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DÉCOUVERTES SCIENTIFIQUES LES PLUS IMPORTANTES
radioactivité artificielle. Histoire et essence de la découverte scientifique
Annuaire / Les découvertes scientifiques les plus importantes La radioactivité artificielle a été découverte par le couple Irène (1897-1956) et Frédéric (1900-1958) Joliot-Curie. Le 15 janvier 1934, leur note est présentée par J. Perrin lors d'une réunion de l'Académie des sciences de Paris. Irène et Frederick ont pu établir qu'après bombardement par des particules alpha, certains éléments légers - magnésium, bore, aluminium - émettent des positrons. Ensuite, ils ont tenté d'établir le mécanisme de cette émission, qui différait par sa nature de tous les cas de transformations nucléaires connus à cette époque. Les scientifiques ont placé une source de particules alpha (polonium) à une distance d'un millimètre d'une feuille d'aluminium. Ils l’ont ensuite exposée aux radiations pendant environ dix minutes. Un compteur Geiger-Muller a montré que la feuille émet un rayonnement dont l'intensité diminue de façon exponentielle avec le temps, avec une demi-vie de 3 minutes 15 secondes. Dans les expériences avec le bore et le magnésium, les demi-vies étaient respectivement de 14 et 2,5 minutes. Mais dans des expériences 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, aucun phénomène de ce type n'a été trouvé. Néanmoins, les Joliot-Curie ont conclu que le rayonnement provoqué par le bombardement d'atomes d'aluminium, de magnésium et de bore ne pouvait s'expliquer par la présence d'aucune impureté dans la préparation de polonium. "Une analyse du rayonnement du bore et de l'aluminium dans une chambre à brouillard a montré", écrivent K. Manolov et V. Tyutyunnik dans leur livre "Biography of the Atom", qu'il s'agit d'un flux de positrons. avec un phénomène nouveau et sensiblement différent de tous les cas connus de transformations nucléaires. Les réactions nucléaires connues jusqu'alors étaient de nature explosive, tandis que l'émission d'électrons positifs par certains éléments légers soumis à une irradiation aux rayons alpha du polonium se poursuit pendant un certain temps plus ou moins long après le retrait de la source de rayons alpha, le bore par exemple, ce temps atteint une demi-heure. Les Joliot-Curie sont arrivés à la conclusion qu'il s'agissait ici de radioactivité réelle, se manifestant par l'émission d'un positron. De nouvelles preuves étaient nécessaires et, surtout, il fallait isoler l'isotope radioactif correspondant. Bâtir sur la recherche Rutherford et Cockcroft, Irène et Frédéric Joliot-Curie ont pu établir ce qui arrive aux atomes d'aluminium lorsqu'ils sont bombardés de particules alpha de polonium. Premièrement, les particules alpha sont capturées par le noyau d'un atome d'aluminium, dont la charge positive augmente de deux unités, à la suite de quoi il se transforme en noyau d'un atome de phosphore radioactif, appelé radiophosphore par les scientifiques. Ce processus s'accompagne de l'émission d'un neutron, c'est pourquoi la masse de l'isotope résultant n'augmente pas de quatre, mais de trois unités et devient égale à 30. L'isotope stable du phosphore a une masse de 31. "Radiophosphore" avec une charge de 15 et une masse de 30 se désintègre avec une demi-vie de 3 minutes 15 secondes, émettant un positron et devenant un isotope stable du silicium. La seule et incontestable preuve que l'aluminium se transforme en phosphore puis en silicium de charge 14 et de masse 30 ne pouvait être que l'isolement de ces éléments et leur identification grâce à leurs réactions chimiques qualitatives caractéristiques. Pour tout chimiste travaillant avec des composés stables, c'était une tâche simple, mais pour Irene et Frederick, la situation était complètement différente : les atomes de phosphore qu'ils ont obtenus ont duré un peu plus de trois minutes. Les chimistes disposent de nombreuses méthodes pour détecter cet élément, mais elles nécessitent toutes de longs dosages. Dès lors, l'avis des chimistes était unanime : il est impossible d'identifier le phosphore en si peu de temps. Cependant, les Joliot-Curie n'ont pas reconnu le mot "impossible". Et bien que cette tâche "insoluble" ait nécessité un surmenage, de la tension, une dextérité virtuose et une patience sans fin, elle a été résolue. Malgré le rendement extrêmement faible des produits de transformations nucléaires et la masse absolument négligeable de la substance qui a subi la transformation - seulement quelques millions d'atomes, il a été possible d'établir les propriétés chimiques du phosphore radioactif résultant. La découverte de la radioactivité artificielle fut immédiatement considérée comme l'une des plus grandes découvertes du siècle. Avant cela, la