L’histoire de la radioactivité, une illustration de la démarche scientifique 
Henri Becquerel découvre la radioactivité le 26 février 1896
Depuis la formation de la Terre, la radioactivité est présente dans toute la matière. Mais ce n’est qu’à partir de 1896, grâce à la découverte d’Henri Becquerel (1852-1908), que la radioactivité devient un sujet d’étude majeur : Traitement de tumeurs cancéreuses et autres applications médicales, production d’énergie électrique, datation de vestiges archéologiques.
A la fin du XIXe siècle, la découverte de nouveaux rayons occupe de nombreux scientifiques. Les rayons X, mis en évidence en 1895 par l’allemand Wilhelm Röntgen (1845-1923), font sensation, sans que l’on comprenne encore leur véritable nature. On sait que les rayons X, utilisés aujourd’hui dans de nombreuses applications comme l’imagerie médicale. C’est en étudiant les liens entre rayons X et phosphorescence que le français Henri BECQUEREL met en évidence un nouveau type rayonnement émis par des composés d’uranium. Marie Curie (1867-1934) nommera ce phénomène «radioactivité». Nous sommes dès lors à l’aube d’un bouleversement sans précédent des connaissances en physique sur la nature de la matière. Il recevra le prix Nobel de physique en 1903, conjointement avec Marie et Pierre Curie, pour la découverte de la radioactivité spontanée.
Henri Becquerel découvre la radioactivité le 26 février 1896
Le 26 février 1896 était un jour couvert à Paris – et cela posait un problème au physicien français Antoine Henri Becquerel. Becquerel espérait démontrer un lien entre les minéraux qui brillent lorsqu’ils sont exposés à une forte lumière et un nouveau type de rayonnement électromagnétique appelé rayons X. Le temps a contrecarré cette expérience – mais cet échec a produit par inadvertance une découverte entièrement nouvelle : la radioactivité naturelle.
Becquerel s’est intéressé au phénomène de fluorescence, dans lequel certains matériaux brillent lorsqu’ils sont exposés à la lumière du soleil. Le physicien Wilhelm Röntgen avait récemment découvert les rayons X ; Becquerel pensait que les deux phénomènes pouvaient être liés et avait conçu sa propre expérience. Il prévoyait d’exposer un matériau fluorescent au soleil, puis de le placer avec un objet métallique sur une plaque photographique non exposée. Si la plaque développée montrait l’image de l’objet, a-t-il conclu, cela suggérerait que les matériaux fluorescents émettent en fait des rayons X.
Mais le lendemain était également nuageux et Becquerel a été contraint de reporter son expérience. Il a enveloppé ses cristaux fluorescents – un composé d’uranium appelé sulfate d’uranyle de potassium – dans un tissu noir, avec la plaque photographique et une croix de Malte en cuivre, et a attendu une journée plus ensoleillée.
Quelques jours plus tard, lorsque Becquerel a finalement retiré l’assiette du tiroir, il a découvert à sa grande surprise qu’une image distincte de la croix apparaissait sur l’assiette – bien qu’elle n’ait jamais été exposée au soleil. La seule conclusion était que les cristaux eux-mêmes émettaient des radiations. Enthousiasmé par cette perspective, Becquerel décide de répéter les conditions de son expérience involontaire : il place à nouveau un cristal de sel d’uranium sur une plaque photographique ; il a également expérimenté la pose d’un cristal sur une plaque photographique avec une feuille d’aluminium entre et avec une feuille de verre.
Après avoir été placées dans l’obscurité pendant plusieurs heures, les trois plaques ont été noircies par rayonnement (le cristal en contact direct avec la plaque a montré le noircissement le plus fort). « Je suis maintenant convaincu que les sels d’uranium produisent un rayonnement invisible, même lorsqu’ils ont été conservés dans l’obscurité », écrit-il dans son journal de ses expériences.
Cette découverte de la « radioactivité » spontanée (terme inventé par la doctorante de Becquerel, Marie Curie) a finalement valu à Becquerel un prix Nobel de physique en 1903, qu’il a partagé avec Marie Curie et son mari Pierre Curie.
