de ces atomes disparus qui sont r g n r s dans les laboratoires Le savant a l intuition de la possibilit de r actions en cha ne susceptibles de produire de l nergie grande chelle La phrase suivante de sa conf rence est donc souvent cit e Si tourn s vers le pass nous jetons un regard sur les progr s accomplis par la science une allure toujours croissante nous sommes en droit de penser que les chercheurs construisant ou brisant les l ments volont sauront r aliser des transmutations caract re explosif v ritables r actions chimiques cha nes Comme nous l avons indiqu plus haut une telle r action en cha ne ne sera effectivement r alis e et mise en vidence qu en 1939 F Joliot termine son expos en se tournant nouveau vers l astrophysique Les astronomes observent parfois qu une toile d clat m diocre augmente brusquement d2. 1844 modifi e par la loi du 7 avril 1902 Un sait que l absorption d un neutron par un noyau d uramum peul provoquer La rupture de ce dermier avec degagement d nergie el mussion de nouveaux neulrons en nombre en mo cune sup rieur l unit Farmi les neutrons ainsi mis un certain nombre peuvent leur tour provoquer sur des noyaux d uranium de nouvelles rup iures et les ruptures de noyaux d uranium pour ront ainsi aller en croissant suivant une progres sion g om trique avec d gagement de quaniit s extremement consid rables d energie On s est rendu compte conformement la pr sente inveulion que si l on parvenait provoquer une telle r action au sein d une masse limit e d ura nium ou de compose d uranium ou d un m lange conlenant de l uranium on pourrait extraire de cette masse et utiliser des Gns industrielles l ener gie ainsi d velopp e par les chaines de ruptures BUCCCANVES Mais on se heurte imm diatement une dif cult primordiale ces cha nes pouvant se ramifer d une mani re illimit e la r sction peut devenir cxplosive ce qui restreindrait consid rablement les possibilit s d utilisation de la masse d uranium en question comme source maniable d nergie indus trielle On a donc cherch ma triser le d gagement d nergie en l emp chant de devenir explosif et l on a eu l id e cet effet 1 Tout d abord de r duire la vitesse de tout ou partie des neut
3. La d couverte de la radioactivit artificielle par Pierre Radvanyi Directeur de recherche honoraire au CNRS Fr d ric Joliot na t Paris le 19 mars 1900 Son fr re a n est tu d s les premiers jours de la guerre de 1914 1918 Fr d ric entre l cole de physique et chimie industrielles de la ville de Paris et en sort major en physique En d cembre 1924 le directeur des tudes Paul Langevin le pr sente Marie Curie qui en fait son pr parateur particulier l Institut du Radium cr pour elle en 1909 par l Universit de Paris et l Institut Pasteur Marie Curie charge sa fille Ir ne alors son assistante de piloter le jeune homme Fr d ric et Ir ne se marient en 1926 Quelque temps apr s ils d cident d entreprendre des exp riences en commun Ir ne continuera signer leurs publications de son nom de jeune fille Ils pr parent des sources tr s intenses de polonium sur de tr s petites surfaces gr ce aux stocks de Radium D accumul s i i s 2 y i i i par Marie Curie les particules alpha mises par le polonium radioactif leur servent de projectiles pour explorer les noyaux L h ritage de Marie et Pierre Curie Bien naturellement Ir ne et Fr d ric dans leurs discours Nobel respectifs rendront hommage Pierre et Marie Curie les parents d Ir ne C est notamment gr ce Marie Curie qu ils disposaient de sources importantes de corps radioactifs comme le polonium issu du radium D pro
