Et si les familles Curie et Joliot-Curie nous parlaient du nucléaire?

L'histoire de la découverte de la radioactivité et du nucléaire

« Dans la vie, rien n'est à craindre, tout est à comprendre », disait Marie Curie à ses filles. Une phrase exprimant toute la passion qu'animait une scientifique d'exception, pionnière féminine de la recherche scientifique. Aujourd’hui, au cœur de la polémique sur le nucléaire et alors que les réacteurs de Fukushima, endommagés par un tsunami, contaminent tout le Nord-Est du Japon, nous pouvons nous demander si les couples Curie et Joliot-Curie se doutaient des conséquences de leurs découvertes.

« Dans la vie, rien n'est à craindre, tout est à comprendre », disait Marie Curie à ses filles. Une phrase exprimant toute la passion qu'animait une scientifique d'exception, pionnière féminine de la recherche scientifique. Aujourd’hui, au cœur de la polémique sur le nucléaire et alors que les réacteurs de Fukushima, endommagés par un tsunami, contaminent tout le Nord-Est du Japon, nous pouvons nous demander si les couples Curie et Joliot-Curie se doutaient des conséquences de leurs découvertes.

 

Effet Fukushima : influence sur les opinions ?

 

Timbre en l’honneur de Marie Curie émis en 1967
pour le centenaire de sa naissance
Timbre Marie Curie

 

Je levais des yeux étonnés et j'observais la guichetière de la Poste qui venait de prononcer ces mots : « Les timbres sur Marie Curie ? En ce moment, c’est rare qu’on me les demande. » Marie Curie, scientifique d’exception et figure de proue du féminisme, a-t-elle vu sa réputation ternie par conséquence des récents accidents nucléaires ?

La famille Curie, que l'on appelle aussi la famille aux cinq Nobels, était une famille passionnée par la science. Ils donnèrent leur santé à la physique, la chimie, les mathématiques, la médecine... Eve Curie disait, fort justement, de sa mère qu'elle faisait de la recherche scientifique simplement « [...] parce qu'elle aimait ça ». Pourtant, lorsque les Curie restaient enfermés de longues heures dans leur salle obscure à manipuler le dangereux produit, se doutaient-ils des conséquences de leurs découvertes et des utilisations qui en seraient faites ? L’opinion que l’on porte sur la science change souvent au fil des époques selon l’état des connaissances mais aussi selon l’histoire. Néanmoins, les discours de conférence Nobel de Pierre Curie en 1903 puis d’Irène Joliot-Curie et Frédéric Joliot en 1935 sont significatifs du degré d’anticipation des opinions de l’époque quant à la radioactivité et au nucléaire.

 

De la radioactivité au nucléaire ?

 

Entre dépendance et crainte, notre rapport au nucléaire est ambigu. Nous voulons retracer ici le plus objectivement possible l’histoire de la découverte de la radioactivité et du nucléaire en présentant les divers acteurs de cette épopée du nucléaire et en effleurant leurs intuitions sur les implications de leurs découvertes.

 

Pierre et Marie Curie
Pierre Marie Curie
 

 

Une histoire de l’exploration de l’atome

 

L’histoire de la radioactivité est indissociable de celle de l’exploration de la structure de l’atome. En effet, à l’époque où le couple Pierre et Marie Curie commençait ses études sur les rayonnements uraniques, la description scientifique de l’atome annonçait celui-ci comme étant un objet abstrait, insécable et plein. On a appris depuis, et notamment grâce à la description par Niels Bohr (1913) de l’atome, que celui-ci est composé d’un noyau (protons et neutrons) ainsi que d’électrons gravitant très rapidement autour de ce noyau mais surtout qu’il est composé de beaucoup de vide.

Modèle planétaire de l’atome hérité de Bohr et Rutherford. La représentation n’est pas à l'échelle. En effet, Frédéric Joliot le compara un jour « à un pépin d'orange placé sur l'obélisque de la Concorde avec des poussières tournant autour à la distance de l'Hôtel Crillon ».
atome

De nos jours, le modèle de l’atome utilisé est issu de la mécanique quantique dans lequel les électrons ne circulent plus autour du noyau selon des orbites mais où les électrons sont repartis de manière probabiliste (le fameux « nuage électronique »).

