100ansDecouverteRadioactivité

Le centenaire de la découverte de la radioactivité
La radioactivité :
une découverte exemplaire
La radioactivité a été découverte en France, de 1896 à 1898, par Henri Becquerel, qui a mis en
évidence l’existence d’un rayonnement invisible provenant de l’uranium, et par Pierre et Marie Curie
qui ont montré la généralité de ce phénomène, lui ont donné son nom, et découvert deux
éléments chimiques particulièrement radioactifs, le polonium et le radium. Dans l’histoire de cette
découverte, et du développement de toutes ses conséquences, on retrouve toutes les grandes
questions liées à la recherche, aux mécanismes de la découverte, aux remises en cause des
acquis de la science et à l’exploitation scientifique, technologique et industrielle des connaissances
nouvelles. C’est en cela que la découverte de la radioactivité peut être considérée comme
exemplaire.
L
a découverte des rayons X,
en 1895, par le physicien
allemand W.C. Röntgen, est
l’étincelle qui va déclencher tout le
processus. C’est une histoire édi-
fiante : en étudiant les rayons catho-
diques (en fait des faisceaux d’élec-
trons) dans un tube à décharge,
Röntgen met en évidence, de façon
fortuite, l’émission, hors du tube,
d’un rayonnement capable de rendre
fluorescents les sels de baryum, et
d’impressionner la plaque photo-
graphique. Ce rayonnement traverse
les tissus musculaires mais est absor-
bé dans les os, ce qui permet de vi-
sualiser le squelette humain. Cette
découverte est immédiatement très
populaire parce qu’elle ouvre d’em-
blée de grandes perspectives en mé-
decine, et que le simple fait de voir
les os au travers des chairs frappe
l’imagination.
Lorsque H. Becquerel a connais-
sance de cette découverte, il s’en-
gage immédiatement... sur une
fausse piste de recherche ! Si la
fluorescence des tubes à rayons ca-
thodiques s’accompagne de l’émis-
sion de rayons X, la fluorescence de
certains sels exposés au soleil a
peut-être les mêmes propriétés.
Ses premières expériences semblent
confirmer cette hypothèse. Parmi
quelques sels essayés, ceux d’ura-
nium, exposés au soleil, émettent en
effet un rayonnement pénétrant,
capable d’impressionner une plaque
photographique. Mais c’est la
contre-expérience, si nécessaire à
toute investigation, qui va conduire
à la découverte du véritable effet.
Cette contre-expérience est réalisée
ici, semble-t-il, grâce à un heureux
concours de circonstances. L’ab-
sence de soleil pendant plusieurs
jours conduit H. Becquerel à ranger
la plaque photographique et les sels
d’uranium dans un tiroir, à l’abri de
la lumière. Pourquoi, au retour du
soleil, va-t-il révéler cette plaque ?
On ne sait pas exactement, mais
c’est ce geste de curiosité scientifi-
que, ou de conscience profession-
nelle, qui va lui livrer, ainsi qu’à
l’humanité, le premier secret de
l’uranium, sa capacité à émettre
spontanément, sans apport d’énergie
extérieure, un rayonnement tout
aussi invisible que les rayons X,
mais qui s’avérera être de nature
très différente.
Puis vient Marie Curie, et avec
elle Pierre Curie, et leurs travaux
constituent une autre illustration
exemplaire des méthodes de la re-
cherche. Le phénomène (l’émis-
sion par l’uranium de rayonne-
ments invisibles) a été découvert. Il
s’agit maintenant de l’explorer et
de mieux le comprendre. Et
Marie Curie, la chimiste, va entre-
prendre une démarche systématique,
consistant à opérer des séparations
chimiques successives sur les sels
puis sur des résidus de minerais
d’uranium pour comprendre d’où
vient ce mystérieux rayonnement.
Elle sera puissamment aidée dans
ses travaux par Pierre Curie, le phy-
sicien, qui, avec son frère Jacques,
construira un dispositif capable de
mesurer quantitativement la radioac-
tivité des diverses fractions issues
des séparations chimiques successi-
ves de Marie. Travail gigantesque,
acharné, de longue haleine, dans des
conditions matérielles difficiles,
cette seconde étape de la découverte
de la radioactivité contraste avec
l’apparente facilité de la première.
