Le Canada-français /, 1 décembre 1937, Au coeur de l'atome

Physique AU CŒUR DE L’ATOME Depuis trois ou quatre ans, dans les milieux scientifiques et parfois dans les journaux, on parle couramment de briseurs d’atomes, de bombardements, de fusils et de projectiles atomiques, de gerbes explosives, de forteresses nucléaires, de remparts d’énergie, de captures de neutrons et même d’annihilation de la matière, expressions dont le ton contraste singulièrement avec la sérénité proverbiale des laboratoires.Serait-ce que les savants éprouvent le besoin de sublimer dans une violence toute verbale leurs instincts belliqueux ?Ou bien, par un phénomène d’entraînement historique, la physique passerait-elle par une période de bouleversements analogues à ceux qui se produisent dans le monde social et politique ?Chacune de ces suppositions contient sa part de vérité.Mais il faut chercher ailleurs la raison pour laquelle les savants ont adopté le langage des artilleurs.C’est que leurs expériences ont atteint un degré de finesse tel qu’ils ont à jouer avec les particules ultimes de matière et d’énergie et que ce jeu consiste à les lancer les unes contre les autres, comme des projectiles, pour étudier leurs réactions.Dans cet article, forcément incomplet, j’essaierai d’exposer, dans un langage aussi familier que possible, ce qui se passe dans le monde de l’atome.Il sera bon de rappeler d’abord quelques notions générales sur la structure du monde matériel, pour parler ensuite des travaux récents qui ont abouti à la découverte de particules atomiques nouvelles et à la transmutation des éléments.La chose n’est pas facile.Les physiciens ont entrepris de reconstruire le monde à leur façon, qu’ils croient bonne, afin de le rendre plus compréhensible et plus maniable.Pour le décrire, ils se servent d’un langage qu’ils ont appris des mathématiciens.On n’ose pas trop leur demander des nouvelles de leur univers, car leurs réponses sont embarrassées de tous les désespoirs de la traduction.Quand 378 LE CANADA FRANÇAIS ils se servent d’images, généralement les mêmes auxquelles ils font appel pour s’inspirer dans leurs recherches, il faut se garder d’y voir autre chose que des représentations, suffisamment vagues pour rester compréhensibles, de concepts dont l’expression exacte ne peut être que de forme mathématique.Dans le cas qui nous occupe, la discontinuité qui règne dans le monde atomique nous autorise à nous représenter les particules élémentaires comme de petites boules, dans la mesure où cela peut nous aider à voir ce qui se passe.La structure granulaire du inonde matériel En cherchant à expliquer les propriétés des objets matériels, la science devait logiquement aboutir soit à un échec, soit à nous démontrer que ces propriétés, telles que nous les observons, ne sont que des illusions.Par exemple, lorsque les chimistes, cherchant à comprendre les changements que subissent les substances, constatèrent qu’elles se résolvent toutes en un nombre limité d’éléments indécomposables et que ces éléments se combinent les uns aux autres dans des proportions simples, il leur fallut renoncer à l’illusion que les corps que nous voyons sont quelque chose de simple, d’homogène, de continu.Chaque élément se résout en une poussière de granules extrêmement ténus et insécables qui sont les atomes.Ces atomes s’associent entre eux pour former des granules composés, des molécules.Les mouvements de ces molécules rendent compte des propriétés physiques des corps ; leur structure en explique les propriétés chimiques.Encore faut-il que ces molécules soient suffisamment petites pour sauver jusqu’à cette apparence de continuité des corps, dont elles sont la négation.Ainsi nos sens, trop grossiers pour distinguer les particules s’agitant et se groupant au hasard, ne perçoivent que les aspects changeants de l’ensemble, résultats du fourmillement intérieur.Imaginée déjà par Démocrite, cette notion de particule matérielle a fait longtemps figure de fantaisie brillante et n’est entrée dans la science qu’à partir du moment où l’on a commencé à en déduire des conséquences et à les vérifier par des expériences.Aujourd’hui, elle est à la base de la physique et de la chimie.Durant plus de cent ans, l’extrême petitesse des molécules les a soustraites à toutes les tentatives de mesure.C’est AU CŒUR DE L’ATOME 379 au débi^t de notre siècle que leurs dimensions nous ont été révélées par les admirables travaux de Perrin et de quelques autres.Sans entrer ici dans la description des méthodes expérimentales employées, rappelons seulement qu’elles font appel à des phénomènes aussi disparates que les mouvements des grains d’une émulsion de mastic, la charge électrique élémentaire, la couleur bleue du ciel, les particules émises par le radium, la structure des spectres et l’analyse des cristaux par les rayons X.Ce qui inspire confiance, c’est que toutes ces méthodes donnent, à moins de un pour cent près, le même résultat.Le nombre N de molécules contenu dans