Le noyau des atomes, créé principalement dans la fournaise des étoiles, est constitué de nucléons : les protons (de charge positive) et les neutrons (de charge nulle) dont les masses sont environ 2000 fois plus élevées que celle de l’électron. Au fil des découvertes, il est apparu que tous les noyaux n’étaient pas stables. Dans ce contexte, la radioactivité naturelle englobe l'ensemble des rayonnements émis spontanément par les matériaux dont les atomes sont instables.

Il est très intéressant de parcourir les discours de conférence Nobel de Pierre Curie en 1903 et d’Irène et Frédéric Joliot-Curie en 1935 et de constater que tout, ou presque, concernant le phénomène de la radioactivité était, dans ces discours, soit compris soit supputé*. Notons dans le discours de Pierre Curie, l’introduction du terme de « radioactivité » expliquée comme étant une propriété « atomique » de l’uranium et du thorium.

Les divers effets des radiations émises sont attribués à une émission d’énergie et celles-là sont déjà classées en trois catégories. Lors de ces années, Rutherford fut à l’origine de la compréhension de la composition du noyau ainsi que des radiations dites radioactives. Ce fut lui qui nomma ces trois classes de radiations : alpha, béta et gamma. On constate enfin qu’entre le discours de Pierre Curie et ceux d’Irène et Frédéric Joliot-Curie, les suppositions quant à la nature des trois classes de rayonnements ont été confirmées et validées alors que l’existence d’un corpuscule (l’électron) n’avait été qu’envisagée. La description de ces phénomènes qu’en donna Frédéric Joliot est étonnamment identique à celle que nous utilisons aujourd’hui si ce n’est l’absence des neutrinos (particules non chargées et de masse quasi-nulle émise lors de l’émission radioactive) ainsi que des propriétés introduites par la mécanique quantique.

 

La radioactivité artificielle

 

Radioactivité : Les rayonnements alpha, béta et gamma
sont issus de phénomènes différents au sein du noyau.
radioactivité

 

Si la découverte de la radioactivité est à attribuer à Pierre et Marie Curie, celle de la radioactivité artificielle est le fruit du labeur de leurs successeurs : Irène Joliot-Curie et Frédéric Joliot qui reçurent le prix Nobel de chimie en 1935. En bombardant différents noyaux avec des rayonnements alpha, ils démontrèrent qu’ils pouvaient rendre la matière radioactive. En effet, le noyau bombardé peut à son tour émettre du rayonnement dit radioactif : le rayonnement alpha correspondant à l’émission de noyaux d’hélium, le rayonnement béta correspondant à l’émission d’électrons et de positrons et enfin le rayonnement gamma pour ce qui est de l’émission de photons. Ils comprirent ensuite très rapidement que lors de ces émissions, une partie du noyau de l’atome est arrachée. Le noyau change alors de composition et le matériau subit une transmutation en un matériau de noyau plus petit. Ce phénomène est fondamental car il montre que la radioactivité est une propriété de toute matière, que celle-ci est en changement permanent et que grâce à la radioactivité artificielle, l’homme peut reproduire de substances radioactives disparues à force de décomposition de leurs noyaux.

Vallée de la stabilité : Dans la famille des noyaux à 127 nucléons, seul le noyau d’iode-127 est stable. Si l’on représente les énergies de masse (mc2) des noyaux de cette famille, la courbe des masses a l'allure d'une vallée. Le nombre de protons augmente de gauche à droite, alors que celui des neutrons diminue. L’énergie de l’iode-127 étant prise comme 0, les différences d’énergies sont exprimées en millions d’électronvolts. Les noyaux sur le flanc gauche de la vallée, excédentaires en neutrons retrouvent la stabilité par une suite de désintégrations bêta-moins, ceux du flanc droit (excédentaires en protons) par une suite de désintégrations bêta-plus. (c) IN2P3
Vallée de la stabilité

 

Les atomes peuvent être classés dans un tableau appelé « vallée de la stabilité ». Au fond de la vallée se trouvent les éléments stables plus légers que les autres. Les éléments se trouvant à sa gauche portent un excédent de neutrons alors que ceux de droite portent un excédent de protons. Sous l’effet d’un bombardement par des rayonnements alpha, des neutrons peuvent être transformés en protons et inversement. Une cascade peut ainsi être parcourue des éléments aux deux extrémités (plus lourds) jusqu’à l’élément stable le plus léger. La compréhension de ce phénomène est assez complexe et nécessite l’introduction de concepts de la mécanique quantique ainsi que l’utilisation des éléments fondamentaux constituant les protons et neutrons, appelés quarks. Ce sont ces derniers qui, lors de la transmutation, changent d‘identité et modifient la composition du noyau. En parallèle de cette transmutation, des électrons et des neutrinos peuvent être émis. C’est la radioactivité artificielle !

