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.

Les évidences les plus élémentaires n'échappent pas à ce bouleversement sans précédent. On pensait que la lumière était un champ électromagnétique continu et voilà qu’elle apparaît quantifiée, c’est-à-dire discontinue ! Le temps lui-même cesse d’être un concept absolu : il dépend de l’espace dans lequel on le mesure.

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).

Jean-Pierre Gaspard et Jacques Villain

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.

Le triomphe éphémère des certitudes

L’éminent savant Albert Abraham Michelson (dont nous reparlerons) déclarait encore en 1894 : « … il semble que la plupart des grands principes sous-jacents ont été fermement établis et que de futures avancées soient à trouver principalement dans l’application rigoureuse de ces principes… ». À la même époque, William Thomson, plus connu sous le nom de Lord Kelvin, physicien britannique renommé pour ses travaux en thermodynamique, tenait des propos similaires. En 1903, toujours aussi catégorique, Michelson concluait : « Les lois et faits les plus importants de la science physique ont tous été découverts, et ils sont maintenant si fermement établis que la possibilité qu'ils puissent être remis en cause à la suite de nouvelles découvertes est excessivement faible » (note).

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.

Tout semble conforter cette conviction : le mouvement des planètes obéit bien à la loi de l’attraction universelle proposée par Newton, l’électricité se conforme aux lois de Coulomb tandis que Fresnel puis Maxwell finissent par établir que les phénomènes lumineux sont des vibrations électromagnétiques. 

Toutes ces certitudes si fermement établies vont être brutalement balayées, provoquant des révisions déchirantes... 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 (note) : « 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.

La première radiographie de l'Histoire

En 1895, les recherches sur les rayons cathodiques passionnent les physiciens, dont Röntgen. Ces rayons s’obtiennent en accélérant sous une haute tension (quelques milliers de volts) des électrons dans un tube de verre dénommé tube de Crookes contenant un gaz sous faible pression. Ils sont absorbés par l’ampoule de verre. Les expériences se font dans une relative obscurité et Röntgen a pris soin d'entourer son tube d’un papier noir. Il observe qu’un écran fluorescent s’éclaire lors de la décharge électrique. Un rayonnement est donc produit, peu absorbé par les matériaux utilisés (verre, papier, bois...).
Expérimentateur consciencieux, il refait ses expériences de nombreuses fois, y compris après le dîner, allant même jusqu’à dormir dans son laboratoire, ce qui inquiète fort son épouse. Pour la rassurer, il l’emmène dans son laboratoire, lui (re)demande sa main et… effectue ainsi la première radiographie. Une photo devenue très célèbre depuis !
Toutefois, toutes les tentatives de Röntgen de déterminer la nature de ce rayonnement restent vaines : la pesanteur, le champ électrique, le champ magnétique ou encore les dispositifs classiques d’optique n’ont aucun effet sur ce rayonnement. Il le nomme donc rayons X, x désignant souvent une inconnue en algèbre.
Le 28 décembre 1895, il publie un article intitulé : « Sur un nouveau type de rayonnement » (« Über eine neue Art von Strahlen » ), Comptes-rendus de la société de médecine physique de Würzburg, p.132, 1895). Le succès est foudroyant : très rapidement la radiographie devient une technique de diagnostic médical (par exemple pour des fractures) et même de thérapie.

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. Pas rancunier pour un pfennig, il reverse la totalité du montant de son prix à son université qui lui avait pourtant refusé un poste d’assistant au tout début de sa carrière. 

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

Pendant 17 ans, la situation n’évolue guère : les rayons X sont de plus en plus utilisés en médecine, mais leur nature reste inconnue. À cette époque, un rayonnement devait être soit particulaire soit ondulatoire (la lumière visible restant à déterminer). En 1912, une équipe de physiciens de Munich (M. von Laue, W. Friedrich et P. Knipping) tente à tout hasard une expérience de diffraction des rayons X par un cristal de sulfure de zinc.

Elle montre que les rayons X sont un rayonnement électromagnétique, donc analogue à la lumière visible, mais de courte longueur d’onde, mille fois plus courte que celle de la lumière visible (qui est d’environ 1/2 millième de millimètre). Les rayons X ont une longueur d’onde encore dix mille fois plus petite, comparable aux distances interatomiques.

Sur cette base, un an plus tard, William Lawrence Bragg (23 ans), qui travaille avec son père (note) sur les rayons X, réalise que c'est une fantastique méthode de détermination de la position des atomes dans les structures cristallines. Cette observation inaugure la grande aventure de la radiocristallographie ou cristallographie avec les rayons X.

Diffraction rayons X

Cette technique ne va cesser de se développer, de l’étude des structures des cristaux simples jusqu’à celles des molécules d’intérêt biologique comme les protéines, en passant par l’ADN. Les sources extrêmement intenses de rayons X appelées synchrotrons jouent un rôle capital dans ces développements (note). Il s'ensuit que les mystérieux rayons de Röntgen ont été la clé d’une vingtaine de prix Nobel au cours des XXe et XXIe siècles !

