L’Ère des transmutations

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L’Ère des transmutations
written by Paul Langevin
1945


  • L'ERE DES TRANSMUTATIONS

On ne saurait exagérer l’importance de l’événement que représente, pour l’avenir de l’humanité, l’apparition de la bombe atomique. Il s’agit en effet de bien autre chose que de l’invention d’une arme nouvelle dont la terrible efficacité vient de hâter la fin du conflit qui, depuis six ans, embrasait la planète. Nous assistons, en réalité, sous une forme particulièrement dramatique, au début d’une ère nouvelle, celle des transmutations provoquées. Elle nous ouvre des perspectives qui vont bien au delà du vieux rêve des alchimistes. Il ne s’agit plus de réaliser la synthèse de l’or, qui n’ajouterait rien au bonheur des hommes, mais de mettre à la disposition de ceux-ci les inépuisables réserves d’énergie cachées par la nature au cœur même des atomes, concentrées dans leur noyau, et dont l’existence nous a été révélée il y a cinquante ans à peine par la découverte de la radioactivité à laquelle sont associés les noms de Henri Becquerel, de Pierre Curie et de Marie Curie. Cette découverte aura peut-être pour l’avenir de la civilisation une importance comparable à celle qui permit aux hommes de maîtriser la puissance du feu, et ses applications, restées jusqu’ici limitées au domaine médical, dépasseront de beaucoup celles de la machine à vapeur et des moteurs à explosion ou à réaction. Au moment même où l’achèvement de la guerre remet entre les mains des peuples du monde entier leurs destins solidaires, et où il dépend d’eux d’orienter vers des fins bienfaisantes ou nuisibles l’immense pouvoir nouveau dont ils vont disposer, il est nécessaire que chacun de nous comprenne en quoi consiste la véritable révolution technique dont il est possible d’imaginer dès maintenant les répercussions. Jusqu’il y a un millier d’années, la source à peu près exclusive de l’énergie mécanique nécessaire à des travaux de plus en plus variés a été le muscle de l’esclave, puis celui de l’animal de trait. Ensuite est venue, comme contribution essentielle, l’utilisation des forces naturelles de l’air et de l’eau, inaugurée depuis longtemps déjà par la navigation à la voile, mais développée surtout par l’intervention d’ingénieux moulins ; la faible puissance de ces machines ne permettait pas à l’industrie de dépasser le stade artisanal. C’est la découverte, à la fin du dix-septième siècle, de la possibilité de transformer la chaleur en travail par la machine à vapeur, qui a marqué le début d’une ère nouvelle, celle de la grande industrie, des transports rapides par terre ou par mer et des grands échanges internationaux. La découverte des lois qui régissent les mystérieux phénomènes électriques et magnétiques, et leur utilisation depuis le dernier quart du dix-neuvième siècle pour transmettre à distance et diffuser à l’infini la force engendrée par la machine à vapeur, sont venues joindre à cette force une souplesse incomparable ; en même temps l’invention des puissantes turbines hydrauliques et celle du moteur à explosion contribuaient à augmenter notablement la puissance dont nous disposons et la souplesse de son utilisation. A l’énergie mécanique directement fournie par le vent ou les chutes d’eau s’était ainsi ajoutée, depuis plus de deux siècles, celle en laquelle les moteurs thermiques, à vapeur, à explosion ou à combustion, permettaient de transformer une partie de la chaleur d’origine chimique obtenue en brûlant du charbon, du bois ou du pétrole. Toutes ces sources anciennes ou récentes sont alimentées, de façon plus ou moins différée, par le rayonnement solaire. A peu près nul dans le cas du vent, le retard va jusqu’à des mois ou des années pour les chutes d’eau lorsqu’elles sont alimentées par la fonte des neiges ou des glaciers, plusieurs dizaines d’années pour le bois, et d’immenses périodes géologiques pour le charbon de terre ou pour le pétrole. Dans tous les cas, le rendement est déplorable et nous ne disposons ainsi que d’une infime partie de l’énergie déversée sur notre globe par l’astre central dont l’attraction nous maintient sous la bienfaisante influence. L’utilisation directe de son rayonnement pour produire l’énergie mécanique dont nous avons besoin, ou même pour remplacer le foyer de nos chaudières, n’a reçu jusqu’ici aucune solution satisfaisante. A la limitation de ces ressources, viennent encore s’ajouter l’importance et la difficulté des travaux nécessaires à leur mise en œuvre : construction de barrages et établissement d’immenses conduites d’eau pour les forces hydrauliques, recherche et exploitation de plus en plus pénibles des mines de charbon et des gisements de pétrole, transport de quantités énormes des précieux combustibles dont les réserves accumulées depuis des centaines de millions d’années, sans renouvellement possible, s’épuisent à un rythme de plus en plus rapide. Grâce à la découverte de la radioactivité, nous avons récemment compris que la source du rayonnement émis par le soleil et les autres étoiles se trouve dans les transmutations dont l’intérieur de ces astres est le siège : en particulier, pour notre soleil, dans la