 

Les « suites » de la découverte de la radioactivité

 

Déchets nucléaires
déchets nucléaires

 

Hiroshima, Nagasaki, Tchernobyl, Three Mile Island, Fukushima, des noms funestement associés à la radioactivité ou plus rigoureusement à celui du nucléaire. Aujourd'hui que la question se pose de se défaire progressivement du nucléaire, le bienfondé du savoir scientifique est lui aussi remis en question. Au 21e siècle, notre relation avec la radioactivité reflète ainsi l'ambivalence de nos rapports avec la science. Entre dépendance et crainte, nous restons fascinés par des phénomènes qui ont dépassé les imaginations les plus folles. Plus de quatre-vingts pour cent de l'énergie produite en France par EDF est issue du nucléaire. Nombre de techniques de médecine sont liées à la radioactivité notamment la curiethérapie encore utilisée de nos jours.

Les phénomènes de transmutation permettent de modifier la matière*. En comparant les matériaux avant et après transmutation, de nombreuses informations sur l’origine et la formation de la matière peuvent être dégagées. Ainsi la découverte de la radioactivité artificielle avait eu des retombées dans tous les domaines de la connaissance : géologie, chimie, biologie…

 

La médecine nucléaire
médecine nucléaire

 

C’est en médecine que les premières applications de la radioactivité furent développées. Dès le début du 20e siècle, les éléments radioactifs furent utilisés  pour déposer de l’énergie directement au contact du tissu cible pour les cures contre le cancer. Puis très vite une nouvelle médecine apparut : la curiethérapie. Dès 1923, Georg von Hevesy découvre la méthode des indicateurs mais c'est principalement la découverte de la radioactivité artificielle en 1934 par Irène et Frédéric Joliot-Curie qui mit à la disposition des médecins et des biologistes une panoplie d'isotopes radioactifs à courte durée de vie, tels que l’iode 131 obtenu par fission de l’uranium 235. Ces nouveaux éléments à courte période de vie furent rapidement utilisés comme traceurs radioactifs dans le corps humain. Ainsi, après injection de l’iode radioactif dans le corps, le suivi du devenir biologique des organes internes fut possible ainsi que le traçage des substances injectées. Des doses maximales doivent être respectées afin de ne pas porter atteinte à la santé du patient. L’iode est ensuite naturellement éliminé. Ceci marque le début d’une nouvelle discipline : la médecine nucléaire avec des applications pour le diagnostic (la scintigraphie,  l’IRMN, …) et les thérapies (la chimiothérapie, les thérapies par rayonnement…)

 

Irène et Frédéric Joliot-Curie, précurseurs du Commissariat à l’Energie Atomique (CEA)

 

De prescience, Frédéric Joliot en fit preuve. Irène et lui surent de suite que la radioactivité artificielle aurait des applications en médecine, en biologie, en astrophysique mais aussi dans beaucoup d’autres domaines. De la même manière, en décembre 1935, il conclut son discours Nobel par ces mots :

 
« […] nous sommes en droit de penser que les chercheurs construisant ou brisant les éléments à volonté sauront réaliser des transmutations à caractère explosif, véritables réactions chimiques à chaînes. Si de telles transmutations arrivent à se propager dans la matière, on peut concevoir l'énorme libération d'énergie utilisable qui aura lieu…

Irène Joliot-Curie et Frédéric Joliot, Discours Nobel, 1935 »

 

L’idée des réactions en chaîne sur laquelle sont bâties les centrales nucléaires était lancée bien que celles-ci ne furent produites qu’en 1939. Quatre années auparavant, Frédéric Joliot imaginait déjà une explosion libérant une quantité d’énergie colossale et finissait son discours en espérant que les chercheurs concernés prendraient « [...] toutes les précautions nécessaires pour la contenir. »

Frédéric Joliot, alors qu’il était directeur du CNRS sous le gouvernement du Général de Gaulle, fut nommé premier haut-commissaire du CEA. Il œuvra donc pour la mise en marche en 1948 du premier réacteur nucléaire, nommé Zoé. En parallèle, il militait activement dans le Mouvement international de la paix. Il lancera notamment le 9 mars 1950 par le biais du Conseil Mondial de la Paix, le fameux « appel de Stockholm » pour l'interdiction de la bombe atomique [3] :

