La piézoélectricité et les frères Curie

Le rôle joué par le quartz piézo-électrique dans les travaux pionniers de Marie et Pierre Curie reste aujourd’hui peu connu. Le nom mystérieux et le fonctionnement complexe de cet instrument, inventé par Jacques et Pierre Curie, n’aident pas à le rendre populaire auprès du public… et c’est bien dommage ! Car il est probable que Marie et Pierre Curie n’auraient pas pu découvrir le polonium et le radium sans l’aide de cette ingénieuse invention.

« Je pense qu’il est nécessaire ici de décrire cet instrument parce que son fonctionnement est tellement régulier [...], qu'une fois connu il sera certainement apprécié et employé avec avantage par les physiciens dans la plupart des recherches auxquelles il peut être appliqué. »

Extrait de la thèse de Jacques Curie, publiée en 1889

En 1880, 16 ans avant la découverte des rayons uraniques, Jacques et Pierre Curie, âgés de 25 et 21 ans, sont l'un préparateur et l'autre préparateur adjoint à la Faculté de sciences de Paris. Ils s’intéressent aux propriétés électriques des cristaux, et ils vont rapidement découvrir que le quartz, ainsi que d’autres cristaux plus rares comme la tourmaline ou le topaze, produisent des charges électriques lorsqu’ils sont comprimés ou étirés selon certains axes particuliers. L’année suivante, le physicien Gabriel Lippmann (1845-1921) prédit l’existence de l’effet inverse, c'est à dire qu'un quartz piézoélectrique se comprime et s'étire sous l'effet de décharges électriques. Immédiatement après, les frères Curie confirment expérimentalement cette prédiction

En deux ans les jeunes scientifiques publient six notes aux Comptes Rendus de l’Académie des Sciences autour de ce phénomène, qui est alors appelé piézo-électricité, du grec piézein qui signifie presser. Leurs études ne s’arrêtent pas à la description théorique de la piézo-électricité, au contraire les deux frères réfléchissent rapidement aux applications utiles à leurs travaux scientifiques. Dès 1885, ils font construire par Jean Gustave Bourbouze le prototype d’un instrument basé sur cette propriété qu’ils ont découverte. Cet instrument, appelé tout simplement quartz piézo-électrique par les deux frères, sera perfectionné par la suite, et commercialisé dès 1890 par la Société Centrale des Produits Chimiques (SCPC). Dans la notice de l’appareil, on propose d'utiliser le quartz piézo-électrique pour différents usages nécessitant des mesures de petites quantités d’électricité.

L’instrument inventé par Jacques et Pierre Curie est un générateur de petites quantités d’électricité, précisément connues.

Une fine lame de quartz, savamment taillée, est accrochée à la partie supérieure de l’instrument. Pour recueillir les charges électriques qu’elle peut émettre par effet piézo-électrique, elle est recouverte sur ses deux faces d’une fine couche métallique à laquelle est soudé un fil électrique.

Au bas de la lame de cristal de quartz on accroche un plateau, sur lequel il est possible de poser des poids. Lorsque l’on pose (ou l’on enlève) un poids sur le plateau, le quartz est ainsi étiré (ou relâché), et émet de l’électricité, avant de se stabiliser à nouveau. Il est important de remarquer que la charge électrique émise par la lame de quartz est calculable, car elle dépend uniquement de ses dimensions géométriques, et du poids utilisé.

« Pour mesurer les courants très faibles que l’on peut faire passer dans l’air ionisé par les rayons de l’uranium, j’avais à ma disposition une méthode excellente étudiée et appliquée par Pierre et Jacques Curie. »

Marie Curie, Pierre Curie, 1923.

Au laboratoire Curie de l’Institut du radium, de nombreux quartz piézo-électriques sont utilisés pour effectuer les mesures de radioactivité, et ce au moins jusqu’aux années 1950 ! Cet instrument est introduit par Marie et Pierre Curie dès 1898 dans leur méthode de mesure de la radioactivité, appelée aujourd’hui « méthode Curie ». Lors de cette mesure, les deux scientifiques compensent la charge électrique inconnue produite par l’échantillon radioactif, avec la charge électrique connue générée par le quartz. La méthode de compensation leur permet de mesurer, en utilisant un électromètre à quadrant, des courants très faibles, de l’ordre de 10^-13 ampères. Ces mesures, très précises, leur permettent de détecter dès 1898, dans les minerais d’uranium, la présence de quantités infimes de deux nouveaux éléments chimiques radioactifs : le polonium et le radium.

