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Comment la connaissance de l'atome aboutit à l'arme nucléaire

De
178 pages

La venue de la Seconde Guerre mondiale transpose la recherche atomique dans le domaine de la politique. Nombre de savants se trouvent alors impliqués dans une entreprise apparemment scientifique mais qui, en réalité, leur échappe totalement.

Elisa Meitner, Otto Hahn, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Albert Einstein, Julius Oppenheimer et bien d’autres sont les acteurs de l’histoire qui est ici contée.


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ISBN numérique : 978-2-334-12799-8
© Edilivre, 2016
La venue de la Seconde Guerre mondiale transpose la recherche atomique dans le domaine de la politique. Nombre de savants se trouvent alors impliqués dans une entreprise apparemment scientifique mais qui, en réalité, leur échappe totalement. Elisa Meitner, Otto Hahn, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Albert Einstein, Julius Oppenheimer et bien d’autres sont les acteurs de l’histoire qui est ici contée.
«Rien n’est jamais acquis. Rien n’est jamais perdu »
Prologue
Nous sommes le 16 janvier 1939 et Niels Bohr est de passage à New York pour rencontrer Albert Einstein à Princeton. Il prend connaissance du télégramme envoyé par Lisa Meitner « aux fins de prévenir une 1 certaine Maud Ray Kent ». Lisa lui indique ainsi sous le couvert d’une phrase laconique qu’Otto Hahn a obtenu une transmutation nucléaire. Même si depuis des années tous les spécialistes du noyau atomique ont pu imaginer cet effet physique il leur paraissait peu réalisable. Car il y a un fossé entre irradier un corps et réussir une transmutation. Cette fois-ci Hahn a bel et bien réalisé une transmutation atomique. C’est la stupeur et tous les scientifiques informés par Bohr comprennent qu’il est désormais 2 possible d’obtenir une énergie considérable selon la formule E = mc . Qu’il s’agisse d’énergie civile ou de bombe atomique ! Chacun prend conscience que les scientifiques allemands ont désormais la possibilité de réaliser une arme terrifiante alors que les évènements internationaux prédisent des lendemains sinistres.
1. L’histoire [sujette à caution] dit que Lisa Meitner, qui a envoyé le télégramme, aurait ainsi masqué le nom du produit par lequel la fission a été obtenue : Maud Ray est l’acronyme de radium. Une expérience fut réalisée par Lisa et son neveu Otto Frisch à Copenhagen qui a consisté à briser un atome avec du TNT [dynamite] et obtenir de l’électricité [200 millions de volts]. Mais Lisa indiquait qu’en employant de l’uranium on obtiendrait une quantité d’énergie vingt millions de fois plus grande. L’expérience est répétée par Fermi à Columbia le 25 janvier 1939 et confirme les dires de Lisa. A Berlin Otto Hahn et Fritz Strassmann vont bombarder de l’uranium avec des neutrons et obtenir des atomes de baryum : c’est la première transmutation atomique de l’Histoire faite par les Hommes. Les déclarations de Bohr devant les instances de l’American Physical Society vont alerter tout ce que l’Amérique compte de connaisseurs dont Szilard, Wigner et Teller puis Einstein.