condensation d’hydrogène en hélium. Mais les actions d’ordre mécanique, physique ou chimique par lesquelles nous utilisons une infime partie de l’énergie du rayonnement solaire sont elles-mêmes d’ordre infiniment plus superficiel, pour la matière qui y participe, que les transmutations dont elles s’alimentent par l’intermédiaire du rayonnement. L’échauffement du sol ou de la surface des mers sous l’action du soleil donne lieu aux vents ou aux pluies dont nous tirons les forces aériennes ou hydrauliques. L’absorption de la lumière par la partie verte des plantes permet à celles-ci de réaliser, à partir du gaz carbonique de l’air et de l’eau puisée dans le sol, la synthèse du bois, comme elle a déterminé, dans une atmosphère particulièrement riche en gaz carbonique, la luxuriante végétation des forêts de l’époque carbonifère ; la combustion du charbon, ou du bois, redonnant le gaz carbonique et l’eau, libère l’énergie fournie par la lumière et accumulée grâce à la synthèse chlorophyllienne. Un processus analogue vaut dans le cas du pétrole. Il est vraisemblable que celui-ci est le résultat d’une fermentation souterraine et millénaire de bancs d’animaux marins nourris par le plancton, dont le développement, comme celui des plantes, est lié à l’absorption de l’énergie solaire. Quelques chiffres montreront l’importance relative de ces actions mécaniques et chimiques et des transmutations dont elles ne sont qu’un très lointain écho. L’énergie mécanique apportée à la turbine qu’elle alimente par un kilogramme de l’eau qui descend dans une conduite forcée de mille mètres de hauteur est environ trois mille fois plus faible que celle, d’origine chimique, dégagée par la combustion d’un, kilogramme de charbon ou de pétrole et celle-ci est elle-même vingt millions de fois plus faible que l’énergie dégagée dans le soleil par la transformation d’un kilogramme d’hydrogène en hélium. On aura une idée de l’énormité de la fournaise solaire par le fait qu’elle consume ainsi chaque seconde cinq cents milliards de kilogrammes d’hydrogène. On voit par là quel intérêt présente pour nous la possibilité de réaliser nous-mêmes, à mesure de nos besoins, et avec un rendement acceptable, les transmutations si mal utilisées jusqu’ici, ou des réactions analogues. Cette voie royale s’ouvre aujourd’hui devant nous ; elle n’est pas sans dangers, mais ceux-ci ne sont pas plus grands, en égard aux avantages possibles, que pour tout autre moyen d’action nouveau, et il dépend de nous de savoir les éviter.


En 1896, moins d’un an après la découverte des rayons X par Röntgen, et comme conséquence de celle-ci, Henri Becquerel découvrait la singulière propriété que possède un métal, l’uranium, ainsi que tous ses composés chimiques, d’émettre spontanément, et en permanence, un rayonnement qu’on crut tout d’abord analogue aux rayons X, mais qui devait se montrer beaucoup plus complexe, capable comme eux d’impressionner les plaques photographiques à travers un écran opaque pour la lumière, et de rendre sur leur passage l’air et les autres gaz conducteurs de l’électricité. Ce dernier caractère, le plus sensible de tous et le plus facile à soumettre à la mesure, permit à Pierre Curie et à Marie Curie de déceler la même propriété, qu’ils appelèrent radioactivité, chez un autre métal déjà connu, le thorium, et, chose plus remarquable encore, de découvrir dans les minerais d’uranium des éléments nouveaux, incomparablement, des millions de fois plus radioactifs que l’uranium ou le thorium et qu’ils appelèrent polonium et radium. On reconnut bientôt, grâce aux travaux de Pierre Curie et des physiciens anglais Rutherford et Soddy, que l’émission des nouveaux rayons s’accompagne d’une véritable transmutation dont elle est, en quelque sorte, la manifestation la plus extérieure, chaque substance radioactive se transformant ainsi spontanément en une autre, de propriétés chimiques différentes, et généralement radioactive elle aussi. Ces substances ou éléments radioactifs constituent ainsi, par générations successives, de véritables familles dont trois sont actuellement bien connues, celles de l’uranium, du thorium et de l’actinium découvert par Debierne. Celle de l’uranium comprend à la cinquième génération le radium, à la treizième le polonium, pour aboutir, comme quatorzième descendant de l’uranium, au plomb qui, lui, est stable et cesse de se transformer spontanément. Chacune des étapes successives dans cette cascade de transmutations s’accomplit à un rythme propre à chaque substance radioactive dont, pour donner naissance à son descendant immédiat, la moitié se détruit en un temps qui va depuis quatre milliards d’années pour l’uranium et dix milliards pour le thorium jusqu’au millionième de seconde pour certains intermédiaires particulièrement instables, en passant par seize cents ans pour le radium et quatre jours pour son descendant immédiat qui est un gaz, l’émanation du radium ou radon. C’est sur le radium, ou plus exactement sur une de ses combinaisons salines, le bromure, que Pierre Curie découvrit, en 1903, comme autre manifestation accompagnant la transmutation radioactive, un dégagement de chaleur énorme, plusieurs millions de fois plus grand, pour