4. abord la biologie et la m decine La m thode des indicateurs radioactifs jusqu alors r serv e aux l ments de masse atomique lev e peut tre g n ralis e un tr s grand nombre d l ments distribu s dans toute l tendue de la classification p riodique En biologie par exemple la m thode des indicateurs employant des radio l ments synth tiques permettra d tudier plus facilement le probl me de la localisation et de l limination d l ments divers introduits dans les organismes vivants Dans ce cas la radioactivit sert uniquement d terminer la pr sence d un l ment dans telle ou telle r gion de l organisme II n est pas utile dans ces recherches d introduire des quantit s importantes de l l ment radioactif Aux endroits que l on apprendra mieux conna tre o les radio l ments seront localis s le rayonnement qu ils mettent produira son action sur les cellules voisines Pour ce deuxi me mode d emploi il sera n cessaire d utiliser des quantit s importantes de radio l ments Ceci trouvera probablement une application pratique en m decine Le premier mode d emploi indiqu dans cette citation correspond aux tudes biologiques et aux utilisations diagnostiques en m decine le deuxi me mode d emploi correspond aux traitements m dicaux curieth rapie Les applications rE Joliot d signe les isotopes radioactifs par radio l ments et parfois simplement par l ments r bibnum 9
5. azote partir du carbone l aide de leur propre acc l rateur La production de nouveaux radio l ments par des particules charg es tait l poque restreinte aux l ments l gers tels que le bore ou l aluminium Rome Enrico Fermi a l id e d utiliser des neutrons qui n tant pas charg s peuvent p n trer dans les noyaux les plus lourds Avec son quipe il irradie ainsi tous les l ments qu il peut se procurer II obtient aussit t des r sultats positifs D s le mois de juin 1934 Fermi peut annoncer la d couverte de radioactivit s nouvelles dans 47 l ments sur les 68 tudi s jusque l L quipe de Rome gt Pour reprendre la r action de F Joliot en note 4 ci avant l isotope radioactif du phosphore va se transmuter par une r action de radioactivit B mission d un positon que les Joliot mentionnent dans leur note de janvier 1934 l Acad mie des sciences L isotope TP du phosphore serait radioactif avec une p riode de P Ao ji 30 30c PORE 3mn15s et mettrait des lectrons positifs suivant la r action 15P gt 1491 e Ainsi ce sont deux ph nom nes nouveaux que les Joliot d couvrent simultan ment la radioactivit provoqu e de mani re artificielle celle de l isotope du phosphore et la r action de radioactivit par mission d un positon qui sera appel e radioactivit B r bibnum 5 observe plusieurs nouvelles radioactivit s en bombardant le plus lourd de
6. cyclotron Mais il meurt pr matur ment son tour en ao t 1958 Le g n ral de Gaulle d cr te des obs ques nationales Figure 2 Fr d ric J oliot en 1947 dans son bureau du CEA photographie droits r serv s Association Curie J oliot Curie ACJC CICICICICICIC Revenons en 1934 En janvier de cette ann e Fr d ric et Ir ne Joliot Curie d couvrent que l mission de positons on appela ainsi les lectrons positifs par analogie avec lectrons qu ils observent lors du bombardement d une feuille d aluminium par les particules alpha du polonium est non pas instantan e mais d cro t exponentiellement en quelques minutes Ils viennent de d couvrir la radioactivit artificielle ils ont form dans l aluminium un phosphore radioactif inconnu jusqu alors isotope du phosphore stable IIs mettent ensuite en vidence deux autres radio l ments artificiels Quinze jours plus tard des s parations chimiques men es dans des temps tr s brefs leur permettent de confirmer cette interpr tation C est l une g n ralisation remarquable du 7 27 4 30 1 i gt 4 La r action est donn e par F Joliot dans son texte 13Al He gt 5P n partir de l aluminium on obtient un isotope inconnu du phosphore PEP l isotope a 15 neutrons et non 16 Cet isotope tant radioactif il n en existe pas dans la nature car ayant disparu depuis longtemps r bibnum 4 ph nom ne de radioactivit qui a
7. d cembre 1938 Otto Hahn et Fritz Strassmann d couvrent la fission de l uranium sous l action des neutrons dont Lise Meitner et Otto Frisch donneront l explication physique Fr d ric Joliot se lance aussit t dans l tude de ce nouveau ph nom ne il confirme sa r alit gr ce l nergie norme lib r e puis avec ses collaborateurs Hans Halban et Lew Kowarski tudie la possibilit d une r action en cha ne Une remarquable s rie d exp riences est men e bien et des calculs d un dispositif producteur d nergie sont faits avec l aide de Francis Perrin Des demandes de brevets sont d pos es au d but de mai 1939 Fr d ric prend contact avec l Union mini re du Haut Katanga qui mettra 8 tonnes d oxyde