La connaissance
de l’atome est une longue quête
Les premiers concepts totalement virtuels
Les philosophes grecs, qui n’ont pas manqué d’idées dans toutes les sciences de la Nature, ont émis de s 2 concepts atomiques qui, bien que non vérifiables et inexacts dans l’absolu , se sont avérés intéressants. e Indubitablement on ne peut parler d’atome sans adre sser un salut amical à Démocrite qui vécut au V siècle avant J.-C. Il eut une vie de voyages et de découve rtes et, avec son ainé Leucite, il imagina l’atome comme le stade ultime de fragmentation de la matière lorsqu’on la découpe en parties de plus en plus ténues. Par parenthèse dans l’Antiquité les Hellènes ne furent pas les seuls à concevoir la notion d’atome. Dans la littérature indienne on retrouve la même id ée que celle des philosophes grecs à savoir les qua tre éléments, Eau, Feu, Air, Terre, auxquels Aristote avait adjoint l’éther ce qui lui permettait de nier la notion du vide. Les textes védiques ne traitent pas que de métaphys ique et le Nyâya parle de la logique mathématique t andis 3 que le Vaisheshika parle de la conception du monde et introduit l’atome. e 4 Ce concept a été proposé par le sage Kanada au II siècle avant J.-C. . Pendant des siècles la conception de la matière res te du domaine externe dès lors que l’on n’utilise les solides que pour des réalisations matérielles comme les con structions ou l’art. La chimie et la thermodynamique vont donner un nouv el élan à l’idée que l’on se fait de la constitutio n des matériaux. Pour l’essentiel ce sera la masse qui constituera le paramètre principal qui caractérise les solides ou les liquides sachant que les expériences mettent en évi dence des lois sur les états de la matière – solide , liquide, gazeux – selon des conditions strictes. Les changem ents d’états sont décrits par des lois : lois adiab atiques, loi des gaz parfaits etc. Mais tout cela reste du domaine macroscopique et un e quantité de matière est vue comme un tout dont on ne e perçoit pas le contenu avec précision. Tout va changer à la fin du XIX siècle. Intéressons-nous tout d’abord à un phénomène qui es t fascinant et primordial pour tout ce qui est nucléaire : le rayonnement de certains corps.
La radioactivité ouvre la boîte de Pandore
5 Quand Marya Salomea Sklodowska , devenue Madame Curie, et Pierre son époux ainsi q u’Antoine Henri Becquerel reçoivent conjointement le prix Nobel de physique en 1903 pour leurs travaux sur les radiati ons, leurs e découvertes semblent remettre en cause un principe de la physique et de la chimie du XIX siècle. La science de la matière, qu’il s’agisse de mécaniq ue rationnelle ou de thermodynamique ou d’électromagnétisme, repose sur un postulat simple résumé par cette formule due à Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ».
C’est le principe de conservation de la matière qui , transposé dans le langage actuel, deviendra le pr incipe de conservation de l’énergie. Or ces scientifiques viennent de mettre en évidence un phénomène exceptionnel à savoir que de la matiè re à qui l’on ne fournit aucune énergie externe émet un rayonnementsui generis. Ce phénomène est baptisé radioactivité par Marya qu i est assurément celle dont l’enthousiasme, la connaissance et la ténacité ont permis cette découverte. 6 Tout a débuté avec les expériences de Wilhelm Conrad Röntgen qui , à partir de 1888, étudie les décharges électriques dans les gaz. La “fée électricité” enta me alors sa conquête du monde et il est important d e maîtriser ces phénomènes pour fabriquer des lampes d’éclairag e. Pour cela il utilise un tube en verre vidé d’air dans lequel 7 on a placé deux électrodes métalliques : l’une reliée à la polarité négative d’une source de haute tension 8 électrique appelée cathode et l’autre reliée à la p olarité positive appelée anode . Les électrodes sont distantes de 9 quelques centimètres qui sont la longueur du tube . Or, du fait de l’imperfection du vide, il se prod uit des 10 fluorescences lorsque les rayons “cathodiques” percutent un atome de cet air restant. Nous sommes en 1895.