la même quantité de substance transformée, que dans les réactions chimiques ordinaires. Ainsi se manifestait, pour la première fois, le caractère superficiel de celles-ci, dans lesquelles les éléments chimiques conservent leur individualité, par rapport aux changements autrement profonds que représentent les transmutations. La signification profonde des nouvelles découvertes ne se peut bien comprendre que dans le langage de la théorie atomique à laquelle elles devaient apporter à la fois d’éclatantes confirmations et la possibilité de nouveaux développements. D’après cette théorie, sous sa forme primitive, chaque élément ou corps simple isolé par les chimistes est divisible en atomes, tous identiques entre eux pour un même élément et variables d’un élément à l’autre, par leurs propriétés chimiques comme par leur masse, depuis les plus légers, ceux de l’hydrogène, jusqu’aux plus lourds, ceux de l’uranium, en passant par toute une série d’intermédiaires anciennement connus, hélium, carbone, azote, oxygène, sodium, chlore, soufre, et bien d’autres, ou récemment découverts comme la plupart des éléments radioactifs ou les isotopes dont il sera question plus loin. Par diverses méthodes, toutes concordantes, il avait été possible de dénombrer, de peser, de mesurer ces atomes si extraordinairement petits qu’un gramme d’hydrogène, seize grammes d’oxygène ou deux cent trente huit grammes d’uranium en contiennent un même nombre que nous appelons le nombre d’ Avogrado et qui pour s’écrire, dans le système décimal n’exige pas moins de vingt-quatre chiffres dont les trois premiers, 606, sont connus avec certitude. Leurs dimensions varient aussi d’un élément à l’autre, mais beaucoup moins que la masse ; si on les assimile à de petites sphères, leur diamètre varie du simple au double à peu près, quand on passe de l’atome d’hydrogène qui est le plus petit à ceux des métaux alcalins, sodium, potassium, etc., qui semblent être les plus gros. Ces dimensions sont tellement petites qu’il faudrait juxtaposer environ cinq millions d’atomes d’hydrogène pour remplir un intervalle d’un millimètre. La découverte de la radioactivité devait nous permettre de pénétrer la structure interne de ces minuscules atomes et nous les montrer comme composés chacun d’un noyau central chargé d’électricité positive, de diamètre environ dix mille-fois plus petit que celui de l’atome lui-même et où se trouvent concentrés plus des quatre-vingt dix-neuf millièmes de la masse totale. Ce noyau est entouré par un certain nombre, variable avec la nature chimique de l’atome, de ces électrons "négatifs ou négatons dont l’existence fut découverte à peu près en même temps que la radioactivité elle-même ; ce nombre va depuis un pour l’hydrogène jusqu’à quatre-vingt douze pour l’uranium. Ces électrons, tous identiques et interchangeables quelle que soit l’espèce d’atome à laquelle ils appartiennent, sont chargés d’électricité négative et leur masse est environ deux mille fois plus petite que celle de l’atome d’hydrogène, le plus léger de tous. Avec les électrons positifs ou positons, découverts beaucoup plus récemment, en 1932, et qui en diffèrent seulement par le signe de leur charge électrique, ils sont les constituants granulaires de ces fluides électriques dont les physiciens du dix-huitième siècle avaient admis l’existence pour expliquer les actions attractives et répulsives entre corps électrisés. Mais, alors que les électrons négatifs existent normalement dans tous les atomes et représentent le premier connu des constituants fondamentaux de la matière, les électrons positifs n’ont au sein de celle-ci qu’une existence extrêmement éphémère, chacun de ceux qui apparaissent, par exemple comme produit de certaines transmutations provoquées, disparaissent rapidement par dématérialisation ou annihilation réciproque avec un électron négatif et production d’un rayonnement analogue à la lumière ou aux rayons de Roentgen. Les charges électriques positives présentes dans la matière sont normalement portées par les noyaux des atomes et sont compensées, dans les corps électriquement neutres, par celles des électrons négatifs qui entourent les noyaux. L’existence d’une charge électrique, positive ou négative au total, sur un corps, correspond à un défaut ou un excès, par rapport à la normale, dans le nombre des électrons négatifs présents dans les atomes qui composent ce corps. C’est, entre 1888 et 1897, l’étude de la décharge électrique à travers les gaz raréfiés, et plus particulièrement celle des rayons cathodiques émis par l’électrode négative au cours de cette décharge, qui a permis la découverte de l’électron négatif grâce aux travaux de Hittorf, de Crookes, de Jean Perrin et de Joseph John Thomson. Ces rayons cathodiques représentent une émission d’électrons, de fluide électrique négatif, par le métal de la cathode sous l’action du bombardement auquel il est soumis de la part des atomes, ou molécules du gaz, chargés positivement par perte d’un ou plusieurs électrons négatifs sous l’action des rayons cathodiques eux-mêmes et violemment attirés vers la cathode par la charge négative de celle-ci. Ces mêmes électrons négatifs devaient se retrouver un peu plus