une molécule-gramme d’une substance (par exemple : deux grammes d’hydrogène, trente-deux grammes d’oxygène, dix-huit grammes d’eau, etc.) est N = 6,06X1023, ce qui s’écrit aussi i 606 000 000 000 000 000 000 000 c’est-à-dire six suivi de vingt-trois zéros.Une personne qui compterait toutes ces molécules à raison d’une par seconde se tiendrait ainsi occupée pendant vingt millions de milliards d’années.Supposons une tasse à thé contenant cent quatre-vingt centimètres cubes d’eau et faisons une chaîne de toutes les molécules qu’elle contient, de façon que chacune soit séparée de sa voisine par une distance d’un millimètre, la largeur d’une tête d’épingle.Notre chaîne s’enroulera cent mille milliards de fois autour de l’équateur terrestre.Si nous ajoutons par mégarde une seule goutte d’eau, il nous faudra faire une dizaine de milliards de tours de plus ! Le poids de l’une de ces molécules est de : 0, 000 000 000 000 000 000 000 059 gramme environ.Il en faudrait quelques milliers de milliards pour couvrir la tête d’une épingle.J’ai donné ces quelques chiffres pour qu’on puisse se faire une idée de l’ordre de grandeur des molécules.Les atomes dont elles se composent sont nécessairement un peu plus petits.Enfin, en physique nucléaire, on a affaire à des particules dont les dimensions sont une centaine de mille fois moins considérables.Tout comme ce que nous appelons la matière, l’électricité est formée de gains discontinus.On sait qu’elle se présente sous deux formes complémentaires, positive et négative, et que deux charges de même signe se repoussent, tandis qu’elles s’attirent si elles sont de signes contraires.En 1909, Mil- 380 LE CANADA FRANÇAIS likan entreprit de mesurer la plus petite charge électrique que peut porter une gouttelette d’un brouillard très fin.Il trouva que cette charge, très petite, variait par bonds discontinus et que sa valeur était toujours un multiple simple d’une même charge élémentaire qu’il reconnut comme l’atome d’électricité et appela : électron.L’électron pèse 1847 fois moins que le plus petit des atomes, celui d’hydrogène.Dans une ampoule de cent watts, il en passe par seconde un nombre qui s’écrit : 159 suivi de seize zéros.La charge élémentaire d’électricité positive est égale à celle de l’électron, mais on la trouve généralement associée à une masse 1847 fois plus grande, constituant une particule que l’on appelle le 'proton et qui n’est autre que le noyau de l’atome d’hydrogène.On construit maintenant des appareils capables de déceler un seul électron et même de le photographier.L’énergie elle-même n’échappe pas à cette loi générale de discontinuité.En 1900, Planck a découvert qu’elle se présente toujours sous forme de petits paquets auxquels il a donné le nom de quanta et qui sont de véritables atomes d’énergie.Cette structure granulaire se retrouve dans l’énergie sous toutes ses formes : mécanique, électrique, calorifique, lumineuse.Un rayon lumineux est une mitraille de quanta lancés à la vitesse de trois cent mille kilomètres à la seconde, que l’on appelle des photons.On représente le photon par le produit hp, où v est la fréquence du rayonnement considéré et h une constante appelée constante de Planck.Considéré à notre échelle, le quantum d’énergie est aussi effroyablement petit que l’atome et l’électron.Le vide organisé Voyons maintenant ce qu’il y a à l’intérieur de l’atome.Par définition, c’est la particule ultime et insécable ; mais les définitions scientifiques sont provisoires.Dès que l’on a pu bombarder l’atome avec des photons et des particules électrisées, on s’est aperçu qu’il ne réagissait pas tout d’une pièce, mais qu’il était lui-même composé d’autre chose et que cette autre chose était surtout du vide.Vers 1910, Rutherford et Bohr ont montré que l’on trouve dans l’atome deux régions principales : une enveloppe d’électrons ayant un diamètre de l’ordre du cent-millionième de centimètre AU CŒUR DE L’ATOME 381 et, tout au centre de cette coquille, un tout petit noyau cent mille fois plus petit et porteur d’électricité positive.C’est dans ce noyau infime qu’est concentrée presque toute la masse de l’atome ou, si vous le voulez, ce qu’il nous est encore permis d’appeler de la matière, faute de le connaître suffisamment.La charge positive du noyau est égale au nombre des électrons de l’enveloppe, de sorte que l’ensemble est électriquement neutre.Si l’on détruit cet équilibre électrique, on a une particule chargée qui peut se déplacer dans un champ électrique et que l’on appelle pour cette raison un ion.Pour nous faire une idée de l’aspect que présente cette structure, prenons un atome d’hydrogène et agrandissons-le dix mille milliards de fois.Nous avons un noyau très lourd, de la grosseur d’une noisette, dans lequel est concentrée presque toute la masse de notre atome, et, à une distance d’environ un mille, retenue par l’attraction du noyau et s’agitant autour de lui, une autre petite boule dix-huit cent quarante-sept fois plus légère : l’électron.Que le noyau s’alourdisse deux cent trente-huit fois et qu’une nuée de quatre-vingt-douze électrons flotte autour de lui, nous aurons le plus lourd des atomes, celui de l’uranium.Toutes proportions gardées, il y a autant de vide à l’intérieur de l’atome que dans les espaces interplanétaires.De ces deux régions de l’atome, l’enveloppe électronique nous est la plus accessible.La structure en est assez bien connue et c’est à elle que l’on rapporte les propriétés chimiques, optiques et électriques de l’atome, étudiées couramment dans les laboratoires.Quant à la partie centrale, elle avait résisté jusqu’à ces dernières années à tous les bombardements et seuls les projectiles qu’elle lançait parfois d’elle-même en explosant nous permettaient de nous faire une vague idée de sa constitution.En résumé, si les objets matériels nous paraissent pleins et continus, c’est là une illusion qu’il faut attribuer à la grossièreté de nos sens.Nous les voyons comme nous verrions de loin une plage de sable ; sous une apparence d’homogénéité se cache une structure granulaire.A mes yeux comme à la pointe de mon crayon, la feuille de papier sur laquelle j’écris en ce moment présente une surface lisse et sans discontinuité.Si je l’examine avec des instruments de plus en plus raffinés, j’y verrai un enchevêtrement de 382 LE CANADA FRANÇAIS fibres et dans ces fibres des cellules, composées chacune de milliards de molécules dont chacune résulte du groupement d’un certain nombre d’atomes.De quoi sont faits ces atomes ?De vide dans lequel flottent quelques parcelles négligeables de ce que je continue provisoirement à appeler de la matière.Tout ce qui me reste de ma feuille de papier, c’est un vide organisé, auquel quelques nœuds d’énergie placés aux bons endroits confèrent une certaine impénétrabilité.J’entends par là que, le papier étant du vide organisé d’une certaine façon et mes doigts, du vide organisé d’une autre façon, ces deux organisations ne peuvent imposer en même temps leurs structures à la même région de l’espace.Faut-il regretter la simplicité plus substantielle de la bonne feuille de papier non scientifique ?Si l’on veut, comme on regrette qu’un portrait pourtant bien ressemblant ne soit pas le personnage lui-même.D’ailleurs, il reste encore de la matière dans la feuille de papier scientifique; elle se cache dans ces portions infimes de l’espace, dont la structure nous est encore inconnue, et que nous appelons pour cette raison particules fondamentales.La forteresse nucléaire Les artilleurs du monde atomique évaluent les énergies de leurs projectiles en électron-volts.C’est l’énergie qu’acquiert une électron en tombant d’une hauteur d’un volt dans un champ électrique.Il suffit de projectiles de quelques électron-volts pour disloquer les couches superficielles de l’enveloppe électronique de l’atome.Les rayons X, avec leurs photons de quelques dizaines de mille électron-volts, parviennent à troubler les couches les plus profondes de cette enveloppe.Mais le noyau leur oppose une muraille d’énergie impénétrable ; jusqu’à ces derniers temps, il était resté inexpugnable.Cependant on n’ignorait pas totalement sa constitution.Certains noyaux, comme ceux de l’uranium, du radium, du polonium, ont une vie éphémère dont la durée moyenne varie, suivant les cas, d’une fraction de seconde à quelques milliards d’année.Tôt ou tard ils explosent, émettant des projectiles très puissants dont les énergies se mesurent en millions d’électon-volts.C’est le phénomène de la radioactivité, que Becquerel découvrit en 1896, en travaillant sur AU CŒUR DE L’ATOME 383 l’uranium.L’uranium a la vie longue ; dans une masse de deux cent trente-huit grammes, il meurt en moyenne trente millions d’atomes par seconde.Trois ans plus tard, Pierre Curie et sa femme isolèrent le radium, dont la vie est beaucoup plus courte : 1700 ans seulement.Ces découvertes ébranlèrent le dogme de l’immutabilité des éléments, professé par la science du XIXe siècle, et annoncèrent la renaissance de l’alchimie.L’analyse du rayonnement émis par ces éléments radioactifs allait renseigner les savants sur le contenu du noyau.On eut tôt fait de reconnaître que les projectiles auxquels on avait affaire se répartissent en trois groupes, auxquels on donna les noms de rayons alpha, bêta et gamma'.Rutherford, alors professeur à l’université McGill, démontra que la particule alpha est identique au noyau de l’hélium, gaz rare dont le nom provient de ce qu’on l’a découvert d’abord dans le soleil, avant de le retrouver sur la terre.La masse de ce noyau est à très peu de chose près quatre fois celle de l’hydrogène et il porte deux charges électriques positives.Les rayons bêta sont des électrons et les rayons gamma des photons, c’est-à-dire de petits paquets d’énergie pure.Il était tout naturel d’admettre que ces particules expulsées par le noyau atomique y entrent à titre de constituants.D’excellentes raisons permirent de considérer en plus le proton comme l’une des