radioactivité inhérente à certains éléments ne pouvait pas être causée, détruite ou modifiée d'une manière ou d'une autre par l'homme. Les Joliot-Curie ont été les premiers à provoquer artificiellement la radioactivité en obtenant de nouveaux isotopes radioactifs. Les scientifiques entrevoyaient la grande portée théorique de cette découverte et la possibilité de ses applications pratiques dans le domaine de la biologie et de la médecine. Dès l'année suivante, les découvreurs de la radioactivité artificielle, Irène et Frédéric Joliot-Curie, reçoivent le prix Nobel de chimie. Poursuivant ces études, le scientifique italien Fermi a montré que le bombardement neutronique induit une radioactivité artificielle dans les métaux lourds. Enrico Fermi (1901-1954) est né à Rome. Même enfant, Enrico a montré une grande aptitude pour les mathématiques et la physique. Ses connaissances exceptionnelles dans ces sciences, acquises principalement par autodidacte, lui permettent d'obtenir une bourse en 1918 et d'entrer à l'École normale supérieure de l'Université de Pise. Ensuite, Enrico a reçu un poste temporaire en tant que professeur de mathématiques pour les chimistes à l'Université de Rome. En 1923, il part en voyage d'affaires en Allemagne, à Göttingen, pour Max Né. De retour en Italie, Fermi travaille de janvier 1925 à l'automne 1926 à l'Université de Florence. Ici, il reçoit son premier diplôme de "professeur associé libre" et, surtout, crée son célèbre ouvrage sur les statistiques quantiques. En décembre 1926, il prit le poste de professeur à la nouvelle chaire de physique théorique de l'Université de Rome. Ici, il a organisé une équipe de jeunes physiciens: Rasetti, Amaldi, Segre, Pontecorvo et d'autres, qui ont constitué l'école italienne de physique moderne. Lorsque la première chaire de physique théorique a été créée à l'Université de Rome en 1927, Fermi, qui a réussi à acquérir un prestige international, en a été élu à la tête. Ici, dans la capitale italienne, Fermi a rassemblé autour de lui plusieurs scientifiques éminents et a fondé la première école de physique moderne du pays. Dans les cercles scientifiques internationaux, il a commencé à s'appeler le groupe Fermi. Deux ans plus tard, Fermi a été nommé par Benito Mussolini au poste honorifique de membre de la nouvelle Académie royale d'Italie. En 1938, Fermi reçoit le prix Nobel de physique. La décision du comité Nobel a déclaré que le prix a été décerné à Fermi "pour la preuve de l'existence de nouveaux éléments radioactifs obtenus par irradiation avec des neutrons et la découverte de réactions nucléaires causées par des neutrons lents". Enrico Fermi apprit immédiatement la radioactivité artificielle, au printemps 1934, dès que les Joliot-Curie publièrent leurs résultats. Fermi a décidé de répéter les expériences Joliot-Curie, mais en procédant d'une manière complètement différente, en utilisant des neutrons comme particules de bombardement. Fermi a expliqué plus tard les raisons de la méfiance des neutrons par d'autres physiciens et sa propre conjecture : "L'utilisation de neutrons comme particules de bombardement souffre d'un inconvénient : le nombre de neutrons qui peuvent être pratiquement éliminés est incommensurablement inférieur au nombre de particules alpha obtenues à partir de sources radioactives, ou au nombre de protons et de deutons accélérés dans des dispositifs à haute tension. Mais cet inconvénient est partiellement compensé par la plus grande efficacité des neutrons à conduire des "transformations nucléaires artificielles". éléments qui peuvent être activés par d'autres types de particules." Au printemps 1934, Fermi commença à irradier des éléments avec des neutrons. Les "canons à neutrons" de Fermi étaient de petits tubes de quelques centimètres de long. Ils étaient remplis d'un "mélange" de poudre de béryllium finement dispersée et d'émanation de radium. Voici comment Fermi a décrit l'une de ces sources de neutrons : "C'était un tube de verre mesurant seulement 1,5 cm... dans lequel se trouvaient des grains de béryllium ; avant de sceller le tube, il fallait y introduire une certaine quantité d'émanation de radium. Les particules alpha émises par le radon entrent en collision en grand nombre avec des atomes de béryllium et donner des neutrons... L'expérience se déroule comme suit. A proximité immédiate de la source de neutrons, une plaque d'aluminium ou de fer, ou en général de l'élément que l'on souhaite étudier, est placée et laissée plusieurs minutes, heures ou jours (selon les cas). Les neutrons émis par la source entrent en collision avec les noyaux de matière. Dans ce cas, de nombreuses réactions nucléaires de divers types ont lieu ... " Comment tout cela s'est-il passé dans la pratique ? L'échantillon à l'étude