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Sciences physiques

1895-1905 : la décennie prodigieuse


Au cœur de la « Belle Époque », la physique a été en dix ans totalement bouleversée. Les certitudes du XIXe siècle volent en éclats à la suite d’une succession de découvertes fondamentales qui mettent en effervescence les laboratoires de toute l'Europe occidentale. Elles amènent pour la première fois sur le devant de la scène de grandes figures de savants : Perrin, Thomson, Röntgen, Becquerel, Pierre et Marie Curie, Rutherford, Planck, Einstein etc.

Les scientifiques doivent alors renoncer à des dogmes bien ancrés : non seulement ils découvrent que l’atome n'est pas indestructible mais ils doivent aussi admettre l’existence de rayonnements naturels qui donneront naissance à la radiographie et à l'industrie nucléaire.

Ces découvertes vont jouer un rôle clé au XXe siècle et changer en profondeur l’économie, la vie quotidienne et l'art militaire (ce dont il ne faut pas forcément se réjouir).

Section polie d'uranite (ou pechblende). La partie en noir est de la pechblende pure. Les hydroxydes (jaunes) d'uranium constituent l'altération de la pechblende. Echantillon poli pour l'expérience de Becquerel. Provenance : La Commanderie, Vendée, France.

La science physique sens dessus-dessous

À la fin du XIXe siècle, les machines à vapeur commencent à remplacer les animaux et les trains éclipsent peu à peu les diligences… Le monde change mais pas les certitudes des physiciens. Au contraire même : ils ont le sentiment d’être parvenus au terme de leur quête. Ils ont dissipé les mystères entourant les phénomènes naturels et découvert les mécanismes cachés au coeur de la matière.

Cinq ans à peine avant 1900, il était encore admis que la masse des corps était invariable, que l’intensité lumineuse variait de façon continue, que le temps était le même en tout point de l’espace et que l’atome était (pour ceux qui croyaient à son existence) la plus petite particule envisageable.

Dix ans plus tard : la masse peut se transformer en énergie. Planck et Einstein ont quantifié la lumière, Einstein a muni les planètes d’horloges différentes selon leur vitesse et une particule plus de mille fois plus légère que l’atome le plus léger a été découverte : l’électron...

Désormais, il est possible de quantifier la charge électrique (découverte de l’électron), la matière (les atomes), et l’énergie (physique quantique) ! Une nouvelle échelle des distances est adoptée - celle de l’atome – qui révèle un monde aux comportements si contre-intuitifs que tout est à inventer. La physique quantique mettra d’ailleurs plus d'un demi-siècle à constituer un corpus cohérent.

Cette décennie prodigieuse va chambouler de fond en comble les certitudes scientifiques. Elle débute avec la découverte d’un rayonnement étrange : les rayons X ou rayons de Röntgen. Ils émanent d’un autre rayonnement, les rayons cathodiques, dont on commence à comprendre la nature.

Appareil utilisé pour découvrir l'électron.

Jean Perrin et Joseph John Thomson découvrent l’électron

Encore au début du XXIe siècle, nos téléviseurs et nos écrans d’ordinateur utilisaient des « tubes cathodiques » qui émettent des électrons qu’on dirige vers les divers points de l’écran grâce à un champ magnétique ou électrique.

On connaissait depuis le milieu du XIXe siècle la possibilité de faire passer un courant électrique dans un tube où l’on a fait le vide sous l’effet d’une haute tension électrique. Mais, faute de connaître l'existence de l'électron, on en ignorait la raison. On savait seulement que la cathode émettait des rayons appelés cathodiques car on pouvait les détecter avec une plaque photographique ou un écran fluorescent.

En 1895, le jeune Jean Perrin qui, à 25 ans, vient de sortir de l’École Normale Supérieure, présente une communication à l’Académie des sciences (*) : « On a imaginé deux hypothèses pour expliquer les propriétés des rayons cathodiques », dit-il. « Les uns (…) pensent que (…) c’est une lumière, à courte longueur d’onde (…) D’autres (…) pensent que ces rayons sont formés par de la matière chargée négativement. » 

Jean-Baptiste Perrin en 1908, Prix Nobel de physique 1926 (30 septembre 1870, Lille ; 17 avril 1942, New York)Pour démontrer que la deuxième hypothèse est la bonne, Perrin fait entrer les rayons dans une boîte métallique reliée à un électroscope, qui se charge en effet d’électricité négative.

Au cours des années suivantes, le Britannique Joseph John Thomson précise encore la nature des rayons cathodiques. Ils sont formés de « corpuscules » qu’il décrit dans la conférence qu’il fait à Stockholm en 1906 quand le prix Nobel lui est décerné : les corpuscules sont à peu près 1700 fois moins lourds que l’atome d’hydrogène.

De nos jours, ces corpuscules sont appelés électrons et nous savons que leur masse est 1836 fois plus faible que celle du proton. Ainsi, la première particule élémentaire a été identifiée aux environs de 1900 ! Une découverte qui induit aussitôt que les atomes, eux, sont des particules complexes, contenant des électrons.

Joseph J. Thomson au laboratoire Cavendish vers 1900.En 1903, Thomson propose le modèle plum-pudding de l’atome qu'il présente comme une sphère de charges positives avec les électrons dispersés entre elles, à l'instar des prunes dispersées dans un pudding.

Puis, en 1904, le Japonais Hantaro Nagaoka avance un modèle alternatif dans lequel la charge positive est concentrée dans un noyau entouré d’électrons qui forment un anneau analogue à celui de Saturne.

