Relativité restreinte et radioactivité
Relativité restreinte et radioactivité
Parmi les conséquences de la théorie de la relativité restreinte, il en est deux qui sont en relation étroite avec la radioactivité, et qui vont apporter la réponse aux deux premières questions posées au début de ce chapitre.
La première d’entre elles concerne l’énergie cinétique des corps en mouvement. Celle-ci devient très grande lorsque leur vitesse v approche celle de la lumière (c). On dit qu’elle tend vers l’infini quand v tend vers c .
Lorsque un mobile est animé d’une très grande vitesse, il faut donc lui communiquer des quantités d’énergie de plus en plus grandes pour augmenter cette vitesse d’une quantité donnée, par exemple de 1 mètre par seconde. En d’autres termes, pour accélérer ce mobile d’une quantité « a » donnée (1 mètre par seconde par seconde, par exemple), il faudra lui appliquer une force F de plus en plus grande.
La masse d’un objet, qui, selon la mécanique de Newton-Galilée, reliait la force à l’accélération (via l’équation F = m . a), semble ainsi augmenter avec sa vitesse, et ce résultat explique les observations qui avaient été faites sur les électrons en mouvement, en utilisant les rayons cathodiques d’abord, et le rayonnement P de radioactivité ensuite. Ces observations sont même expliquées quantitativement, ce qui confirme la validité de la théorie de la relativité restreinte.
La seconde conséquence de la relativité s’exprime par la célèbre relation E = m. c2.
Cette petite équation aura des conséquences incalculables. Elle signifie que toute masse au repos peut être considérée comme un réservoir d’énergie. En établissant cette relation, qu’il laissera à la postérité, et en démontrant sa validité, Einstein rend caduc le principe de conservation de la masse et le remplace par le principe d’équivalence masse-énergie. Quant au principe de conservation de l’énergie, il est toujours valable, mais son domaine d’application s’étend, puisque la masse devient désormais une forme d’énergie.
Pour la radioactivité, cette relation d’équivalence apporte une piste très importante dans la perspective de répondre à la deuxième question, celle qui concerne l’origine de l’énergie des rayonnements émis par les corps radioactifs. En 1902, Pierre et Marie Curie avaient proposé deux hypothèses très générales sur cette origine : soit chaque atome radioactif renferme potentiellement, en lui-même, l’énergie qu’il dégage sous forme de rayonnement, soit il puise cette énergie, à chaque instant, dans le milieu extérieur. L’équation d’Einstein apporte de fortes présomptions en faveur de la première de ces hypothèses. Elle précise en même temps que l’énergie potentielle évoquée par Pierre et Marie Curie réside au sein même de la masse des atomes, et surtout, elle ajoute un élément très important qui lui confère toute sa crédibilité. Cet élément, c’est la valeur gigantesque (1017) du coefficient de proportionnalité entre masse et énergie. Ce facteur de conversion est tel qu’une infime diminution de la masse suffit à libérer une énergie significative. C’est ce qui se produit dans la radioactivité. Les travaux de Rutherford et Soddy ont montré que lorsque l’uranium, par exemple, émet un rayonnement, il subit une modification. L’équation d’Einstein précise que cette transformation correspond à une perte de masse. Mais cette perte est infime, et c’est pour cela qu’en 1905, elle n’a jamais été mise en évidence expérimentalement.
Ainsi s’explique la « douce » chaleur dégagée par le radium.
La radioactivité correspond donc à la transformation en rayonnement d’une faible partie de la masse des atomes. Mais au moment où Einstein introduit cette équivalence masse-énergie, l’atome n’est encore qu’une notion vague et l’on n’imagine pas exactement comment s’opère cette transformation.
Il faut remarquer que la relation d’équivalence masse-énergie, ne s’applique pas uniquement aux phénomènes mettant en jeu le noyau. Lorsque l’on brûle du charbon, par exemple, la combustion du carbone obéit à la réaction chimique
C + 02 -» C02 + chaleur
Comme dans l’émission d’un rayonnement de radioactivité, l’énergie dégagée sous forme d’une quantité de chaleur, que l’on désigne généralement par Q, provient d’une diminution de la masse lorsque l’on passe du mélange (carbone + dioxygène) à l’anhydride carbonique C02. Mais cette diminution est encore plus faible que dans la radioactivité, puisque ici, ce ne sont pas quelques millionièmes de la masse des composants qui sont convertis en chaleur mais une fraction de milliardième de cette masse. On peut ici clairement distinguer entre mathématiques et physique. Lorsque Lavoisier déclarait que la masse se conserve au cours des réactions chimiques, il avait tort si l’on se place du point de vue des mathématiques, mais il avait tout à fait raison, compte tenu de la sensibilité des balances, si l’on adopte le point de vue de la physique – ou de la chimie – expérimentale.
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