tard comme constituant une partie du rayonnement complexe des corps radioactifs, désignée sous le nom de rayons beta. Ils sont émis avec des vitesses énormes, voisines » de celle de la lumière, au cours de certaines des transmutations qui représentent, comme nous l’avons vu, les étapes successives de la radioactivité spontanée. Satellites du noyau et maintenus autour de celui-ci, dans des limites qui fixent les dimensions de l’atome, par l’attraction entre son électrisation positive et leur électrisation négative, la distribution des négatons entre le centre et la périphérie de l’atome nous est maintenant connue, pour chaque élément chimique, grâce surtout aux travaux du physicien danois Niels Bohr. Les combinaisons chimiques ne font intervenir, par échange ou mise en commun, que les plus superficiels de ces électrons dans les édifices atomiques, d’où la faiblesse relative des énergies mises en jeu dans les réactions chimiques ordinaires. Celles-ci laissent les noyaux complètement inaltérés et par conséquent chaque atome y conserve son individualité. Nous savons aujourd’hui que, à travers toute la diversité des atomes qui la composent au point de vue de l’analyse chimique ordinaire, la matière telle que nous la connaissons est fondamentalement construite à partir de deux constituants, l’électron négatif, découvert le premier comme il vient d’être rappelé, et le proton ou noyau d’hydrogène, de charge électrique positivé égale et opposée à celle de l’électron et de masse environ deux mille fois plus grande. L’atome d’hydrogène étant ainsi composé d’un proton et d’un électron maintenus au voisinage l’un de l’autre par l’attraction réciproque de leurs charges électriques, on peut encore dire que toute autre espèce d’atome résulte de la condensation d’un certain nombre d’atomes d’hydrogène. C’est, sous un aspect plus précis, la doctrine de l’unité de la matière, formulée il y a un siècle et demi par le chimiste anglais Prout, mais dont l’exactitude n’a pu être définitivement établie que depuis une trentaine d’années. Notre connaissance actuelle de la structure profonde des atomes résultant de cette condensation date de 1932 où, comme résultat des travaux de Bothe et Becker en Allemagne, de Frédéric Joliot-Curie et Irène Joliot-Curie en France et de Chadwick en Angleterre, fut découvert le neutron, particule électriquement neutre, comme son nom l’indique, qui peut être considérée comme résultant d’une union plus intime que dans l’atome d’hydrogène entre un proton et un électron négatif, et dont la masse est sensiblement égale à celle du proton ou de l’atome d’hydrogène, quoique un peu supérieure à l’une et à l’autre, ce qui signifie, en vertu de la doctrine de l’inertie de l’énergie, conséquence de la théorie de la relativité, que le contenu énergétique du neutron est supérieur à celui de l’atome d’hydrogène normal. Il en résulte, bien que le fait n’ait pas encore été expérimentalement constaté, que le neutron libre doit être instable et se transformer spontanément en atome d’hydrogène avec émission de rayonnement. Il se montre au contraire stable lorsqu’il est associé, en proportions convenables, à des protons pour constituer les noyaux des atomes autres que celui d’hydrogène ou proton isolé. Le noyau ainsi constitué s’entoure, pour compléter l’atome électriquement neutre, d’un nombre d’électrons égal à celui des protons présents dans le noyau. Ainsi, un neutron uni à un proton constitue le noyau stable, ou deuton, récemment découvert, du deutérium ou hydrogène lourd. Ce noyau ne renfermant qu’un proton, l’atome neutre correspondant n’admet autour de son noyau qu’un seul électron. Il se comporte donc, au point de vue chimique, c’est-à-dire au point de vue des échanges d’électrons avec d’autres atomes, exactement comme l’hydrogène ordinaire. En particulier, il se combine à l’oxygène à raison de deux atomes de deutérium par atome d’oxygène pour donner, au lieu d’eau ordinaire, de l’eau lourde, dont il a été récemment question à propos de la bombe atomique. L’eau lourde joue en effet un rôle important dans la nouvelle technique en raison de la précieuse propriété qu’elle possède de ralentir les neutrons rapides émis lors de certaines transmutations provoquées, leur permettant ainsi, comme on le verra plus loin de produire plus facilement des transmutations analogues à celles qui leur ont donné naissance. Ainsi également deux neutrons unis à deux protons constituent le noyau de l’hélium ordinaire, noyau souvent appelé hélion ou particule alpha. L’atome d’hélium électriquement neutre comprend en outre deux électrons extérieurs au noyau. Six neutrons et six protons pour le carbone, sept de chaque pour l’azote, huit pour l’oxygène constituent des noyaux particulièrement stables et abondants dans la nature. A mesure qu’on avance dans la série des éléments, le nombre des neutrons dans le noyau tend, pour la, stabilité de celui-ci, à augmenter plus vite que celui des protons, et on arrive ainsi à l’uranium ordinaire dont le noyau contient cent quarante-six neutrons et quatre-vingt-douze protons, avec autour de lui, pour compléter l’atome neutre, un cortège de quatre-vingt douze électrons répartis entre le centre et