 
« Nous exigeons l’interdiction absolue de l’arme atomique, arme d’épouvante et d’extermination massive des populations. Nous exigeons l’établissement d’un rigoureux contrôle international pour assurer l’application de cette mesure d’interdiction. Nous considérons que le gouvernement qui, le premier, utiliserait, contre n’importe quel pays, l’arme atomique, commettrait un crime contre l’humanité et serait à traiter comme criminel de guerre. Nous appelons tous les hommes de bonne volonté dans le monde à signer cet appel. Appel de Stockholm, 1950 »
 

Ses prises de position lui vaudront, en pleine guerre froide, de perdre son poste à la tête du CEA. On constate ainsi la portée des interrogations que suscitèrent ces différentes découvertes pour les cerveaux qui les avaient conçues.

Et si Pierre Curie nous parlait du nucléaire?

« Pierre Curie était un rêveur; c'était aussi un penseur », nous rappelle Renaud Huynh, directeur du Musée Curie, 1 rue Pierre et Marie Curie. Ainsi, alors que le nucléaire n'existait pas encore et que nulle énergie n'était extraite des matières radioactives, il est remarquable de relever le paragraphe final du discours de Pierre Curie à l'académie Nobel en 1903. Une phrase peu précise, mais pressentant les dangers de la découverte de la radioactivité :

 

« On peut concevoir encore que dans des mains criminelles le radium puisse devenir très dangereux, et ici on peut se demander si l'humanité a avantage à connaître les secrets de la nature, si elle est mûre pour en profiter ou si cette connaissance ne lui sera pas nuisible. L'exemple des découvertes de Nobel est caractéristique, les explosifs puissants ont permis aux hommes de faire des travaux admirables. Ils sont aussi un moyen terrible de destruction entre les mains des grands criminels qui entraînent les peuples vers la guerre. Je suis de ceux qui pensent, avec Nobel, que l'humanité tirera plus de bien que de mal des découvertes nouvelles. » Pierre Curie, Discours Nobel, 1903
 

Les controverses questionnant l’utilisation massive du nucléaire comme source d’énergie alimentant nos villes et nos industries ne seront pas abordées ici, ni les risques sanitaires qui y sont associés. L’intérêt de cet article était simplement de se remémorer l’histoire de la radioactivité en réintroduisant les acteurs principaux des premières découvertes ainsi que les bases de la physique de l’atome. L’histoire de la radioactivité étant sous-jacente à toutes les disciplines de la science moderne cet article nous permettra de revenir ensuite sur les termes et les concepts évoqués.

Les quelques phrases de Pierre Curie et de Frédéric Joliot que nous avons citées sont assez représentatives d’une part de l’état de contemplation de la société face au nouveau phénomène, la radioactivité, mais aussi et surtout de leur soupçons concernant les quantités phénoménales d’énergie qui pourraient être libérées ainsi que son utilisation tant pour le bien que pour le mal de l’humanité.

*Ces avancés scientifiques ne sont pas toutes le fait des membres Curie, et ceux-ci eurent l’obligeance d’associer chaque nouveau concept avec les noms de ceux qui en étaient à l’origine.

*Cette méthode permit de sonder la matière jusqu’au jour où en 1932 Ernest Lawrence construisit à Berkeley le premier accélérateur de particules, précurseur des accélérateurs modernes ceux au CERN.

 

(c) Metin Tolun; tiero; uwimages - Fotolia.com Photos du Musée Curie

 

Nous remercions le musée Curie de nous avoir reçues dans leurs locaux. Le musée est provisoirement fermé pour réaménagement des locaux jusqu'au second semestre 2011. L'ensemble  des travaux est financé grâce à l'attribution d'un legs de Madame Eve Curie-Labouisse, fille cadette de Pierre et de Marie Curie, décédée en 2007. Toujours très proche de l'Institut Curie, elle souhaitait ainsi que le musée Curie soit rénové, en mémoire de sa mère.

 

En savoir plus :

 

1) Un site destiné au grand public rédigé par des chercheurs et/ou enseignants-physiciens de l’IN2P3/CNRS présente les divers aspects de la radioactivité et l’ensemble de ses applications en collaborations avec des chercheurs en multimédia http://www.laradioactivite.com/

2) Pour consulter les premiers articles scientifiques publiés par Marie Curie (issus des archives du Musée Curie) :

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