Figure 1 – Les expériences de Lavoisier sur la conservation de la matière
Röntgen décide d’envelopper le tube dans un tissu n oir et de placer à proximité une plaque photographi que sensible. Il constate que la plaque est impressionn ée lorsque le tube est en fonction alors que la lum ière solaire est bien évidemment arrêtée par le tissu noir. En i nterposant divers écrans entre le tube et la plaque , bois ou papier, cette dernière est toujours impressionnée p ar les rayons émis par le tube. Rayons qu’il décide d’appeler rayons X du fait qu’il n’en connait pas la nature. Tout en essayant d’imaginer les causes du phénomène il continue ses expérimentations jusqu’au jour où, 11 plaçant sa main entre le tube et l’écran, il y visu alise la silhouette d’une main : la sienne ! Il reproduit l’expérience et obtient ainsi les premières radioscopies. Tendre époux il fait participer sa femme Bertha don t il obtient une saisissante photo du squelette de la main. 12 Cette photographie de Bertha et les explications de Röntgen suscitent l’émoi da ns le monde scientifique mais seul Wilhelm sera lauréat du premier prix Nobel de physique décerné en 1901. Ces résultats interpellent de nombreux savants dont Becquerel qui, lui, étudie la fluorescence sur les plaques photographiques espérant que la lumière solaire qui vient frapper une plaque sensible soit réémise, du moins en partie. Mettant à profit une météo pluvieuse de février 189 6 pour prendre quelque congé Becquerel place certaines de ces plaques dans un meuble qui contient du sulfate d’uranyle et de potassium. Revenant après quelques jours il constate que les plaques ont, semble-t-il, été s ur-impressionnées durant ce séjour pourtant à l’abr i des rayons solaires. Il reproduit les conditions de l’expérien ce avec des plaques neuves et constate à nouveau le ur modification qu’il ne peut mettre que sur le compte des sels d’uranium. Becquerel, à l’instar de Röntgen, leur donne un nom : les rayons uraniques. C’est alors que Marya Sklodowska entre dans l’arène . Née à Warszawa [Varsovie] d’un père épris de scienc e et d’humanisme, athée au demeurant, ses dons et s on caractère font qu’elle émigre en France en 1894 et obtient une licence-es-sciences. Elle fait la connaissance de Pierre Curie, scientifique de renom, qui la marie, et, en 1897 nait leur première fille Irène. Marya Sklodowska devient française et se fait appeler Marie Sklodowska-Curie. Désireuse de prog resser et de se faire une place dans le monde universitaire, elle s’attèle à la rédaction d’une thèse portant su r les rayons uraniques de Becquerel. La légende supplante souven t la vérité mais il est clair que sans la rigueur s cientifique de Marya, sans sa ténacité et sa croyance en la valeur de la Science, sans sa clairvoyance, son étude n’a urait pas 13 connu une telle consécration, du moins pas dans cette vision de l’honneur de l’esprit humain . Assistée de son époux déjà célèbre pour ses travaux sur la piézoélectricité elle constate que non seul ement l’uranium et le thorium, un autre matériau connu po ur ses “rayons”, mais aussi des minerais comme la p echblende et la chalcolite émettent un rayonnement. Elle réalise seule la synthèse de ce dernier produi t et, à sa grande surprise, constate que cet élémen t artificiel 14 pur émet moins de rayonnement que le minerai naturel pourtant mélangé à des corp s étrangers. Face à cette étrangeté la savante donne toute la me sure de sa pertinence : un autre constituant existe donc au sein de l’élément naturel et ça n’est pas de la chalcolite. On connaît la suite. Des mètres cubes de pechblende filtrés, tamisés, sé parés, pour obtenir un nouveau corps nommé Polonium , galanterie de Pierre, proche du bismuth. Nous sommes en 1898 et quelques temps après les Cur ie isolent un autre corps, cette fois proche du bar yum, qu’ils nomment Radium pour ses propriétés “radioactives”. C’est en effet la première fois qu’un corps chimique ne peut être caractérisé par ses paramètres habituels comme sa masse mais seulement par ses propriétés ex ternes radiatives. La physique atomique vient de supplanter la chimie traditionnelle mais en ces temps-là, d’autres cherc heurs imaginent la constitution de la matière et plus particulièrement la structure atomique.
e La découverte de l’atome au début du XX siècle est un long fleuve tranquille e 15 A la fin du XVIII siècle alors que la chimie a remplacé l’alchimie , un éminent scientifique britannique, John Dalton, distingue la première hiérarchie structurelle de la matière. Il affirme que tous les corps de taille appréciable, qu’ils soient liquides ou solides, sont constitués d’un grand nombre de particules extrêmement petites , ou atomes, liées entre elles par une force plus ou moins puiss ante selon les circonstances pour former des molécu les. Le point capital que nous offre la théorie atomique de Dalton par rapport à ses prédécesseurs c’est qu’il donne des relations chiffrées aux actions chimiques. En 1869 un chimiste russe Dimitri Ivanovitch Mendel eïev classe tous les corps chimiques connus, voire ceux 16 qui pourraient exister , pour offrir une table qui ordonnance tous les éléments selon leur rang atomique.
Figure 2 – La “liste” de Mendeleïev dans l’édition