la périphérie de l’atome. Chaque espèce d’atome est ainsi caractérisée par deux nombres : tout d’abord celui des protons dans.le noyau, le numéro atomique, égal au nombre des électrons négatifs extérieurs au noyau dans l’atome neutre. C’est, nous l’avons vu, ce nombre qui détermine les propriétés chimiques et, par conséquent, la place de l’atome dans la classification des éléments. Ensuite, vient le nombre des neutrons dans le noyau. La masse du neutron étant très voisine de celle du proton ou de l’atome d’hydrogène, la masse de l’atome est, par rapport à la masse de l’atome d’hydrogène, très voisine de la somme des deux nombres de protons et de neutrons que renferme le noyau. Cette somme est ainsi toujours un nombre entier, appelé le nombre de masse de l’atome. Il représente, selon la doctrine de l’unité de la matière, le nombre d’atomes d’hydrogène qui doivent être condensés pour former l’atome : deux pour le deutérium, quatre pour l’hélium, douze pour le carbone, quatorze pour l’azote, , seize pour l’oxygène et ainsi de suite jusqu’à deux cent trente-huit pour l’uranium. L’expérience montre que la masse de tout atome autre que celui de l’hydrogène est légèrement inférieure, dans une proportion qui n’atteint jamais le centième, au produit de son nombre de masse par la masse de l’atome d’hydrogène, c’est-à-dire à la masse totale de l’hydrogène condensé pour former cet atome. En vertu de l’inertie de l’énergie, cela signifié que le contenu énergétique de l’atome est moindre que celui de l’ensemble des atomes d’hydrogène condensés, la différence ayant été émise sous forme de rayonnement au cours de la formation de l’atome. On conçoit donc que la connaissance précise de la masse atomique permette d’évaluer le contenu énergétique de chaque atome ainsi que, par différence entre l’état initial et l’état final, l’énergie libérée au cours de transmutations. Un remarquable appareil, créé et perfectionné par les physiciens anglais Joseph John Thomson et Aston, le spectrographe de masse, permet de mesurer la masse de chaque espèce d’atome avec une précision déjà supérieure au dix-millième. Les résultats qu’il donne interviennent donc à chaque instant, dans la technique nouvelle des transmutations, pour la prévision de l’énergie dégagée dans les réactions profondes entre noyaux atomiques. Les résultats obtenus ont toujours été confirmés par l’expérience.


Pour un nombre déterminé de protons caractérisant l’individualité chimique de l’atome, le nombre de neutrons qui peut lui être associé pour constituer un noyau stable, nombre au moins égal, comme nous l’avons vu, à celui des protons, comporte une certaine marge, de sorte que, surtout si l’on y joint les noyaux instables obtenus au cours des transmutations, chaque élément chimique, défini par son numéro atomique (nombre de protons présents dans le noyau et d’électrons entourant celui-ci dans l’atome neutre) peut comporter plusieurs espèces d’atomes différant entre elles par le nombre de neutrons associés aux protons dans les noyaux, et, par. conséquent, par leur nombre de masse ainsi que par leur masse atomique. Ce résultat est contraire à la forme primitive de l’hypothèse atomique qui voyait identiques tous les atomes d’un même élément chimique, et correspond à l’existence, récemment découverte, des isotopes ou atomes de mêmes propriétés chimiques mais de masses différentes. Le deutérium se présente ainsi comme un isotope de l’hydrogène ordinaire auquel il est mélangé, dans la nature, en très petite quantité, un trente-millième environ. C’est dans cette faible proportion que l’eau lourde existe dans l’eau ordinaire dont il est difficile, mais possible, de la séparer à l’état de pureté. Aux six protons du carbone, sept neutrons peuvent être associés pour donner un isotope stable, de nombre de masse treize, du carbone ordinaire dont le nombre de masse est douze. De même, il existe un azote quinze à côté de l’azote ordinaire de nombre de masse quatorze, des oxygènes dix-sept et dix-huit mélangés à l’oxygène ordinaire seize. C’est le spectrographe de masse qui, permettant de mesurer avec précision les masses individuelles des atomes, a mis en évidence la généralité de l’existence des isotopes et permis de déterminer, pour chaque élément chimique, le nombre de ceux qui sont stables et les proportions dans lesquelles ils se trouvent mélangés dans la nature où ils s’accompagnent dans toutes les réactions chimiques puisque celles-ci sont impuissantes à les séparer. Pour cette même raison, les méthodes chimiques de mesure des masses atomiques né peuvent donner qu’une moyenne entre celles des divers isotopes mélangés et nous renseignent par conséquent beaucoup moins bien que le spectrographe de masse, en particulier sur le contenu énergétique de chaque espèce d’atome. La plupart des éléments chimiques présents dans la nature se sont ainsi montrés être des mélanges de plusieurs isotopes dont le nombre s’élève jusqu’à une dizaine pour certains éléments comme l’étain ou le mercure. L’uranium est aussi un mélange d’isotopes. Les recherches récentes sur les transmutations, en faisant apparaître de manière plus ou moins transitoire des noyaux instables, ont révélé l’existence