Mais, comme pour celle-ci, il y aura
au bout le succès, avec la mise en
évidence de la généralité du phéno-
mène de radioactivité, non limité à
l’uranium, et surtout la mise en évi-
dence de deux nouveaux éléments
chimiques, le polonium et le ra-
dium, principaux responsables de
l’émission de rayonnements par les
minerais et les sels d’uranium.
Ces deux mécanismes de la dé-
couverte, le coup de chance (ou le
− René Bimbot, Institut de physique nu-
cléaire, 91406 Orsay Cedex.
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trait de génie) d’une part, et la téna-
cité récompensée d’autre part, se
rencontrent fréquemment en histoire
des sciences, soit isolés, soit conju-
gués dans de subtiles combinaisons.
Cependant, on peut s’interroger sur
le rôle réel joué par le hasard dans
des découvertes comme celles de
Röntgen et de Becquerel. Il est vrai
que Röntgen ne cherchait pas les
rayons X, ni Becquerel la radio-
activité. Il faut remarquer cependant
que ces deux savants, à qui la
chance a bien voulu sourire, avaient
l’un et l’autre réuni les conditions
d’une découverte. Ils s’intéressaient
à un sujet neuf, qu’ils exploraient
afin de mieux le comprendre, d’en
dégager les caractéristiques, ou de
le généraliser. Ils disposaient d’une
instrumentation adaptée, et tra-
vaillaient avec méthode. La chance
de Röntgen a sans doute été la pré-
sence, non loin de son appareil,
d’un flacon contenant des sels de
baryum qui se mirent à briller dans
l’obscurité. Celle de Becquerel a
peut-être été ces trois jours de pluie
à Paris, fin février 1896... Mais il
paraît à peu près certain que, même
sans ces circonstances favorables
qui ont accéléré ces découvertes, les
rayons X et la radioactivité auraient
été découverts, vers la fin du
XIX
e
siècle ou au début du XX
e
,
par un chercheur ou un autre parmi
la vingtaine de grands physiciens et
chimistes de l’époque...
Mais l’histoire continue. Tel un
éventail que l’on ouvre, les consé-
quences de la découverte de la radio-
activité vont s’étendre dans plu-
sieurs directions. Les physiciens, en
première ligne, se trouvent confron-
tés à plusieurs faits qui vont ébran-
ler les convictions de l’époque, et
obliger la physique à se remettre en
question.
En 1897, peu après que Jean
Perrin eut démontré que les rayons
cathodiques portaient des charges
électriques négatives, le Britannique
J.J. Thomson avait mesuré leur vi-
tesse, ainsi que le rapport (e/m) de
la charge à la masse de la particule
concernée. Il donnait ainsi corps à
l’hypothèse de l’électron, avancée
dès 1881 par von Helmholtz et
Stoney, et que le Hollandais
Lorentz venait d’introduire dans sa
théorie pour expliquer l’action des
champs magnétiques sur la lumière
(dédoublement des raies spectrales,
découvert, en 1896, par P. Zeeman).
L’électron, première des « particules
élémentaires », avait ainsi été dé-
couvert, et, cent ans plus tard, chef
de file des leptons chargés, il a
conservé ce statut de constituant
élémentaire de la matière.
Ces découvertes : les rayons X, la
radioactivité, l’effet Zeeman, l’élec-
tron, le polonium et le radium, se-
ront récompensées par des prix
Nobel de physique, les trois pre-
miers de tous les temps étant attri-
bués à W.C. Röntgen (1901), H.A.
Lorentz et P. Zeeman (1902), H.
Becquerel et Pierre et Marie Curie
(1903). L’Anglais J.J Thomson de-
vra attendre 1906 (le sixième
Nobel) pour être lauréat à son tour !