pierres fondamentales du noyau atomique.Ces particules sont lancées par le noyau mourant avec des énergies de quelques millions d’électron-volts.Il était donc à prévoir que l’on ne pourrait démolir les noyaux des atomes que le jour où l’on réussirait à fabriquer des canons atomiques capables de lancer des projectiles avec des énergies comparables à celles-là.Les pièges atomiques Avant d’aller plus loin, il faut dire quelques mots des méthodes employées pour capter et étudier les particules émises par les corps radioactifs.Leur simplicité étonne, quand on songe à l’extrême petitesse des êtres qu’il s’agit de mesurer.L’une des propriétés le plus tôt reconnues du radium est son pouvoir de rendre l’air conducteur de l’électricité.Le 1.Voir plus loin la liste des particules élémentaires. 384 LE CANADA FRANÇAIS projectile qui traverse un gaz bouscule les molécules qu’il rencontre et leur arrache des charges électriques.Ces molécules ainsi ionisées, c’est-à-dire ayant perdu leur neutralité électrique, flottent dans le gaz et lui permettent de conduire l’électricité.On peut ainsi mesurer 1 intensité d’un rayonnement en observant la vitesse de déchargé d un électroscope.Des chambres d’ionisation très sensibles permettent d’apprécier l’ionisation due au passage d’une seule particule.Mais ce sont là des méthodes globales, qui nous renseignent sur les propriétés d’un rayonnement sans atteindre individuellement les corpuscules dont il se compose.On a imaginé des pièges plus raffinés, qui captent un par un les projectiles atomiques.Si l’on bombarde de particules alpha un écran phosphorescent de sulfure de zinc, substance dont sont recouverts les chiffres lumineux des montres, et qu’on l’observe attentivement à l’obscurité, on voit éclater, sur un fond noir, de petites scintillations dont chacune marque un point qui vient d’être frappé par une particule.Cette expérience d’une simplicité enfantine permet de constater que ce rayonnement est une véritable mitraille.On fait ainsi le comptage statistique des particules frappant par seconde une surface donnée.Mais cette observation visuelle est fastidieuse quand il s’agit de travaux de longue haleine et, ce qui est plus grave, ses résultats sont entaches d erreurs subjectives.On l’a remplacée par une méthode électrique à enregistrement automatique.L’appareil utilise à cette fin, le compteur de Geiger, se compose d un petit tube métallique traversé suivant son axe par un fil très fin et rempli d’air à une pression de quelques centimètres de mercure.Entre le tube et le fil, on établit une différence de potentiel électrique de l’ordre de mille volts, inférieure de quelques volts seulement à celle qui provoquerait une décharge spontanée à travers le gaz.Dans ces conditions, il suffit qu une particule électrisée traverse le gaz pour amorcer la décharge.Au moyen d’amplificateurs et de relais, on enregistre automatiquement ces signaux.Non seulement on compte aisément les atomes, les électrons et les photons, mais on peut encore voir et photographier leurs trajectoires au moyen du plus merveilleux instrument que possède la physique nucléaire : la chambre de Wilson.Wilson étudiait le mécanisme de la formation des nuages et des brouillards.Ayant reconnu que la vapeur AU CŒUR DE L’ATOME 385 d’eau peut rester dans l’air en équilibre instable tant que des poussières ou des ions ne viennent pas déranger cet équilibre et provoquer la précipitation de gouttelettes, il eut l’idée géniale de faire traverser de l’air ainsi sursaturé de vapeur d’eau par des particules alpha, lesquelles, comme on le sait, ionisent les molécules qu’elles rencontrent sur leur passage.Il prévoyait que, sur chaque ion formé, une gouttelette d’eau allait se condenser.L’expérience fut couronnée de succès.Chaque fois qu’un projectile traverse l’appareil, sa trajectoire est dessinée par une fine trace de brouillard semblable à la traînée de fumée que sème derrière elle une fusée.En photographiant cette trace, on peut étudier tous les accidents que la particule a subis et provoqués dans sa course folle à travers les molécules du gaz.En plaçant l’appareil dans un champ magnétique, on voit les trajectoires s’incurver et la mesure de ces courbures permet de calculer les énergies des projectiles.Enfin, d’après la forme de la trace et la densité du brouillard, on sait si on a affaire à un rayon alpha, bêta ou gamma.Grâce à ces méthodes, on a fait une exploration détaillée du monde atomique.Pendant vingt ans, des résultats très intéressants se sont accumulés et le progrès a été considérable, mais graduel.Aucune découverte révolutionnaire n’est venue bouleverser les données du problème.Deux corpuscules nouveaux Un réveil subit s’est produit en 1932, date qui marque le début d’une crise féconde delà physique atomique.Le progrès accompli au cours des cinq années qui ont suivi éclipse tout ce qui a précédé et en fait l’un des chapitres les plus merveilleux de l’histoire des sciences.Déjà en 1930, Bothe et