de noyaux atomiques différant entre eux par leur contenu énergétique, tout en contenant les mêmes nombres de protons et de neutrons. Ce sont les isotopes isobares (même numéro atomique et même nombre de masse) dont les noyaux sont composés des mêmes éléments assemblés suivant des structures différentes. Ces différences se manifestent par des degrés divers d’instabilité, c’est-à-dire par des rapidités diverses de destruction spontanée avec retour vers des formes plus stables, de contenu énergétique moins élevé. L’existence d’une forme indéfiniment stable de l’édifice nucléaire ne semble plus être possible au delà d’un nombre total de protons et de neutrons, d’un nombre de masse, de l’ordre de ceux des divers isotopes du plomb, à peine supérieurs à deux cents. Pour les noyaux de l’uranium et du thorium, ou ceux des atomes radioactifs intermédiaires entre eux et le plomb, la complexité est déjà trop grande et l’édifice se transforme spontanément, au hasard des passages par certaines configurations internes, avec émission de certains fragments et libération d’énergie sous forme d’énergie cinétique de ces fragments on de rayonnement analogue aux rayons de Röntgen (rayons gamma des corps radioactifs). La radioactivité spontanée trouve ainsi son explication par l’émission, soit d’électrons négatifs (rayons beta des corps radioactifs), soit de noyaux d’hélium ou d’hélions, particulièrement stables.(rayons alpha des corps radioactifs). Lors de l’émission d’un rayon beta, un neutron du noyau s’y transforme en proton et le nombre de masse reste le même alors que le numéro atomique augmente d’une unité. Lors de l’émission d’un rayon alpha, le noyau perd à la fois deux protons et deux neutrons, le nombre de masse diminue de quatre unités et le numéro atomique de deux. Dans un cas comme dans l’autre, il y a. changement des propriétés chimiques puisque le nombre des électrons extérieurs au noyau dans l’atome neutre, égal au numéro atomique, augmente d’une unité dans le premier cas (émission d’un rayon beta) et diminue de deux dans le second (émission d’un rayon alpha). L’expérience confirme entièrement cette interprétation. On conçoit que ces transmutations, qui modifient la structure même du noyau, et où interviennent les actions entre protons, électrons et neutrons, puissent mettre en jeu des énergies énormes par rapport à celles des, réactions chimiques ordinaires où interviennent seulement les électrons les plus superficiels des atomes. On conçoit également que ces transmutations spontanées, qui dépendent uniquement de circonstances intérieures au noyau radioactif, se poursuivent à un rythme complètement insensible aux circonstances extérieures à l’atome, telles que son état de combinaison chimique et les variations de température ou de pression que nous savons produire. Ces changements n’intéressent que la périphérie de l’atome et n’agissent en aucune manière sur l’état interne du noyau, protégé par tout le cortège des électrons interposés. Une première étape dans la voie des transmutations provoquées, dans la création d’une chimie nouvelle, celle des réactions profondes entre noyaux, a été franchie par Rutherford il y a trente ans lorsqu’il a montré que les particules a lancées lors de certaines transmutations spontanées (par exemple, transformation du radium en émanation ou du polonium en plomb) peuvent, lorsqu’elles rencontrent d’autres noyaux, provoquer la transmutation de ceux-ci. Ainsi une particule alpha (noyau d’hélium) rencontrant un noyau d’azote ordinaire, s’y intègre et, après expulsion d’un proton, laisse un noyau d’oxygène (isotope dix-sept). Première réaction connue entre noyaux, première transmutation provoquée, dans laquelle l’hélium, réagissant sur l’azote, donne de l’hydrogène et de l’oxygène. La découverte du neutron est due au fait que certaines de ces réactions, par exemple celle de la particule a sur un noyau de glucinium, se traduisent par l’expulsion d’un neutron isolé et ont permis par conséquent d’observer les propriétés de celui-ci pendant la courte durée de son existence à l’état libre. Le nombre de réactions connues entre noyaux est devenu considérable, surtout depuis que l’emploi de machines électro-statiques puissantes donnant des différences de potentiel de l’ordre du million de volts, ou celui du cyclotron, ont permis d’accélérer certains noyaux, protons, deutons, hélions, en particulier, et de leur communiquer des énergies cinétiques de même ordre que celles des, particules a émises lors de certaines transformations radioactives spontanées, pour leur permettre de vaincre la répulsion électrique entre leur propre charge positive et celle des noyaux sur lesquels on veut les faire réagir. Mais l’agent le plus efficace au point de vue de cette chimie profonde est le neutron lui-même. Stable seulement à l’intérieur des noyaux atomiques, il tend à s’y intégrer et se trouve attiré par eux au lieu d’en être repoussé comme les autres noyaux. Contrairement à ce qui se passe pour ceux-ci, l’action d’un neutron comme agent de transmutation est d’autant plus facile, en général, qu’il est plus lent et obéit mieux à l’attraction des noyaux au voisinage immédiat desquels il vient à passer.