Saluons au passage la clairvoyance
du jury Nobel qui avait pressenti
l’importance fabuleuse de ces dé-
couvertes. En effet, le champ de
recherche qui vient d’être ouvert est
immense. Et toute la physique du
XIX
e
siècle va devoir être reconsi-
dérée. Avant même d’avoir com-
mencé d’éclaircir les nombreux
mystères posés par la radioactivité,
les physiciens de l’époque savent
qu’il leur faut trouver d’où vient
l’énergie des rayonnements sponta-
nément émis par l’uranium, le polo-
nium et le radium, ou renoncer au
principe de conservation de l’éner-
gie ! Et lorsque Ernest Rutherford et
Frederick Soddy mettront en évi-
dence le fait que l’émission des
rayonnements αet âs’accompa-
gnent d’une modification de la na-
ture chimique de l’atome émetteur,
c’est-à-dire d’une transmutation, ce
sont les grands principes de la chi-
mie qui trembleront sur leur base !
L’atome, dont le concept commence
à prendre corps, mais dont les
contours sont encore mal perçus,
doit déjà renoncer à sa propriété
fondamentale, celle d’être inséca-
ble ! Quant à la masse de l’électron,
elle pose aussi quelques problèmes,
car elle semble varier en fonction de
sa vitesse ! Ce fait sera confirmé
expérimentalement en 1902 par le
physicien allemand Kaufman, grâce
aux électrons de radioactivité bêta
émis par les descendants du radium,
dont la vitesse varie entre 20 % et
97 % de celle de la lumière. La voie
est ouverte vers la théorie de la re-
lativité restreinte, formulée par
Albert Einstein en 1905, et où
il établit la célèbre équivalence
E = m.c
2
. Celle-ci donne, bien en-
tendu, la clé du mystère concernant
l’origine de l’énergie rayonnée dans
la radioactivité... et par le Soleil !
En 1903, c’est le retour de sir
William Crookes, l’inventeur du
tube à rayons cathodiques, à qui
nous devons un peu toute cette his-
toire... et qui a maintenant imaginé
un système pour observer, au micro-
scope et dans l’obscurité, l’impact
de particules alpha de radioactivité
sur un écran de sulfure de zinc. A
l’évidence, ces lueurs fugitives ap-
paraissent de façon irrégulière dans
le temps. Leur distribution sur la
surface du petit détecteur semble
également aléatoire. Les physiciens
vont devoir apprendre à gérer les
phénomènes de l’infiniment petit en
termes de probabilités. Si on peut
calculer le nombre moyen d’atomes
de radium qui se désintégreront au
cours de chacune des prochaines se-
condes, on ne peut pas prévoir le-
quel sera le prochain, ni quand se
produira la désintégration d’un
atome donné. Cette approche proba-
biliste sera l’une des caractéristiques
de la mécanique quantique, qui
s’épanouira dans les années qui sui-
vront. En 1928, George Gamow
montrera que l’émission d’une parti-
cule alpha ne peut s’expliquer que
par un mécanisme relevant typique-
ment de cette nouvelle mécanique,
la traversée d’une barrière de poten-
tiel par effet tunnel. Il s’agit là d’un
effet que l’on retrouvera plus tard
dans nombre de processus micros-
copiques.
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Entre-temps, grâce notamment
aux expériences de Rutherford qui
avaient établi, en 1911, l’existence
du noyau, petit, massif, central, et
chargé positivement, la première
théorie de l’atome avait été élaborée
par Niels Bohr, en 1913. La compo-
sition exacte du noyau (constitué de
protons et de neutrons) ne sera
connue qu’en 1932 avec la décou-
verte du neutron par le Britannique
Chadwick. Et cette découverte de
grande importance déclenchera une
avancée décisive sur la connais-
sance des forces mises en jeu dans
la radioactivité. Aux deux forces
fondamentales – la gravitation et la
force électromagnétique –, qui ren-
daient compte de tous les phénomè-
nes connus à la fin du XIX
e
siècle,
viennent s’ajouter deux nouvelles
forces. C’est, tout d’abord, l’inter-
action forte, qui lie les protons entre
eux, les neutrons entre eux et les
protons aux neutrons, et qui est
ainsi responsable de la cohésion des
noyaux. Mais cette interaction est
incapable d’expliquer la transforma-
tion d’un neutron en proton qui se
produit dans la radioactivité â
–
et il
faudra introduire une quatrième
force, baptisée interaction faible,
pour rendre compte de cette trans-
formation. En 1934, le Japonais
Hideki Yukawa formulera la pre-
mière théorie de l’interaction forte,
et l’Italien Enrico Fermi celle de
l’interaction faible. Cette dernière
intégrait l’existence du neutrino,
particule neutre presque indétecta-
ble, émise en même temps que
l’électron dans la radioactivité â,et
dont W. Pauli avait émis l’hypo-
thèse quelques années auparavant.