d uranium sa disposition afin de r aliser une premi re pile atomique et obtenir de l nergie pour une utilisation industrielle En septembre 1939 la guerre vient perturber ce programme mais les travaux se poursuivent L quipe montre que le dispositif doit tre h t rog ne l uranium baignant dans un mod rateur qui devrait tre de l eau lourde et qu un enrichissement en uranium 235 serait favorable le savant danois Niels Bohr avait montr au d but de 1939 que c est l isotope rare de l uranium l uranium 235 qui subit la fission par neutrons lents Un commando sp cial fran ais r ussit amener l eau lourde de la Norv ge occup e par les Allemands Cependant en mai juin 1940 l invasion allemande de
8. e grandeur une toile invisible l il nu peut devenir tr s brillante et visible sans instrument c est l apparition d une Nova Ce brusque embrasement de l toile est peut tre provoqu par ces transmutations caract re explosif processus que les chercheurs s efforceront sans doute de r aliser en prenant nous l esp rons les pr cautions n cessaires Le lecteur verra l une vocation des r actions de fusion thermonucl aires que l on commen ait alors envisager mais dont la nature ne sera pr cis e et tudi e qu un peu plus tard La mise en uvre de certaines de ces r actions est actuellement la base d un grand projet international de production d nergie projet ITER 8 Fr d ric Joliot avait l avant m me la consolidation de l hypoth se que les toiles se forment par r actions nucl aires avec lib ration d nergie une vision pr monitoire de la naissance explosive des supernovae r bBibnum 10 R PUBLIQUE FRAN AISE nue BREVET D INVENTION DE L INDUSTRIE ET DU COMMERCE SERVICE Cr 5 CI 2 de la PROPRI T INDUSTRIELLE Dispositif de production d nergie N 976 541 CAISSE NATIONALE DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE r sidant en France Seine Demand le 1 mai 1939 16 55 Paris D livr le 1 novembre 1950 Publi le 19 mars 1951 Brevet d invention dont la d livrance a t ajourn e en ex cution de l article 11 7 de la loi du 5 juillet
9. git en fait de neutrons En 1934 le jeune couple d couvre la radioactivit artificielle voqu e un peu plus loin qui leur vaudra le prix Nobel de chimie Figure 1 Fr d ric et Ir ne Joliot Curie dans leur laboratoire de l Institut du Radium en 1934 photographie droits r serv s Association Curie oliot Curie ACJC Fr d ric est nomm en 1937 professeur au Coll ge de France et devient directeur du laboratoire de chimie nucl aire de cet tablissement ainsi que du laboratoire de synth se atomique d lvry de la Caisse nationale de la Recherche scientifique anc tre du CNRS Ir ne nomm e en 1936 professeur la Facult des sciences de l Universit de Paris devient pour quelques mois le premier 3 Cette exp rience avait t faite Berlin Charlottenburg par Walter Bothe et Herbert Beker par bombardement de b ryilium ou de bore par des particules a issues d une source de polonium l poque de 1920 1932 avant la d couverte du neutron on pensait que les noyaux taient constitu s de protons de particules a et d lectrons Heisenberg rapportait au congr s Solvay de 1933 que la d couverte du neutron par Curie et Joliot et par Chadwick montre de mani re certaine que ces neutrons peuvent figurer comme constituants ind pendants du noyau c t des protons et des particules a r bibnum 2 Sous secr taire d tat la recherche scientifique dans le gouvernement de L on Blum En
10. la France oblige au repli sur Clermont Ferrand puis sur Bordeaux Halban et Kowarski sont envoy s avec l eau lourde en Angleterre l uranium sera cach au Maroc Joliot d cide de rester en France Il trouve son laboratoire occup par les Allemands mais plac sous l autorit d un physicien ami Wolfgang Gentner qui avait travaill deux ans l Institut du Radium du vivant encore de Marie Curie et avait assist directement la d couverte de la radioactivit artificielle antinazi Gentner prot gera efficacement Fr d ric Celui ci s engage activement dans la R sistance et adh rera au parti communiste A la Lib ration Joliot est nomm directeur g n ral du CNRS Le g n ral de Gaulle cr e le Commissariat l nergie atomique dont Fr d ric Joliot devient le premier Haut Commissaire en 1945 La premi re pile atomique r acteur nucl aire fran aise Zo entre en fonctionnement en d cembre 1948 Cependant le savant milite activement dans le Mouvement international de la paix et lance en mars 1950 le fameux appel de Stockholm pour l interdiction r bibnum 3 de l arme atomique Un mois plus tard en pleine guerre froide ses prises de position politiques lui vaudront d tre r voqu de ses fonctions de Haut Commissaire En 1956 Ir ne Joliot Curie meurt soudainement apr s avoir tabli les plans d un nouveau laboratoire Orsay Fr d ric prend sa suite il organise le nouvel institut dot d un synchro
