De la radioactivité artificielle à la fission : La « neutron-mania » d'Enrico

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La « neutron-mania » d’Enrico

L’une des grandes qualités d’Enrico Fermi, c’est sa vivacité d’esprit, son aptitude à intégrer très vite les nouvelles découvertes et à en tirer les conséquences pour ses propres recherches. En 1926, il a été le premier à montrer que le tout nouveau principe d’exclusion de Pauli (1925), qui s’applique aux électrons et à toutes les particules de spin 1/2, implique, pour ces particules, un comportement statistique d’un type nouveau. Il a posé les bases de cette nouvelle théorie statistique quantique, et depuis, les particules de spin 1/2 sont appelées « fermions ». Un peu plus tard, le théoricien britannique Paul Dirac est arrivé indépendamment à la même conclusion. C’est pourquoi cette nouvelle théorie est connue sous le nom de statistique de Fermi-Dirac.

En 1933, il a élaboré sa théorie de la radioactivité p qui constitue une magnifique synthèse, tirant immédiatement les conséquences de la découverte du neutron, et adaptant les récents concepts de la théorie des interactions électromagnétiques. Cette théorie a consacré l’existence de la particule neutre imaginée par Pauli, lui donnant à jamais le nom italien de « neutrino ».

En ce début d’année 1934, Enrico Fermi va réagir à la découverte des Joliot avec la vivacité de l’éclair. Mais cette fois, ce sera sur le plan expérimental que s’exercera son génie. Il vient en effet de constituer à Rome un groupe de physiciens qui se prépare à allier avec bonheur théorie et expérience. Comme nous le verrons, le fascisme italien et la guerre vont bientôt lui couper les ailes, mais avant d’être dispersés, les dynamiques membres de ce groupe réaliseront une impressionnante série de découvertes.

L’idée de Fermi est d’une géniale simplicité : si l’on peut perturber les noyaux au point d’en créer de nouveaux avec des particules a de quelques millions d’électron- volts, si l’on peut, par ailleurs, produire des neutrons d’énergie équivalente par l’action de ces particules a sur des cibles légères, comme le béryllium et l’aluminium, pourquoi ne pas utiliser ces neutrons comme projectiles pour rechercher de nouveaux isotopes ? On sait en effet depuis Rutherford que les noyaux portent une charge positive qui croît avec leur masse. La répulsion électrostatique due à cette charge rend de plus en plus difficile la pénétration des particules a à mesure que l’on utilise comme cibles des éléments de plus en plus lourds. Les neutrons ne présentent pas cet inconvénient. Grâce à leur neutralité électrique, ils doivent pénétrer sans coup férir à l’intérieur de tous les noyaux, si lourds, donc si chargés soient-ils.

Fermi se procure donc des sources de neutrons associant radon et béryllium, et va soumettre un à un, systématiquement, tous les éléments du tableau périodique au bombardement de neutrons. L’efficacité de cette méthode va s’avérer redoutable. En moins de trois mois, le groupe de Fermi mettra en évidence plus de quarante nouveaux isotopes radioactifs.

Ces noyaux sont produits par des réactions nucléaires dont le mécanisme de base est toujours le même, la formation d’un « noyau composé », mais qui comporte plusieurs variantes. Le noyau composé résulte de la capture du neutron par le noyau- cible. La masse de ce dernier s’en trouve augmentée d’une unité mais son numéro atomique reste inchangé. Cependant le noyau composé dispose d’un excédent d’énergie qu’il doit évacuer. C’est cette seconde étape qui conduit à un certain nombre de variantes Dans le cas le plus simple, elle se réduit à l’émission d’un rayonnement y, ce qui correspond à la réaction nucléaire notée («, y). Le noyau formé est alors l’isotope de l’élément de départ comportant exactement un neutron de plus que le noyau cible. Si ce dernier est²⁷Al, cette réaction conduit à l’isotope radioactif ²⁸Al. Celui-ci est excédentaire en neutrons, et va donc se désintégrer par radioactivité P’. On peut ainsi détecter sa radioactivité, par exemple à l’aide d’un compteur Geiger, si sa durée de vie n’est pas trop courte (en l’occurrence, 2,2 minutes). Les physiciens du groupe de Fermi étaient d’ailleurs bien équipés en compteurs Geiger qu’ils fabriquaient en série dans des tubes d’aluminium servant à contenir des médicaments en comprimés.

Mais deux ou trois autres réactions nucléaires peuvent se produire. Après la capture du neutron, le noyau ²⁸A1 peut, en effet, disposer de suffisamment d’énergie pour ré-émettre un neutron -alors, on retombe sur²⁷Al-, un proton, ou une particule a. Dans ces deux derniers cas, d’autres noyaux radioactifs (²⁷Mg et ²⁴Na) sont produits. Ils peuvent être distingués de²⁸Al par leur période radioactive (9,5 minutes et 15 heures, respectivement). Mais encore faut-il les identifier, au moyen de séparations chimiques, par exemple, ou par des recoupements avec d’autres expériences.

Cependant, des complications surgissent à mesure que les chercheurs avancent dans le tableau périodique. En effet, dans le cas d’une cible d’aluminium, les trois isotopes radioactifs que nous avons mentionnés conduisent, par radioactivité p“, à des noyaux stables. Les mesures de radioactivité permettent alors d’observer des décroissances « pures », c’est-à-dire exponentielles, caractérisées par des périodes de demi- vie bien définies . Mais dans d’autres cas, ces noyaux-fils sont eux-mêmes radioactifs. Les physiciens du groupe de Fermi observent alors une évolution plus complexe de la radioactivité avec le temps, qu’il leur faut interpréter.

Des situations compliquées peuvent aussi se rencontrer lorsque l’élément cible possède plusieurs isotopes stables, ce qui s’avère être un cas de plus en plus probable à mesure que les chercheurs romains s’attaquent à des cibles de numéro atomique Z de plus en plus élevé. Mais ces physiciens sont aussi de plus en plus aguerris et parviennent à éclaircir nombre de cas qui semblaient épineux au premier abord.