Un fait remarquable est que cette fixation d’un neutron sur un noyau se montre particulièrement facile lorsque la vitesse du neutron est voisine d’une valeur particulière, dite de résonance, bien déterminée pour chaque noyau. Au début des recherches sur ces réactions entre noyaux ou entre un noyau et un neutron, on leur a attribué un caractère instantané, jusqu’à ce qu’en 1934, Frédéric et Irène Joliot-Curie, par leur découverte de la radioactivité artificielle, aient montré que chacune d’elles s’effectue en réalité par l’intermédiaire d’un véritable processus radioactif en une ou plusieurs étapes, dont chacune est caractérisée par un rythme déterminé. Celles de ces étapes dont la durée est observable permettent la mise en évidence d’un phénomène de radioactivité artificiellement provoquée. Il en est ainsi, par exemple, du cas sur lequel ce phénomène fut observé pour la première fois par les Joliot-Curie. Ayant soumis une lame d’aluminium à l’action des rayons alpha émis par le polonium, ils ont constaté qu’après avoir été soustraite à cette action, la lame émettait un rayonnement dont l’intensité diminuait de moitié en un peu moins de quatre minutes. Ce rayonnement était constitué par des électrons positifs rapides, cas qui ne se présente jamais dans les familles radioactives naturelles. L’interprétation est la suivante : les particules alpha, ou noyaux d’hélium, émises par le polonium se transformant en plomb, donnent lieu, quand elles parviennent à atteindre un noyau d’aluminium, à l’émission pratiquement instantanée d’un neutron en laissant le noyau d’un isotope instable du phosphore, lequel se transforme, avec la constante de temps observée voisine de quatre minutes, en un.isotope stable du silicium avec émission d’un électron positif. Leur instabilité même explique pourquoi ces noyaux intermédiaires et les atomes correspondants ne se rencontrent pas dans la nature. C’est l’énormité des constantes de temps de l’uranium ou du thorium qui explique également pourquoi les quantités de ces éléments présentes sur notre terre au moment où celle-ci s’est détachée du soleil il y a environ trois milliards d’années, y subsistent encore pour la plus grande partie et continuent leur transformation spontanée qui nous permet d’observer leur radioactivité ainsi que celle des produits successifs de leur désintégration. La découverte de la radioactivité artificielle s’est montrée d’une extraordinaire fécondité : en quelques années, par bombardement de noyaux existant dans la nature au moyen de protons, de deutons, d’hélions ou de neutrons, plus de sept cents espèces nouvelles d’atomes radioactifs nouveaux ont pu être obtenues. Certaines d’entre elles présentent un grand intérêt pour les applications scientifiques ou médicales comme pouvant y remplacer avantageusement les substances radioactives naturelles. La réaction nucléaire qui apparaît aujourd’hui comme la plus importante, celle qu’utilise la bombe atomique et que nous avons le devoir d’orienter vers des applications bienfaisantes, est celle du neutron sur certains noyaux complexes comme celui d’uranium. Joliot a particulièrement contribué à montrer que ces noyaux, après avoir intégré le neutron, deviennent particulièrement instables, puis explosent en dégageant une énergie considérable et en projetant des fragments dont deux noyaux massifs, eux-mêmes radioactifs, et des" neutrons qui peuvent à leur tour provoquer l’explosion d’autres noyaux semblables au premier, propageant ainsi à la façon d’une combustion ou d’un incendie la même transformation dans toute la substance sensible préparée à cet effet. La mise de feu s’obtient par un dégagement initial de neutrons, obtenu, par exemple, au moyen d’une petite quantité de matière radioactive naturelle agissant, par les particules a qu’elle émet, sur du glucinium ou toute autre substance appropriée. La propagation de la transmutation, par les neutrons qu’elle engendre elle-même, exige que ceux-ci, avant de disparaître autrement, aient une probabilité suffisante de rencontrer un noyau de la substance appropriée, et, par conséquent ; que la concentration de celle-ci soit suffisante au voisinage du foyer initial Lorsqu’elle est trop diluée, la propagation ne peut avoir lieu, pas plus que le charbon ne brûle lorsqu’il est mélangé à une proportion trop grande de matière inerte. Ceci permet de calmer une inquiétude souvent exprimée : comme l’imprudence d’un fumeur peut provoquer l’incendie d’une forêt entière, la transmutation commencée dans la bombe atomique ou dans la future super-centrale thermique consommant de l’uranium au lieu de