Becker, en Allemagne, avaient remarqué que le béryllium, bombardé par des particules alpha provenant d’une source de polonium, émet un rayonnement secondaire extraordinairement pénétrant, capable de traverser plusieurs centimètres de plomb.Peu de temps après.Curie et Joliot, à Paris, trouvèrent qu’un bloc de paraffine exposé à ces rayons devient à son tour émetteur de protons de grande énergie.Le phénomène paraissait inexplicable.Des rayons aussi pénétrants que ceux de Bothe et Becker ne pouvaient être que des rayons gamma 386 LE CANADA FRANÇAIS de cinquante millions de volts.On ne trouvait aucun mécanisme capable de rendre compte d’une telle energie.Allait-on abandonner le principe de conservation de l’énergie et de la matière ?Chadwick, à Cambridge, préféra penser qu’il s’agissait de rayons de nature encore inconnue, capables de se faufiler à travers un écran de plomb sans avoir besoin pour cela d’une très grande énergie.Or, ce qui arrête le plus sûrement une particule dans un écran absorbant, c est l’ionisation qu’elle produit ; chaque fois qu elle électrise un atome, elle dépense un peu de son énergie et finit ainsi par s’arrêter complètement.Chadwick se dit qu une particule électriquement neutre échapperait à ces influences et serait douée d’un pouvoir de pénétration très considerable.On ne pourrait la déceler que dans le cas très rare d un choc direct avec un noyau, en observant les dégâts qu elle produit.En faisant passer le rayonnement suspect dans une chambre de Wilson, il confirma cette prévision.Des trajectoires apparurent, qui semblaient ne venir de nulle part.C étaient celles de noyaux d’hydrogènes libérés par le choc de particules invisibles.Ces particules reçurent le nom de neutrons.Le neutron a une masse très voisine de celle du proton.On se demande encore lequel de ces deux corpuscules doit être considéré comme élémentaire.Au début, on a pensé que le neutron résultait de l’union d’un proton et d un électron.Plus tard, la découverte du positron, de même masse que l’électron mais positif, a suggéré qu au contraire, c est le proton qui pourrait être compose d un neutron et d un positron.Si l’expérience confirme cette seconde hypothèse, le neutron sera la première particule connue dans la constitution de laquelle il n’entre pas d’électricité.On aura redécouvert la matière.Quelle que soit la structure du neutron, il constitue, pour les bombardements atomiques, un projectile d’une remarquable efficacité.La barrière de potentiel qui entoure et protège le noyau est un champ de forces électriques capables de dévier les particules chargées qu’on lance contre lui.Mais ces forces n’ont aucune prise sur le neutron.Quand un neutron frappe un noyau sans y pénétrer, il lui communique une partie de son énergie et poursuit sa route avec une vitesse diminuée, suivant une loi bien connue des joueurs de billard.Il lui arrive même de se ralentir au point de s’attarder parmi les atomes de la substance qui l’a absorbé ; AU CŒUR DE L’ATOME 387 c’est un projectile devenu flâneur, qui rôde parmi les cibles jusqu’à ce que l’une d’elles le capte.Mais il détruit le noyau qui l’a capté.Ces neutrons lents ont, sur les autres projectiles, l’avantage d’atteindre plus sûrement leur but, parce qu’ils y mettent le temps.Quelques mois après l’entrée en scène du neutron, une nouvelle particule, à laquelle personne ne voulait croire parce qu’elle avait germé de toutes pièces dans le cerveau d’un mathématicien, fit son apparition dans les laboratoires : l’électron positif ou positron.Jusque là, l’électron négatif était considéré comme la seule particule d’électricité pure, la charge positive étant toujours associée à la masse du noyau d’hydrogène.Dirac avait fait une théorie d’après laquelle un électron négatif pourrait être créé dans l’espace, laissant derrière lui un trou éphémère et animé d’une grande vitesse, qui se comporterait comme le sosie positif de cet électron.La théorie prévoyait en outre qu’il faudrait une énergie considérable pour engendrer ce corpuscule et que sa vie ne dépasserait pas le dix-milliardième de seconde, deux circonstances qui en rendraient la détection difficile.Vers la fin de 1932, Anderson en Californie, Blackett et Occhialini à Cambridge, photographiaient dans des chambres de Wilson des traces de rayons cosmiques.Ils aperçurent sur leurs clichés des traces en tous points semblables à celles des électrons, mais incurvées en sens inverse dans le champ magnétique.Les mesures de masse indiquèrent que celle-ci était la même que celle de l’électron.Il fallut admettre que l’on se trouvait en présence de la particule fantôme prévue par Dirac.Peu de temps après cette découverte, on s’aperçut que la nouvelle particule, inconnue hier, était l’un des constituants les plus importants des rayons cosmiques et formait probablement à elle seule une partie considérable de la masse de l’univers.La genèse de cette découverte est instructive.Contrairement à ce qui s’est passé dans le cas du neutron et de toutes les autres particules, la théorie a précédé ici l’expérience et a prédit non seulement l’existence mais les propriétés exactes d’un corpuscule dont aucun fait connu n’indiquait la possibilité.C’est un fait plutôt rare dans l’histoire des sciences, mais lorsqu’il se produit, il conduit généralement à des résultats d’une importance fondamentale. 