11. mettre des photons y visibles sur le clich et permettant de localiser les cellules canc reuses CICICICICICIC La c r monie de remise des Prix Nobel de 1935 a lieu le 12 d cembre Stockholm Fr d ric et Ir ne ont connaissance des travaux men s l tranger la suite de leur d couverte Ils d cident de faire deux conf rences Ir ne souvent consid r e comme la chimiste de l quipe pr sentera la physique tandis que Fr d ric consid r comme le physicien pr sentera la chimie Figure 4 Fr d ric et Ir ne Joliot Curie lors de la c r monie de remise des prix Nobel Stockholm le 12 d cembre 1935 photographie droits r serv s Association Curie oliot Curie ACJ C r bibnum Fr d ric Joliot divise en fait son expos en deux parties La premi re est consacr e la description des exp riences de chimie qui ont permis au couple de chercheurs de s parer et d identifier les nouveaux l ments radioactifs Joliot insiste sur la difficult qu il y a caract riser ces l ments compte tenu des faibles masses en jeu Si nous pouvons crire avec certitude la r action nucl aire correspondant la plupart des transmutations spontan es il n en est pas de m me pour les transmutations provoqu es Le rendement de ces transmutations est tr s faible et les masses d l ments form s en utilisant les sources de projectiles les plus intenses que nous savons produire actuellement so
12. nt inf rieures 10 gr repr sent es au plus par quelques millions d atomes Parmi ces nouveaux l ments figure le phosphore radioactif form dans l aluminium pour lequel Joliot donne la r action de production Dans le cas par exemple o l aluminium irradi par les rayons alpha met des neutrons la r gle pr c dente permet d crire la r action de transmutation suivante 27 4 30 1 n Al He gt P n L atome form tant radioactif nous pouvons v rifier qu il poss de les propri t s chimiques du phosphore La radioactivit du phosphore 30 donne lieu l mission d lectrons positifs ais ment d tect s travers la paroi mince du tube de verre condition de proc der rapidement On avait l aussi la premi re observation d une radioactivit 8 Cette radioactivit peut s crire 3090P gt 3Sj et v o Si est un noyau stable et v repr sente un neutrino CICICICICICIC Dans la seconde partie de sa conf rence Fr d ric explique comment ces exp riences furent reprises et d velopp es dans plusieurs pays l aide des projectiles protons et deutons fournis par des installations de tr s hautes tensions ainsi qu avec des neutrons ajoute Actuellement on sait faire la synth se de plus de cinquante nouveaux radio l ments nombre d j sup rieur celui des radio l ments naturels que l on trouve dans l corce terrestre r bibnum 8 Mais malgr les effo
13. roduit au sein de la masse d uranium et suivant une r partition qui n est pas n cessairement uniforme des l ments tr s l gers tels que l hydrog ne le deut rium par exem ple libres ou combin s ou des l ments l gers tels que le glucinium le carbone l oxyg ne par exemple libres ou combin s Un avantage sp cial des ralentisseurs tr s l gers est de diminuer la proportion des neutrons qui sont absorb s par r sonance dans l uranium et qui peuvent tre ainsi perdus pour le processus en chaines Ces l ments pourront tre introduits sous forme liquide gazeuse ou solide poudre par exemple Ils peuvent tre m lang s plus ou moins intime ment avec l uranium ou le compos d uranium et ce m lange peut tre obtenu par tous proc d s connus On peut par exemple m langer avec un compos d uranium en poudre un compos hydrog n ous forme solide liquide ou gazeuse ce compos Figure 5 Premi re page du brevet d invention d un Dispositif de production d nergie demand par F J oliot et son quipe le 1 mai 1939 r bibnum 11