Ce modèle est amélioré par Rutherford, mais aussi par Niels Bohr en 1913 qui y introduit des éléments de physique quantique. Après les travaux de Thomson, la nature des rayons cathodiques est désormais bien comprise. Mais ces rayons ont engendré d’autres rayons mystérieux...

Röntgen découvre les rayons X

Wilhelm Röntgen, après ses études de physique au Polytechnicum de Zürich (où étudiera plus tard aussi Albert Einstein), devient professeur à l’université de Würzburg en 1894, et un an plus tard, le voilà recteur. Cette fonction lui laisse du temps libre qu’il met à profit pour faire des expériences. Ainsi découvre-t-il les rayons X.

Néanmoins, des réserves apparaissent devant ce rayonnement qui traverse le corps ! Les rayons X sont alors jugés indécents puisqu’on peut voir au travers des vêtements. Ces appareils sont même interdits dans certaines salles de bal ! Ils font toutefois florès sur les foires et chez les marchands de chaussures.

Du fait des applications médicales, le premier prix Nobel de physique de l’histoire est décerné en 1901 à W. C. Röntgen. 

« Wilhem Conrad Röntgen dans son atelier en 1900 », Mémorial Röntgen, Würzburg, Allemagne.

En France, en 1896, un savant s’intéresse beaucoup à la découverte de Röntgen : c’est Henri Poincaré, éminent mathématicien et professeur de Physique Mathématique à la Sorbonne. Né à Nancy, c'est le cousin germain du futur président de la République Raymond Poincaré.

Henri Poincaré (29 avril 1854, Nancy ; 17 juillet 1912, Paris)Le 20 janvier, il fait un exposé à l’Académie des sciences sur les rayons X devant un auditeur attentif qui s’appelle Henri Becquerel.

Nous ne connaissons pas son discours, mais la même année paraît dans la Revue générale des sciences, un article de Poincaré qui peut en donner une idée : « Ainsi c'est le verre qui émet les rayons Röntgen et il les émet en devenant fluorescent. Ne peut-on alors se demander si tous les corps dont la fluorescence est suffisamment intense n'émettent pas, outre les rayons lumineux, des rayons X de Röntgen, quelle que soit la cause de leur fluorescence ? » La suggestion, qui résulte d’une idée fausse (car les rayons X sont émis par l’anode et non par le verre), aboutit par un heureux hasard à une découverte majeure.

Henri Becquerel découvre la radioactivité

Henri Becquerel (15 décembre 1852 , Paris ; 25 août 1908, Le Croisic)En 1896, Henri Becquerel a 44 ans et siège à l’Académie des sciences depuis 1889.

Il s’intéresse en particulier à la phosphorescence. Un corps phosphorescent est un corps qui, quand on l’éclaire, absorbe de l’énergie et restitue la lumière avec une autre couleur au bout d’un temps plus ou moins long.

Après l’exposé de Poincaré, Becquerel décide d’étudier un matériau phosphorescent particulier : le sulfate double d’uranium et de potassium. Et il s’aperçoit que la phosphorescence de ce matériau a des propriétés surprenantes. 

Après plusieurs mois, il constate qu’il ne s’agit pas de phosphorescence, mais d’une propriété nouvelle due à l’uranium. Trois ans plus tard, ce phénomène sera connu sous le néologisme de radioactivité.

Toutefois, les « rayons uraniques » proviennent-ils seulement de l’uranium ? Une jeune femme de 30 ans, Maria Skłodowska, devenue en 1895 Marie Curie, en doute. En deux ans, elle va faire une extraordinaire série de découvertes : elle montre d’abord que le thorium est tout aussi radioactif que l’uranium, ce qui incite Pierre, son mari, à abandonner le magnétisme et à consacrer son expérience et ses instruments à la science nouvelle.

Ensemble ils découvrent deux éléments nouveaux, très radioactifs. L’un d’eux est le radium. L’autre est baptisé polonium : un manifeste politique, car la Pologne officiellement n’existe plus et Varsovie, la ville natale de Marie, fait partie de l’empire russe.

En 1903, le prix Nobel est décerné à Henri Becquerel, Pierre Curie et Marie Curie, laquelle devient la première femme récompensée par ce prix. Entre-temps, la radioactivité a cessé d’être une spécialité française et permet à un jeune physicien britannique nommé Ernest Rutherford (1871-1937) de faire de brillants débuts. Il montre que le rayonnement uranique, devenu rayonnement de Becquerel, comporte au moins deux sortes de rayons qu’il baptise α et β.

Des résultats expérimentaux venus des quatre coins du monde (Paris, Vienne, Montréal…) permettent, en quelques années, de découvrir une troisième sorte de rayons qu’on appellera γ, et de caractériser les propriétés des différents rayonnements : les rayons α et β sont déviés de manière opposée par un champ électrique ou magnétique alors que les rayons γ ne sont pas déviés...

En 1902, Rutherford et Soddy avancent l’idée révolutionnaire que la radioactivité désintègre les atomes et donne naissance à d’autres éléments. Le prix Nobel de chimie est attribué à Rutherford en 1908 « pour ses recherches sur la désintégration des éléments et la chimie des substances radioactives ». (...)

[Suite et fin de la décennie prodigieuse]

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Publié ou mis à jour le : 2017-09-15 17:09:48

Les commentaires des Amis d'Herodote.net

Les commentaires sur cet article :

Erik (14-09-201709:58:36)

C'est peut etre de la vulgarisation mais j'ai quand meme pas tout compris. 😯

Jean-Marie Paumier (10-09-201711:10:22)

Merci au site Herodote de publier cet article de vulgarisation scientifique remarquable qui nous change de l'imbécilité médiatique.

Jean marc duval (05-09-201720:19:47)

Très bonne vulgarisation de la physique. Bravo


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