388 LE CANADA FRANÇAIS Avec ces deux nouveaux projectiles se complète l’arsenal de la physique atomique.Voici, pour fixer les idées, la liste des particules élémentaires connues, avec les propriétés qui les caractérisent.L’unité de charge électrique est celle de l’électron, l’unité de masse, celle de l’atome d’hydrogène, à une fraction infime près.Particule Symbole.Charge.Masse.Électron — 1/1847 Positron + + 1/1847 Proton Hl + 1 Deuton Dî + 2 Neutron ni 0 1 Alpha 4 cl + + 4 Photon hy 0 0 L’annihilation de la matière C’est la découverte du positron qui a conduit à celle de la matérialisation de l’énergie et de l’énergisation ou, pour employer un terme courant mais ambigu, de Y annihilation de la matière.D’après la théorie de la relativité, une quantité de matière de masse m équivaut à une énergie E = me2, où c est la vitesse de la lumière.On admettait la transformation de la masse en énergie pure, mais on ne savait pas produire ce phénomène au laboratoire.L’expérience a montré que lorsqu’un photon gamma frappe un noyau, il peut y avoir production simultanée d’une paire de particules .un positron et un électron.Cette reaction s écrit .hv = (-) + ( + ) énergie —> masse Si l’on mesure d’une part la masse totale de ces particules et, d’autre part, l’énergie dépensée pour les produire, on trouve qu’elles sont équivalentes ; ce qui vérifie la relation d’Einstein : E = mc\ C’est ce qu’on appelle la matérialisation de l'énergie.Mais nous avons vu que le positron a la vie courte.Dès qu’il rencontre un électron, ces deux particules de signes contraires se détruisent mutuellement et leur masse même disparaît.On voit alors naître deux photons AU CŒUR DE L’ATOME 389 dont l’énergie totale, mesurée, équivaut exactement à la masse disparue.La mort du positron est représentée par l’équation : ( + ) + (—) = h* + hv masse —* énergie Cette destruction de la matière est réalisée aujourd’hui couramment dans les laboratoires.Elle accompagne aussi plusieurs transmutations d’atomes.Le terme d’annihilation de la matière, appliqué à cette transformation, n’est qu’une trouvaille de style dont n’ont pas lieu de s’inquiéter les esprits à tournure philosophique.Le moindre objet est une réserve énorme d’énergie.Un gramme de matière correspond à 2.15 x 1013 calories, soit la quantité de chaleur dégagée par la combustion de sept mille tonnes de charbon.Il suffirait de transformer chaque jour quelques briquettes de matière pour fournir à un pays comme le Canada toute l’énergie dont il a besoin.On imagine quelle révolution économique provoquerait l’application industrielle de ce procédé encore confiné aux laboratoires.Sans nier la possibilité d’une telle réalisation, on a d’excellentes raisons de croire qu’elle appartient à un avenir très éloigné.C’est que l’artillerie atomique n’est pas encore une arme très efficace.Il faut lancer des millions de projectiles pour que l’un d’eux frappe la cible, de sorte qu’on dépense généralement beaucoup plus d’énergie qu’on n’en recueille.Si tous les coups portaient, il suffirait de provoquer la désintégration d’un atome pour que les éclats de ce dernier aillent en désintégrer d’autres, et ainsi de suite.En un temps que je n’ai pas calculé, mais qui serait très court, l’humanité et sa planète seraient sublimées en énergie pure se propageant dans l’espace à la vitesse de trois cent mille kilomètres à la seconde.Et les observations faites pendant l’expérience resteraient inutilisées.Les briseurs d’atomes Pour le moment, les savants, toujours modestes, opèrent sur une plus petite échelle.Us se contentent de détruire un atome à la fois.Il y a dix ans, l’entreprise paraissait chimérique.Nous avons vu que le noyau est protégé contre l’invasion des 390 LE CANADA FRANÇAIS particules alpha par une muraille de potentiel haute de quelques millions de volts.Il fallait donc, pour surmonter celle-ci, utiliser des projectiles ayant des énergies du même ordre de grandeur.Déjà en 1919, Rutherford avait réussi à transmuter l’azote en oxygène et hydrogène au moyen des particules alpha du radium.Mais les projectiles provenaient d’une source naturelle.On désespérait d’en produire artificiellement d’aussi puissants.Vers 1930, l’application à la physique nucléaire de la nouvelle mécanique ondulatoire de de Broglie et Schrœdinger vint donner un regain d’espoir aux briseurs d’atomes.On sait que cette théorie décrit les corpuscules comme des petits paquets d’ondes.Gamow montra que, pour de tels corpuscules, la muraille nucléaire n’est pas absolument imperméable ; ils ont une chance, petite il est vrai, de la traverser, même si leur énergie ne leur permet pas