Ces deux nouvelles forces, et cette
seconde particule élémentaire, le
neutrino, actuellement chef de file
des leptons neutres, constituaient les
bases de la physique des particules
moderne. Il restera cependant, à la
fin des années 60, à découvrir les
quarks...
Deux autres découvertes impor-
tantes ont marqué ces années 30, et
parachevé les succès de la physique
nucléaire avant que n’éclate le se-
cond conflit mondial. C’est, tout
d’abord, en 1934, la première syn-
thèse d’un isotope radioactif par
Irène et Frédéric Joliot-Curie, bapti-
sée « découverte de la radioactivité
artificielle », et qui ouvrira la voie à
la production ultérieure de plus de
2 000 isotopes différents, dont cer-
tains trouveront des applications
scientifiques, médicales, ou indus-
trielles. C’est, peu de temps après,
la découverte, en 1939, du phéno-
mène de fission, libérateur de gran-
des quantités d’énergie, et dont on
connaît les applications militaires et
industrielles.
La découverte de la radioactivité
va faire progresser toutes les scien-
ces. A la chimie, elle apportera une
pléiade de nouveaux éléments, dont
le polonium et le radium ne sont
que les précurseurs. En ce qui
concerne ce dernier élément, le ra-
dium, Marie Curie en isolera une
quantité pondérable et le purifiera
suffisamment pour qu’Eugène
Demarçay puisse en obtenir un
spectre optique, ce qui établira défi-
nitivement son identité en tant
qu’élément chimique. Pour cet ex-
ploit, Marie Curie recevra le prix
Nobel de chimie, en 1911. Peu
après, l’exploration de la structure
de l’atome conduira Henry Moseley
à donner un sens physique à la clas-
sification de Mendeleïev : le numéro
atomique (numéro de la case dans le
tableau) est égal au nombre d’élec-
trons de l’atome de l’élément, c’est-
à-dire au nombre de protons de son
noyau. A la même époque, F. Soddy
met en évidence les isotopes (du
grec iso (même) et topos (place),
atomes dont le noyau possède le
même nombre de protons, mais des
nombres de neutrons différents, et
qui occupent donc la même case du
Tableau de Mendeleïev. Cette nou-
velle avancée ouvrira le monde de
la chimie isotopique, des traceurs et
des molécules marquées, ce dernier
domaine se développant surtout
après la découverte de la radioa-
ctivité artificielle.
Traceurs radioactifs et molécules
marquées s’avéreront être des outils
extrèmement efficaces pour les re-
cherches en biologie animale et en
biologie végétale. Le développe-
ment de la biologie moléculaire, et
la formidable percée dans les tra-
vaux sur le génome humain doivent
beaucoup à ces techniques de mar-
quage. La présence d’isotopes sta-
bles et radioactifs dans les roches
terrestres et les météorites sera
exploitée de façon très fructueuse
pour dater ces roches et étudier leur
évolution au cours des âges. Le car-
bone 14, présent dans tous les restes
organiques, et de période voisine de
5 700 ans, est devenu indispensable
pour dater des échantillons fossiles
ou des objets préhistoriques jusqu’à
50 000 ans environ. Les progrès ex-
périmentaux et théoriques de la
physique nucléaire et des particules
permettront des avancées spectacu-
laires dans la connaissance de l’uni-
vers et de ses origines.
L’ensemble de ces succès, qui
mériteraient un développement plus
détaillé, met en lumière l’impor-
tance considérable de la pluri-
disciplinarité, nécessaire à l’im-
plantation, dans une discipline,
de techniques issues d’une autre
science. De tels transferts de tech-
nologie ne peuvent se faire sans une
grande ouverture d’esprit et une
certaine abnégation des chercheurs
concernés, qui doivent accepter de
voir les techniques ou les objets de
leur recherche fondamentale passer
au service d’une autre science, avec
le cortège de problèmes humains
que de telles collaborations peuvent
engendrer.
Enfin, les applications médicales
et énergétiques de la radioactivité et
de l’atome posent de façon très
claire le problème de l’exploitation
des grandes découvertes scientifi-
ques par la société.