charbon ou de mazout, ne peut-elle pas se propager malgré nous et provoquer l’explosion de la planète entière ? Nous pouvons, en toute sécurité, répondre négativement à semblable question. Pour les transmutations que nous savons maintenant produire et utiliser, la forêt n’existe pas. Les substances destinées à être consumées, transmutées, dans les nouveaux foyers, ne peuvent pas plus transmettre l’incendie aux substances environnantes et aux matériaux dont notre globe est. constitué, que le charbon brûlant dans une cheminée ne peut provoquer la combustion des briques dont celle-ci est construite, même si ces briques renfermaient une certaine proportion de charbon, à condition que celle-ci soit insuffisante pour leur permettre de brûler. La proportion d’uranium ou d'atomes voisins dans les roches est infiniment trop faible pour que la transmutation par neutrons puisse s’y propager. Et il en est de même pour toute autre transmutation actuellement connue. La connaissance des masses atomiques nous montre d’ailleurs que l’immense majorité des atomes composant notre globe sont tellement stables en raison de leur faible contenu énergétique que les transmutations dont ils sont susceptibles, loin de dégager de l’énergie, exigeraient au contraire un apport extérieur. Aucun danger de catastrophe n’existe au moins du genre de celle dont il est question ici. La seule catastrophe à craindre est celle qui résulterait d’un emploi volontaire et généralisé des nouvelles possibilités à des fins de destruction. Il dépend de nous d’y parer et d’orienter la technique des transmutations vers l’amélioration du sort des hommes. Elle peut beaucoup dans ce sens par l’accroissement illimité de puissance qu’elle met à leur disposition et que l’électricité nous permet de diffuser partout, comme le réseau des artères et des capillaires apporte à chaque cellule de l’organisme humain les possibilités d’alimentation et d’élimination que leur offre le sang. Avant la guerre, qui est venue changer l’orientation des recherches en vue d’applications, Joliot prévoyait déjà la possibilité de créer des centrales thermiques produisant chacune de manière permanente trois cent mille kilowatts en consommant par an une seule tonne d’uranium au lieu des trois millions de tonnes de charbon ou de mazout nécessaires avec les turbines à vapeur actuelles. Cette puissance représente plus du dixième de celle de l’ensemble des usines électriques, soit hydrauliques, soit thermiques, équipées en France, de sorte que la consommation actuelle totale de notre pays en énergie électrique serait assurée pour un an par la transmutation de moins de dix tonnes d’uranium, quantité qu’un wagon ordinaire suffirait à transporter. Si l’on voulait décupler cette consommation, le chargement d’un seul cargo suffirait à Rassurer pour un siècle.

On peut facilement calculer que l’énergie mise ainsi à la disposition de chaque habitant, utilisée sous forme mécanique, représenterait l’équivalent du travail fourni par dix hommes robustes, de sorte que chaque famille moyenne disposerait, pour satisfaire à tous ses besoins, de quarante ou cinquante esclaves, infiniment discrets et dociles, ne demandant ni nourriture, ni logement, ni soins. Ces esclaves, animés par l’électricité, seraient représentés matériellement par des machines réparties entre les mines, carrières et usines pour l’extraction et l’élaboration des matières premières, les exploitations agricoles et enfin l’habitation, pour ce qui concerne les usages domestiques, sans compter les moyens de transport de plus en plus souples et de plus en plus rapides. Cette libération matérielle rendrait la libération spirituelle, le développement de la culture, non seulement possible grâce aux loisirs qu’elle assurerait, mais encore nécessaire en raison de la nécessité pour l’homme de créer et de conduire des machines de plus en plus délicates et complexes. De même qu’au début de la période capitaliste actuelle s’est imposée la nécessité de donner à l’ouvrier, pour augmenter sa valeur professionnelle et la plus-value de son travail, le minimum d’instruction que représentait l’enseignement primaire d’autrefois, savoir lire, écrire et compter, la mise en œuvre de techniques et la conduite de machines toujours plus raffinées au sein d’une communauté humaine toujours plus cohérente et solidaire, exigera de chacun, dans l’intérêt de tous, un degré d’instruction de plus en plus élevé, une compréhension de plus en plus complète de la structure du monde et des lois qui dominent la nature et l’homme.

  • Source: Revue la Pensée, édition numérique sur Gallica