14. rons lib r s de telle sorte qu ils deviennent des neutrona lents approximativement en quilibre thermique avec le milieu Cette r duction de vitesse donne d ja un moyen de stabilisation par le fait que la probabilit qu a un neutron de quitter le dispositif avant d tre absorb augmente avec la temp rature Elle permet d autre part de r aliser des conditions dans les quelles l l vation de temp rature am ne rapide ment un changement des concentrations ou des r partilions des constituants du dispositif arr tant ainsi le d veloppement des cha nes 2 Ensuite d introduire dans le dispositif un ou plusieurs l ments l tat de corps simples ou de combinaisons chimiques susceptibles d ab sorber les neutrons ralentis en proportion d autant plus forte par rapport l absorption par l uranium que la temp rature est plus lev e Par le premier de ces moyens ou l emploi con jugu de ces deux moyens les cha nes peuvent se d velopper jusqu ce qu une nergie suffisamment importante soit lib r e et tre alors automatique ment inlerrompues ou limit es vitant ainsi le d veloppement explosif de la r action On arrive ainsi lib rer de la masse d uranium consid r e en vue de son utilisation industrielle et au for et mesure des besoins l nergie qu elle est susceptible de fournir par transmutations Pour r duire la vitesse de tout ou partie des neutrons mis on int
15. rts d j en cours de nouveaux acc l rateurs de particules sont absolument n cessaires La diversit des natures chimiques la diversit des vies moyennes de ces radio l ments synth tiques permettront sans doute des recherches nouvelles en biologie et en physicochimie Pour mener bien ces travaux il sera n cessaire de disposer de quantit s relativement importantes de ces radio l ments C est en employant des projectiles acc l r s artificiellement que l on atteindra ce but Jusqu alors seuls des l ments vie relativement br ve s tendant de la fraction de seconde quelques mois ont pu tre obtenus Pour cr er une quantit appr ciable d un l ment vie beaucoup plus longue il faudrait disposer d une source de projectiles prodigieusement intense N y a t il aucun espoir de r aliser ce nouveau r ve la panoplie d acc l rateurs de particules permettant notamment de produire des corps radioactifs en quantit s appr ciables s ajouteront quelques ann es plus tard les r acteurs nucl aires piles atomiques fournissant de grandes quantit s de neutrons capables eux aussi de produire en abondance certains radio l ments Le savant d veloppe alors de mani re flamboyante audacieuse et en partie pr monitoire sa vision des diff rentes applications possibles de la radioactivit artificielle Les quantit s n cessaires de radio l ments d pendent des applications envisag es Tout d
16. s l ments l uranium avec des neutrons elle pense qu elle a form des l ments transuraniens qui n existent pas sur Terre Des l ments au del de l uranium Ces tudes seront reprises Berlin par Lise Meitner et Otto Hahn puis par Ir ne Joliot Curie et Paul Savitch Paris Georg de Hevesy 1885 1966 prix Nobel de chimie 1943 chimiste su dois d origine hongroise avait montr en 1913 que le radium D tait un isotope radioactif du plomb plomb 210 metteur b ta de p riode 22 ans situ dans la famille radioactive du radium II imagina alors que l on pouvait suivre le plomb N la trace gr ce son isotope radioactif qui fut appel traceur ou indicateur Le plomb toutefois n tant pas un l ment constitutif des organismes vivants n avait pas d applications biologiques Mais en septembre 1935 Copenhague Hevesy et son coll gue Otto Chiewitz utilisent pour la premi re fois un radio l ment artificiel le phosphore 32 comme indicateur radioactif pour l tude chez le rat du m tabolisme du phosphore Traceurs radioactifs en biologie et m decine Un peu d isotope radioactif appel traceur ou indicateur est ajout aux isotopes stables d un l ment L isotope radioactif se comportera chimiquement et biologiquement comme les isotopes stables II peut tre inclus dans une mol cule organique mol cule marqu e Il est possible alors gr ce son rayonnement d tudier dans