Les applications médicales de la
radioactivité ont été très précoces.
Dès 1900, deux chercheurs alle-
mands constatent que l’application,
sur leur peau, d’une préparation au
radium, provoque une inflammation
similaire à celle produite par les
rayons X. Peu après, Henri Becquerel,
Le centenaire de la découverte de la radioactivité
9

d’une façon fortuite, et Pierre Curie,
volontairement,observentquel’expo-
sition prolongée de la peau à une
source de radium provoque une brû-
lure allant jusqu’à l’ulcération, la
plaie ainsi créée guérissant en six
ou sept semaines. Cette observation
est publiée en 1901 dans une note
signée par les deux savants. Les
premières tentatives d’utilisation
thérapeutique de ces effets (pour dé-
truire des lésions) ont lieu fin 1901,
à l’hôpital Saint-Louis. Il faudra ce-
pendant attendre 1905 pour maîtri-
ser ces techniques nouvelles de
radiothérapie et obtenir des résultats
positifs, notamment sur les cancers
de la peau et du col de l’utérus. La
curiethérapie est née. A la veille de
la guerre de 1914, Marie Curie ob-
tient la création de l’Institut du
radium, comprenant une section de
physique, et une section de biologie
et de médecine, et, en 1919, la Fon-
dation Curie est créée sous le dou-
ble patronage de l’Institut du
radium et de l’Institut Pasteur, avec
le soutien financier d’Henri de
Rothschild. Ce centre pionnier de
radiothérapie prendra plus tard son
nom actuel d’Institut Curie.
La découverte de la radioactivité
artificielle, et l’essor des techniques
nucléaires, après la Seconde Guerre
mondiale, ouvriront la possibilité de
produire des isotopes radioactifs en
grandes quantités. La radiothérapie
bénéficiera de ces nouvelles avan-
cées, avec notamment la fameuse
« bombe au cobalt », utilisant le
cobalt 60 comme émetteur de
rayons γ, et qui devient, avec les
rayons X, l’outil majeur d’irradia-
tion externe des tumeurs, avant l’ar-
rivée massive, dans les hôpitaux,
des accélérateurs d’électrons.
Les isotopes radioactifs artificiels
vont aussi jouer un rôle important
dans l’imagerie médicale, apportant
aux rayons X de la radiographie tra-
ditionnelle et de la tomographie
(qui, associée à un ordinateur, de-
viendra le scanner), le complément
précieux de la scintigraphie (ou
gammagraphie). Pour cette dernière,
un isotope se fixant spécifiquement
dans l’organe à observer est injecté
au patient, et sa répartition au sein
de cet organe, visualisée grâce au
rayonnement gamma qu’il émet. Va-
riante de la scintigraphie, et vérita-
ble joyau de ce domaine, la caméra
à positons constitue actuellement la
pointe avancée de l’imagerie médi-
cale nucléaire.
Dans le domaine médical, comme
dans tous les domaines scienti-
fiques, la radioactivité a apporté
sans conteste des progrès considéra-
bles. Dans le domaine de la produc-
tion d’énergie, cette proposition,
toujours vraie du point de vue tech-
nique, est parfois contestée d’un
point de vue pratique, éthique, ou
sociologique. Ici encore, le cas est
exemplaire. En 1939, en découvrant
la fission, les Allemands O. Hahn et
F. Strassmann éclaircissent le mys-
tère que posait depuis quelques
temps l’étude de la capture des neu-
trons par l’uranium. Frédéric Joliot
entrevoit immédiatement la possibi-
lité d’engendrer, par fission, des
réactions en chaîne, conduisant à la
production d’énergie. Il prend les
brevets correspondants. Mais,
comme chacun sait, c’est aux Etats-
Unis que vont se développer très
vite les recherches technologiques
aboutissant à la réalisation, en 1942,
par E. Fermi, de la première pile
atomique, à Chicago, et à la mise au
point des premières bombes atomi-
ques, promptement utilisées en 1945
pour mettre fin au conflit avec le Ja-
pon. Une bombe à uranium 235 est
lancée sur Hiroshima, le 6 août, et
une bombe au plutonium sur Naga-
saki, le 9 août.