de la surmonter.Les données du problème se trouvèrent changées.Au lieu de chercher à produire des projectiles très puissants, on concentra sur la cible une mitraille aussi fournie que possible de corpuscules d’énergie moyenne, comptant bien que sur le nombre quelques-uns au moins se faufileraient a travers la muraille.Il est impossible de décrire ici les techniques utilisées.Cockroft et Walton employèrent une chute unique dans laquelle les particules pouvaient tomber d’une hauteur allant jusqu’à huit cent mille volts.Lawrence, en Californie, construisit un accélérateur circulaire appelé cyclotron, dans lequel les particules subissent plusieurs chutes successives de quelques milliers de volts, de sorte que le résultat final est le même et qu’on évite l’emploi de voltages élevés.La première transmutation artificielle fut réalisée à Cambridge en 1932 par Cockroft et Walton.Ils lancèrent sur une cible de lithium des protons de quatre cent mille volts.Dans ces conditions, l’isotope de lithium de masse 7 capture un proton et le produit instable formé se scinde en deux particules alpha, de sorte qu’on a l’équation globale : T *7 i TT1 4 I 4 Ll3 -f Hl = CL 2 0.2 Dans cette notation nucléaire, le symbole d’une particule est affecté d’un indice inférieur indiquant son numéro atomique (le nombre de charges positives du noyau) et d’un indice supérieur représentant sa masse.Ces particules alpha AU CŒUR DE L’ATOME 391 furent observées d’abord sur un écran fluorescent, puis dans la chambre de Wilson, où leur énergie fut mesurée.On la trouva égale à 17.4 millions d’électron-volts.En soustrayant de cette énergie celle qui a été dépensée pour provoquer la désintégration, on trouve que l’opération rapporte un surplus de 17 millions d’électron-volts.Cette énergie, qui semble gratuite, vient de quelque part.On remarque, en effet, que la masse des deux particules alpha est légèrement inférieure (de quelques millièmes seulement) à celle du lithium et du proton.En calculant, toujours d’après l’équation E = mc2, l’énergie qui correspond à la masse disparue, on trouve 17 millions d’électron-volts.Nouvelle confirmation quantitative de la théorie d’Einstein.Par la suite, on a désintégré de cette façon un grand nombre d’atomes, en employant comme projectile soit le proton, soit le deuton, noyau de l’hydrogène de masse 2, découvert par Urey en 1932.Dans certains cas, on arrive même à construire des atomes plus lourds que ceux dont on est parti.Par exemple, l’aluminium de masse 27 capture un deuton de masse 2 et donne le silicium de masse 28 et un neutron de masse 1.On remarquera que, dans toutes ces transformations, la masse totale se conserve, sauf une fraction infime qui apparaît sous forme d’énergie cinétique des produits de la désintégration.On mesure facilement cette énergie.Un atome émettant une particule telle que le proton ou le neutron recule comme un canon qui lance un obus.En mesurant les vitesses de l’un et de l’autre, on vérifie le rapport des masses.Peu de temps après les premières expériences de Cockroft et de Walton, Fermi et ses collaborateurs, à Rome, désintégrèrent un grand nombre d’éléments en se servant de neutrons comme agents de bombardement.La plupart du temps, le choc entre un neutron et un noyau est élastique comme celui de deux billes ; les deux corpuscules poursuivent leurs routes avec des vitesses modifiées.Dans certains cas, il en est autrement : le noyau capture le neutron.Nous allons voir que cette capture donne souvent lieu à des phénomènes remarquables.La construction d’atomes instables A partir du moment ou la première désintégration fut annoncée, plusieurs laboratoires en Angleterre, en Allemagne, 392 LE CANADA FRANÇAIS en France, en Italie et aux États-Unis s’outillèrent rapidement pour l’exploration méthodique de ce champ nouveau.Ce fut une course générale.A certains endroits, on travaillait par équipes et les appareils fonctionnaient la nuit comme le jour.Poussés par l’émulation, bien des chercheurs sortirent de leur individualisme et adoptèrent les méthodes de la production en masse.De semaine en semaine, les découvertes s’accumulèrent et les espoirs les moins raisonnables furent bientôt dépassés.Devant cette richesse d’utopies réalisées, on s’arrêtait malgré soi et on se demandait : que va devenir la science, si tout est possible ?La plus grande surprise de cette période fut la découverte faite à Paris par Curie et Joliot en 1934.Voici en quels termes laconiques ils annoncèrent ce qu’ils avaient trouvé : On irradie une feuille d’aluminium avec les rayons alpha d’une forte source de polonium pendant quelques minutes ; quand on retire la feuille, elle possède une activité qui décroît de moitié en trois minutes le rayonnement émis, que 1 on peut observer au moyen d’un compteur et à l’aide d’un appareil de Wilson, est constitué par des électrons positifs.La décroissance de l’activité suit une loi exponentielle.Nous sommes donc en présence de véritables radioéléments nouveaux