De nombreuses applications de la vie courante sont basées sur le phénomène découvert par les frères Curie, comme par exemple, l’allume-gaz électrique, ou certains types de micros ou sur l’effet inverse de la piézoélectricité, comme les montres à quartz ou certains types d’enceintes. Aujourd’hui, des chercheurs explorent même la possibilité d’exploiter la piézo-électricité du quartz dans des chaussures permettant de générer et stocker de l’énergie à chaque pas !

Le Musée Curie détient dans ses collections plus de 10 quartz du laboratoire Curie, dont trois construits par la SCPC  datant du début du XX^e siècle. Deux de ces instruments sont conservés dans les réserves du musée, le troisième, restauré en 2005, est aujourd’hui exposé dans une des vitrines du musée, celle dédiée à la méthode de mesure de la radioactivité des Curie. Il s’agit d’un modèle à trois pieds, en acajou, avec un couvercle en laiton pour protéger la lame de quartz. Sur le couvercle en laiton, on peut lire gravés le nom du constructeur, la Société Centrale des Produits Chimiques, et qu’il s’agit d’un quartz piézo-électrique « de M. P. Curie », l’inventeur. D’après la même gravure, ce quartz porte le numéro 40, il s’agit donc du quarantième exemplaire vendu par la SCPC.

Ces informations nous permettent de dater approximativement l’instrument. En effet, les quartz piézo-électriques ont été construits et commercialisés par la SCPC à partir de 1890 et pendant de nombreuses années. Ce modèle à trois pieds fait partie de la 2eme génération de quartz SCPC, plus pratique pour la mesure de la radioactivité que le modèle précédent. Sur les photos du laboratoire Curie datant des années ‘20, dans les différentes salles photographiées, au moins sept quartz similaires sont visibles. Aux quartz piézo-électriques de la SCPC, s’ajoutent, dès 1921, de nouveaux quartz métalliques, plus résistants, construit par Charles Beaudoin.

Dans les inventaires du laboratoire Curie, nous trouvons également trace de l’achat de presque 40 lames de quartz piézo-électrique jusqu’en 1938. Ces lames, de dimensions variées, permettaient d’effectuer des mesures de radioactivité sur des échantillons émettant des quantités de rayons plus ou moins importantes. Des archives du laboratoire on déduit que ces lames, identifiées chacune par un numéro unique, étaient parfois associées à des salles du laboratoire, parfois même à des personnes. Un suivi précis de ces lames est mis en place au laboratoire : dans un document du 27 avril 1940 on apprend, par exemple, que la lame n. 39 est celle de M. Debierne, que la lame n. 40 est celle de Mme Joliot, ou que la lame n. 14 a été « cassée par M. Langevin ».

Ces mêmes archives nous renseignent sur le travail d’entretien des lames, parfois cassées puis réparées, et régulièrement calibrées. La calibration, ou étalonnage, des lames consiste à mesurer l’émission électrique de chacune de ces lames en la comparant avec une émission électrique connue. Ce travail d’étalonnage est incontournable, au laboratoire Curie, pour effectuer des mesures de radioactivité fiables et précises.

D’autres institutions que le Musée Curie possèdent des quartz piézo-électriques dans leurs collections, par exemple l’Université de Rennes, ou l’ESPGG. Ce dernier, situé au sein de l’ESPCI, l’école où Pierre Curie a commencé sa carrière scientifique, expose dans ses salles un quartz piézo-électrique qui a probablement été utilisé par Marie et Pierre Curie pour les découvertes du polonium et du radium en 1898.

> L. Barbo, D. Beaudouin, et M. Laguës, L’expérience retrouvée, Belin. 2005.

> D. Bernard, Un trésor scientifique redécouvert: la collection d’instruments scientifiques de la faculté des sciences de Rennes (1840-1900). Chantepie, France: Rennes Sciences, 2018.

> S. Boudia, « Le quartz piézo-électrique, la particularité des Curie », in Marie Curie et son laboratoire, Editions des archives contemporaines., 2001, p. 58‑62.

> J. Curie, « Quartz piézo-électrique, extrait de la thèse de Jacques Curie », Annales de Chimie et de physique, vol. XVII, p. 392, 1889. Texte disponible sur Gallica !