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Zoom sur... La séparation chimique des premiers radioéléments artificiels

La découverte de la radioactivité artificielle en 1934 s'est effectuée au sein du laboratoire Curie de l'Institut du Radium grâce aux recherches d'Irène et Frédéric Joliot-Curie. Le Musée Curie possède dans ses collections les reconstitutions du matériel utilisé par le couple de scientifiques lors de ses recherches sur la séparation chimique des premiers radioéléments artificiels : un compteur Geiger-Müller ainsi que de la verrerie très particulière. L'ensemble de ces objets est présenté dans la vitrine C12 du musée.

Le compteur Geiger-Müller

Le compteur Geiger-Müller est un appareillage de mesure permettant de détecter les rayonnements ionisants, dont la radioactivité fait partie. Son principe fut inventé dès 1908 par E. Rutherford et H. Geiger, mais il faudra attendre 1928 pour que Walther Müller l’améliore et le rende totalement fonctionnel. Il s’agissait donc d’un instrument relativement récent quand les Joliot commencèrent à l’utiliser en 1932-1933. Son principe : un tube cylindrique métallique, rempli de gaz sous faible pression, fait office de chambre dans laquelle est tendu un fil métallique. Une tension d’environ 1000 Volts est établie entre le fil et la paroi du tube. Quand un rayonnement pénètre dans la chambre, il ionise le gaz en lui arrachant des électrons. Ceux-ci sont attirés par le fil métallique, ce qui produit des impulsions électriques. Celles-ci sont amplifiées puis dénombrées par l'expérimentateur grâce à un signal visuel (un chiffre ou une aiguille) ou sonore (dans les compteurs plus modernes). Extrêmement sensible, ce genre d'appareil est capable d'enregistrer le passage d'une seule particule ionisante ! Malheureusement, il ne peut pas discriminer les différents types de rayonnements.

L’exemplaire du musée est constitué d’un amplificateur à transistor, d’un tube Geiger-Müller en laiton ainsi que d’un numérateur mécanique qui affiche le nombre de « tops » reçus par le tube Geiger. Il s’agit ici d’une reconstitution qui n’est pas identique à l’original, Frédéric Joliot ayant fait don de celui-ci au Science Museum de Londres. Les matériaux, les composants et les dimensions ne sont pas tout à fait respectés. Il s’agit en fait d’un objet créé en 1964 par Pierre Savel pour les 30 ans de la découverte, permettant de refaire la manipulation en présence de public.

La séparation chimique des premiers radioéléments artificiels

Bien que physiciens de formation, le couple de savants a dû rapidement imaginer des méthodes chimiques afin de prouver l’existence d’éléments radioactifs n’existant pas dans la nature, mais créés par l’homme. Deux en particulier vont retenir leur attention : le radiophosphore et le radioazote. Les deux instruments en verre présentés dans la vitrine sont des répliques de ceux qu’ils ont utilisés en janvier et février 1934. La première verrerie leur a permis de montrer que du radiophosphore se formait lorsqu’on bombardait une feuille d’aluminium avec des rayons α.

Effectivement, un morceau d’aluminium Al, préalablement irradié par les rayons α d’une source de Polonium est placé dans le tube où il est attaqué et dissout par une solution d’acide chlorhydrique HCl. L’hydrogène produit lors de la réaction transforme le phosphore radioactif formé en un élément volatil de formule PH3. Le gaz actif est recueilli au-dessus d’une cuve à eau dans un tube à paroi mince. En approchant ce tube du compteur Geiger, il est possible de détecter l’émission de rayonnements β+, preuve de la présence d’un phosphore radioactif qui n’existait pas à l’origine. Cela leur permet d'établir aussi que sa demi-vie est de 3 minutes et 15 secondes. L’autre verrerie a été utilisée pour détecter le radioazote créé dans le bore. Un échantillon de nitrure de bore (BN) irradié par les rayons α du Polonium est placé dans le tube de gauche contenant un peu de soude, puis chauffé. L’azote N se dégage et est collecté dans le tube de droite, placé dans un vase Dewar. Le compteur Geiger sert encore une fois à montrer l’existence d’un azote radioactif nouvellement créé. Sa demi-vie est de 14 minutes.

Ces moyens chimiques développés par les Joliot-Curie ont permis d’apporter la preuve irréfutable à la fois de l’existence de la transmutation naturelle telle que découverte par Ernest Rutherford en 1919, mais aussi celle de la radioactivité dite artificielle. La principale difficulté à contourner concernait la faible "durée de vie" de ces éléments : la méthode chimique pour isoler le radioazote ne prend ainsi pas plus de 6 minutes ; pour le radiophosphore, moins de 3 ! C’est ce travail en particulier qui leur vaudra le prix Nobel de Chimie en 1935.

> En savoir plus sur le prix Nobel de Chimie 1935...