Les applications pacifiques et mi-
litaires de l’énergie nucléaire vont
désormais se développer de front
dans les pays les plus industrialisés.
La première pile atomique fran-
çaise, Zoé, qui ne produit pas
d’énergie, fonctionnera en 1948.
Actuellement, la France, avec 75 %
de son électricité provenant de réac-
teurs nucléaires, est l’un des pays
dont la politique énergétique est la
plus liée à l’électronucléaire. Ce-
pendant, comme toute activité hu-
maine, l’industrie nucléaire présente
des dangers et est source de nuisan-
ces. Les dangers sont liés au ris-
que d’accidents dans les centrales,
Figure 1 - Henri Becquerel dans son labora-
toire. Photo : Association Curie et Joliot Curie
DR.
Figure 2 - Pierre et Marie Curie dans leur la-
boratoire. Photo : Association Curie et Joliot
Curie DR.
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ceux-ci pouvant atteindre, en pre-
mier lieu, les personnels qui y tra-
vaillent, mais aussi, par rejet de radio-
activité vers l’extérieur, toute la
population. L’accident majeur sur-
venu en 1986, à Tchernobyl, est
dans toutes les mémoires. Dans les
pays occidentaux, ces risques sont
pris très au sérieux, et de grands
moyens sont consacrés à la sûreté
nucléaire. Cependant, cela ne suffit
pas toujours à rassurer la popula-
tion. D’autant plus qu’à ce pro-
blème s’ajoute celui de la gestion
des déchets nucléaires, dont certains
peuvent être très radioactifs.
Ces risques technologiques, diffi-
ciles à évaluer par le commun des
mortels, et l’existence d’armes nu-
cléaires terrifiantes, abondamment
construites pendant l’escalade de la
guerre froide, rendent l’opinion pu-
blique pour le moins ambivalente
par rapport à la production d’éner-
gie nucléaire. Et cette ambivalence
peut se prolonger en direction des
découvertes scientifiques, et de la
science elle-même. Elle aboutit,
directement ou non, à poser la ques-
tion de la responsabilité des cher-
cheurs. La découverte de la radio-
activité a-t-elle eu des conséquences
plus bénéfiques que malheureuses ?
Si la réponse est oui aujourd’hui,
serait-elle la même si de nombreux
accidents du type Tchernobyl surve-
naient dans l’avenir, ou si la sagesse
des nations devenait insuffisante
pour leur éviter un conflit nu-
cléaire ? Bien entendu les problè-
mes ainsi soulevés ne sont pas par-
ticuliers à la radioactivité, et se
posent pour toutes les découvertes
majeures. La possibilité actuelle de
manipulations génétiques, dues aux
grandes avancées récentes dans ce
domaine, constitue un autre exem-
ple tout aussi frappant. Mais, avec
un recul de cent ans, compte tenu
de l’étendue inégalée de ses consé-
quences, dont l’accroissement fan-
tastique de la puissance mise à la
disposition de l’Homme, la décou-
verte de la radioactivité constitue un
sujet de réflexion exceptionnel, et la
célébration de son centenaire, de
1996 à 1998, est une excellente op-
portunité pour développer cette
réflexion.
POUR EN SAVOIR PLUS
Noyaux atomiques et radioactivité,
dossier Pour la Science (octobre
1996).
Histoire naturelle de la radioacti-
vité, Catalogue de l’exposition, Mu-
séum national d’histoire naturelle, Pa-
ris (1996).
La radioactivité et ses applications,
Tuliana (M.), Dautray (R.), Que
sais-je ? n° 33 PUF (1996).
Les rayonnements nucléaires, Rad-
vanyi (P.),Que sais-je ? n° 844 PUF
(1995).
Environnement et radioactivité,
Chassard-Bouchaud (C.), Que sais-
je ? n° 2797 PUF (1993).
Centenaire de la Découverte de la Radioactivité :
Secrétariat général : René Bimbot, Institut de physique nucléaire
91406 Orsay Cedex
RENSEIGNEMENTS :
Minitel : 3615 CENTRAD – Répondeur : 01 69 07 07 28 – Fax : [phone]
Internet : http // www.centenaire.jussieu.Fr / radioactivite
Conférences et actions pédagogiques : Tél . [phone]
Le centenaire de la découverte de la radioactivité
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