et d’un nouveau type de radioactivité.Quand on songe que, depuis la découverte du radium, on avait échoué lamentablement dans toutes les tentatives de provoquer, de faire disparaître ou même d’influencer de quelque façon la radioactivité, on comprend ce que cette découverte avait de sensationnel.Voici que l’on pouvait fabriquer à volonté des éléments doués des propriétés du radium.Dans l’expérience citée plus haut, la particule alpha s’allie à l’aluminium pour construire un atome de phosphore, plus lourd de quatre unités, un neutron étant rejeté comme sous-produit de la réaction.On a le schéma : .27 .4 -£.30 .1 Alia + a* = Pis + n0 Mais ce phosphore, contrairement à celui que l’on trouve ordinairement, est instable, comme le radium.Il se débarrasse spontanément d’un positron et se transforme en un atome de silicium : P“ = Si» + ( + ) AU CŒUR DE L ATOME 393 On trouva bientôt que d’autres projectiles : le proton, le deuton et le neutron, peuvent aussi servir à la construction de nouveaux atomes doués eux aussi de radioactivité.Il n’est pas impossible que l’on arrive à préparer sur une échelle industrielle des sources radioactives artificielles qui remplaceront avantageusement le radium dans ses applications médicales.Les résultats obtenus avec les neutrons sont particulièrement intéressants.Seuls les atomes légers peuvent être activés par les protons, les deutons et les particules alpha ; la forteresse nucléaire des atomes lourds résiste à leurs bombardements.Mais le neutron se faufile partout.En se servant de ce dernier, Fermi et ses collaborateurs ont réussi à activer presque tous les atomes, lourds comme légers, et à créer une soixantaine d’éléments nouveaux.Non seulement, donc, on transmute à volonté les atomes, mais on en fabrique qui n’existent pas dans la nature.La physique est littéralement en train de reconstruire l’univers.Ces éléments radioactifs artificiels ont déjà reçu des applications intéressantes.Citons un exemple.En bombardant du soufre avec des neutrons, Fermi a obtenu un radio-phosphore qui peut être isolé par des méthodes chimiques.Sa vie est de treize jours, c’est-à-dire qu’au bout de cette période l’intensité de son rayonnement a diminué de moitié.Si l’on introduit cette substance dans l’alimentation d’animaux de laboratoire, on peut, en mesurant l’intensité du rayonnement à divers intervalles de temps, étudier la vitesse d’assimilation du phosphore par les différents tissus.On s’en est aussi servi pour étudier la croissance des plantes.Il resterait beaucoup à dire sur certains aspects de ces découvertes, sur des faits qui paraissent aujourd’hui secondaires mais contiennent peut-être en germe les progrès de demain.Il reste surtout beaucoup à faire.Si l’on a découvert un monde insoupçonné de corpuscules et de réactions, le problème que l’on s’était proposé d’élucider se pose encore, bien que ses données aient changé ; la constitution du noyau de l’atome n’est guère moins obscure qu’au début.Les points d’interrogation se sont multipliés et surtout précisés, ce qui marque déjà un grand progrès.Sans doute, on a, pour construire le noyau, une plus grande variété de maté- 394 LE CANADA FRANÇAIS riaux, sans savoir toutefois si quelques pierres essentielles n’y manquent pas encore.Certains faits font croire à l’existence d’une particule, déjà baptisée du nom de neutrino, qui serait dénuée de charge et douée d’une masse négligeable, tout en se distinguant du photon.Sa place est tout indiquée dans les plans de l’édifice nucléaire, mais l’expérience refuse de la livrer.Cependant, les grandes lignes de la maison de la matière commencent à se dessiner.Du fait que les particules emises par un noyau se répartissent en groupes d’énergies bien définies, on peut conclure qu’il existe a 1 intérieur de ce dernier des niveaux de potentiel discontinus ou, pour employer une image, que les corpuscules y habitent des étages.On a mesuré, dans plusieurs cas, les hauteurs de ces étages.Mais l’espace y est des plus restreints ; le volume d un noyau lourd semble plus petit que celui des constituants qui y entrent.Ceux-ci doivent y subir des déformations qui les rendent méconnaissables.D’ailleurs, il est puéril de vouloir appliquer à ces êtres effroyablement petits les notions d espace construites à notre échelle.Dans ces milieux d extrême densité, la courbure de l’espace prévue par la relativité doit être telle qu’il faut renoncer à nous faire une représentation visuelle de ce qui s’y passe.Il est à peu près certain que si on arrive un jour à connaître la constitution du noyau, et tout nous autorise à croire que ce jour n’est pas éloigné, celle-ci se présentera sous forme de relations abstraites entre des grandeurs que l’expérience nous montre déjà etre discontinues.C’est ce qui restera de la structure corpusculaire de l’univers.Sur la feuille de papier dont je parlais plus haut, on pourra inscrire un schéma de symboles numériques contenant tout ce que la science en peut savoir.Cyrias Ouellet.