a été soumis à une exposition intense à une irradiation neutronique pendant une durée spécifiée, puis l'un des employés de Fermi a littéralement envoyé l'échantillon à un compteur Geiger-Muller situé dans un autre laboratoire et a enregistré les impulsions du compteur. Après tout, de nombreux nouveaux radio-isotopes artificiels ont été de courte durée. Dans la première communication, datée du 25 mars 1934, Fermi rapporte qu'en bombardant de l'aluminium et du fluor, il obtient des isotopes de sodium et d'azote qui émettent des électrons (et non des positrons, comme chez Joliot-Curie). La méthode de bombardement neutronique s'est avérée très efficace, et Fermi a écrit que cette efficacité de fission élevée « compense complètement la faiblesse des sources de neutrons existantes par rapport aux sources de particules alpha et de protons ». En fait, on savait beaucoup de choses. Les neutrons sont entrés dans le noyau de l'atome allumé, le transformant en un isotope instable, qui s'est désintégré et émis spontanément. Dans ce rayonnement réside l’inconnu : certains des isotopes produits artificiellement émettaient des rayons bêta, d’autres des rayons gamma et d’autres encore des particules alpha. Chaque jour, le nombre d'isotopes radioactifs obtenus artificiellement augmentait. Chaque nouvelle réaction nucléaire devait être comprise afin de comprendre les transformations complexes des atomes. Pour chaque réaction, il était nécessaire d'établir la nature du rayonnement, car ce n'est qu'en le connaissant que l'on peut imaginer le schéma de désintégration radioactive et prédire l'élément qui sera obtenu dans le résultat final. Puis ce fut le tour des chimistes. Ils devaient identifier les atomes résultants. Cela a également pris du temps. Avec son "canon à neutrons", Fermi a bombardé du fluor, de l'aluminium, du silicium, du phosphore, du chlore, du fer, du cobalt, de l'argent et de l'iode. Tous ces éléments étaient activés et, dans de nombreux cas, Fermi pouvait indiquer la nature chimique de l'élément radioactif résultant. Il réussit à activer 47 des 68 éléments étudiés par cette méthode. Fort de son succès, il entreprend, en collaboration avec F. Rasetti et O. D'Agostino, le bombardement neutronique des éléments lourds : thorium et uranium. "Des expériences ont montré que les deux éléments, préalablement purifiés des impuretés actives habituelles, peuvent être fortement activés lorsqu'ils sont bombardés de neutrons." Le 22 octobre 1934, Fermi fait une découverte fondamentale. En plaçant un coin de paraffine entre la source de neutrons et le cylindre d'argent activé, Fermi a remarqué que le coin ne diminuait pas l'activité des neutrons, mais l'augmentait légèrement. Fermi a conclu que cet effet était apparemment dû à la présence d'hydrogène dans la paraffine et a décidé de tester comment un grand nombre d'éléments contenant de l'hydrogène affecterait l'activité de séparation. Après avoir réalisé l'expérience d'abord avec de la paraffine, puis avec de l'eau, Fermi a constaté une augmentation de l'activité des centaines de fois. Les expériences de Fermi ont révélé l'énorme efficacité des neutrons lents. Mais, en plus de résultats expérimentaux remarquables, Fermi a réalisé la même année des réalisations théoriques remarquables. Déjà dans le numéro de décembre 1933, ses réflexions préliminaires sur la désintégration bêta ont été publiées dans une revue scientifique italienne. Au début de 1934, son article classique "Sur la théorie des rayons bêta" a été publié. Le résumé de l'article par l'auteur se lit comme suit : "Une théorie quantitative de la désintégration bêta basée sur l'existence de neutrinos est proposée : dans ce cas, l'émission d'électrons et de neutrinos est considérée par analogie avec l'émission d'un quantum de lumière par un atome excité dans théorie du rayonnement. Des formules sont dérivées de la durée de vie du noyau et de la forme du spectre continu des rayons bêta ; les formules obtenues sont comparées à l'expérience". Fermi dans cette théorie a donné vie à l'hypothèse du neutrino et au modèle proton-neutron du noyau, acceptant également l'hypothèse du spin isotonique proposée par Heisenberg pour ce modèle. Sur la base des idées exprimées par Fermi, Hideki Yukawa a prédit en 1935 l'existence d'une nouvelle particule élémentaire, maintenant connue sous le nom de pi-méson, ou pion. Commentant la théorie de Fermi, F Razetti écrit : "La théorie qu'il a construite sur cette base s'est avérée capable de résister presque sans changement à deux décennies et demie du développement révolutionnaire de la physique nucléaire. On pourrait remarquer qu'une théorie physique naît rarement en une telle forme finale." Auteur : Samin D.K.
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