Henri Poincaré (29 avril 1854, Nancy ; 17 juillet 1912, Paris)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.

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. La plupart de ses articles concernent l’optique. 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.

Le mystérieux rayonnement de l'uranium

En cette année 1896, chaque semaine, ou chaque mois, Becquerel se rend à l’Académie des sciences annoncer ses derniers progrès. Et il les consigne par écrit dans les Comptes Rendus de l’Académie des sciences. Chacun peut, aujourd’hui encore, les y découvrir (note).
Dans les trois premières communications de l’hiver 1896, Becquerel annonce que son sulfate d’uranium émet des radiations capables de traverser un papier opaque à la lumière, voire même une feuille d’aluminium ou de cuivre, et d’agir sur une plaque photographique. Elles ont la propriété de décharger les corps électrisés. Le phénomène est attribué à une « phosphorescence », qui donnerait naissance à des radiations invisibles, contrairement à la phosphorescence habituelle qui est une émission de lumière.
Dans la quatrième communication, le 25 mars, le titre n’évoque plus la phosphorescence, mais les « radiations invisibles émises par les sels d’uranium ». Becquerel compare le rayonnement de son sulfate double avec celui de matériaux phosphorescents dénués d’uranium et avec celui de composés d’uranium non phosphorescents.
Pour le lecteur moderne, la conclusion est claire : ce rayonnement est lié à l’uranium et non à la phosphorescence. Le savant commence à le comprendre, mais il a du mal à imaginer qu’il est en train de découvrir un rayonnement totalement nouveau. « Il y a là », conclut-il, « un fait très curieux dont les expériences ultérieures nous donneront peut-être l’explication ».
Après une cinquième communication, où il se demande (sans apporter de réponse bien claire) si les « radiations invisibles émises par les sels d’uranium » ne seraient pas identiques aux rayons X découverts un an plus tôt par Röntgen, c'est au cours de la sixième communication, à la fin du printemps 1896, que Becquerel admet qu’il ne s’agit pas de phosphorescence.
En effet, l’uranium métallique émet une radiation encore plus intense que ses sels, même après être resté deux mois à l’abri de la lumière. On a donc affaire à des « radiations nouvelles » caractéristiques de l’uranium. À l’automne 1896, elles sont donc baptisées rayons uraniques.

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.

« Monsieur et Madame Curie finissant la préparation du radium », André Castaigne, illustration. Ce dessinateur français a a illustré « The Wonders of Radium » (« Les Merveilles du Radium ») de Cleveland Moffett dans « McClure's Magazine », Vol. XXII, novembre 1903.

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 notamment 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.

Le rayonnement de Becquerel est composé de trois types de particules : α (noyaux d’hélium), β (électrons) et γ (électromagnétique).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 (figure 4) alors que les rayons γ ne sont pas déviés.

Les rayons α sont en outre caractérisés par un pouvoir de pénétration très faible. Mais de quelle nature sont ces rayons α ? Associé au chimiste Frederick Soddy, Rutherford démontre que les éléments radioactifs (thorium, uranium, radium, polonium…) produisent une substance gazeuse qui s’avère être de l’hélium, et que les particules α sont donc des noyaux d’hélium.

Ernest rutherford, 1908, Library of Congress, Washington.En 1902, Rutherford et Soddy avancent l’idée révolutionnaire que la radioactivité désintègre les atomes et donne naissance à d’autres éléments. Le rêve des alchimistes de transmuter les éléments est ainsi réalisé, mais ce n’est pas (encore) la transmutation de plomb en or. Pour cette découverte, 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 ».

Pour Pierre et Marie Curie, ce nouveau phénomène reste une « cause d’étonnement profond », comme ils l’écrivent en 1902 : « On est obligé d’imaginer qu’il y a eu là autrefois un assez grand emmagasinement d’énergie sous une forme qui nous est inconnue, ou bien qu’il y a actuellement dans l’espace des sources d’énergie qui nous échappent et que ces corps savent utiliser ».

Les Curie hésitent donc entre deux possibilités. Rutherford choisit la bonne : il y a eu autrefois beaucoup d’énergie nucléaire emmagasinée, notamment dans la terre, et ceci explique pourquoi le noyau terrestre est chaud. Jusqu’alors, on pensait que la Terre se refroidissait lentement par conduction de la chaleur et Lord Kelvin évaluait l’âge de la Terre à environ 100 millions d’années (à un facteur 4 près !) (note). Il s’opposait notamment à Darwin qui, sur la base d’observations géologiques, pensait qu’elle était bien plus vieille. Darwin avait raison et l’âge de la Terre est évalué actuellement à 4,5 milliards d’années...

[Suite et fin de la décennie prodigieuse]

Publié ou mis à jour le : 2018-11-27 10:50:14

 
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