17. un corps vivant le m tabolisme fixation limination de l l ment consid r En m decine les traceurs sont utilis s pour le diagnostic Ainsi par exemple l iode 123 p riode 13h et surtout l iode 131 p riode 8j dans la thyro de le techn tium 99m dans le poumon On a galement invent la tomographie par mission de positons TEP qui rend de grands services On introduit ainsi dans l organisme de l eau marqu e l oxyg ne 15 p riode de 2 minutes seulement l oxyg ne 15 est metteur de positons ceux ci vont comment nous l avons dit s annihiler en fin de parcours avec des lectrons et donner chaque fois deux rayons gamma mis dos dos qui seront d tect s en co ncidence par les d tecteurs d une cam ra positons II convient de distinguer les p riodes physiques telles que celles indiqu es ci dessus des p riodes biologiques tenant compte de l limination naturelle des substances 6 En 1938 l Anschluss de l Autriche contraindra Lise Meitner d origine juive l migration r bibnum 6 Figure 3 Tomographie par mission de positons Un l ment radioactif artificiel le Fluor 18 un neutron de moins que le Fluor 19 classique est incorpor une solution de glucose Les cellules canc reuses forte activit ont besoin d nergie sous forme de glucose et fixent la solution Les positons mis par radioactivit par le fluor vont s annihiler avec des lectrons et
18. ura rapidement des suites importantes La d couverte vaudra au couple de jeunes savants le prix Nobel de chimie de 1935 L lectron positif ou positon L lectron positif appel aussi positon fut d couvert en 1932 dans le rayonnement cosmique par le physicien am ricain Carl D Anderson 1905 1991 prix Nobel de physique 1936 II fut imm diatement consid r comme l antiparticule de l lectron pr dite par le physicien th oricien anglais P A M Dirac L absorption dans la mati re d un rayonnement gamma de plus de 1 02 MeV peut donner naissance par mat rialisation une paire lectron positon Inversement un positon en fin de parcours et un lectron en se rencontrant s annihilent l nergie correspondant leurs masses apparaissant sous forme de deux photons de 0 51 MeV chacun mis dos dos ce qui fut v rifi exp rimentalement par F Joliot en 1933 Deux des nouveaux radio l ments d couverts par F et Joliot Curie en 1934 d croissent par mission de positons premi re observation de la radioactivit B Des confirmations arrivent rapidement des laboratoires trangers qui emploient des deutons ou des protons comme projectiles de Berkeley en Californie o Ernest Lawrence et ses collaborateurs se rendent compte que plusieurs pi ces de leur cyclotron sont devenues radioactives leur insu de Cambridge en Angleterre o John Cockcroft et ses coll gues produisent du radio
19. venant d ampoules ayant contenu du radon usage m dical que Marie Curie avait soigneusement conserv es l Institut du Radium Fr d ric Joliot en particulier rendra un hommage mouvant Marie Curie elle tait disparue en juillet 1934 mais avait eu le temps encore d assister en janvier de cette ann e la d couverte de la radioactivit artificielle par sa fille et son gendre Ce fut certainement une grande satisfaction pour notre regrett e Ma tre Marie Curie d avoir vu ainsi se prolonger cette liste des l Les l ments de la famille radioactive du radium n taient encore pas tous identifi s aussi portaient ils ce type de noms le Radium D est un isotope du plomb 2 Les particules alpha He sont des noyaux d h lium sans lectrons compos s de deux protons et de deux neutrons Fr d ric Joliot les appelle h lions dans son texte r bibnum 1 radio l ments qu elle avait eu en compagnie de Pierre Curie la gloire d inaugurer En 1930 avait t observ Berlin un rayonnement tr s p n trant lors du bombardement de noyaux l gers par des particules alpha En janvier 1932 Fr d ric et Ir ne mettent en vidence le fait que ce m me rayonnement qu ils pensent constitu de rayons gamma a la capacit d jecter des protons de substances hydrog n es comme la paraffine ou la cellophane Partant de leurs r sultats un mois plus tard le Britannique James Chadwick montre qu il s a
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