Becquerel est issu d’une famille de scientifiques : son grand-père, Antoine César Becquerel, avait découvert la piézoélectricité (la charge électrique qui s’accumule dans les cristaux et autres matériaux sous l’effet d’une contrainte mécanique appliquée). Son père, Alexandre-Edmond Becquerel, avait inventé le phosphoroscope, un appareil qui mesure combien de temps un matériau phosphorescent continue de briller après avoir retiré la source de lumière.
Becquerel a passé beaucoup de temps dans le laboratoire de son père, et il s’est d’abord intéressé presque exclusivement à l’optique. Lorsqu’il est devenu chercheur en physique, il s’est lancé dans sa propre étude du rayonnement de la lumière : il a exploré comment les champs magnétiques polarisaient la lumière, comment la lumière infrarouge produisait de la phosphorescence dans certains matériaux et comment les cristaux absorbaient la lumière. À la mort de son père en 1891, Becquerel succède aux deux chaires de son père, l’une une chaire de physique au Conservatoire National des Arts et Métiers et l’autre une chaire de physique au Muséum National d’Histoire Naturelle, tous deux à Paris.
Ses recherches prennent un nouveau tournant lorsqu’il assiste à une conférence sur les rayons X à l’Académie des sciences de Paris. En janvier 1896, le mathématicien français Jules-Henri Poincaré avait reçu une lettre de Röntgen, qui contenait plusieurs photographies surprenantes montrant le contour d’os dans une main. Dans la lettre, Röntgen expliquait que les images avaient été prises avec une nouvelle découverte, la radiographie. Poincaré s’étonne et reproduit lui-même les images. Poincaré a présenté ses propres images à l’Académie deux semaines plus tard, avec une réponse enthousiaste.
Becquerel était dans le public ce jour-là et se demandait s’il y avait un lien entre les images fantomatiques aux rayons X et les phénomènes de fluorescence et de phosphorescence que lui et son père avaient étudiés. Becquerel avait déjà étudié en particulier la phosphorescence des sels d’uranium et était familiarisé avec la photographie, il décida donc d’entreprendre ses propres expériences au sujet des rayons X.
Le 24 février 1896, Becquerel présente ses premiers résultats à l’Académie des sciences : ses sels d’uranium phosphorescents, après exposition au soleil, ont laissé de faibles images sur plusieurs plaques photographiques. Mais les images floues étaient beaucoup moins intrigantes que les images nettes aux rayons X montrées quelques semaines plus tôt, et Becquerel a décidé de réessayer. Il a préparé de nouveaux réseaux de cristaux et de plaques photographiques, et a décidé qu’il avait besoin d’un ensoleillement très fort pour produire les meilleures images.
Mais la nature n’a pas coopéré ; Becquerel n’a pas eu sa journée ensoleillée. Toujours désireux de montrer quelque chose à l’Académie, il sort les assiettes et les cristaux de son tiroir. Il s’attendait à voir plus des mêmes images faibles, mais a été surpris de trouver à la place des silhouettes nettes de ses objets métalliques, y compris la croix de Malte. La stimulation des cristaux par la lumière du soleil avant ou pendant l’expérience, semble-t-il, n’était pas nécessaire pour produire les images, suggérant que les cristaux eux-mêmes émettaient un rayonnement, sans stimulation externe. Le 1er mars 1896, Becquerel présente à l’Académie la découverte de la radioactivité spontanée.
La découverte de la radioactivité spontanée s’est propagée rapidement et a engendré une vague de nouvelles recherches sur le phénomène, en grande partie par Marie et Pierre Curie. Becquerel continua également à étudier le phénomène : en 1899, il découvrit que les rayons X pouvaient être déviés par un champ magnétique, suggérant que le rayonnement contenait des particules chargées électriquement. L’unité internationale de radioactivité, le becquerel (défini comme une désintégration de noyau par seconde), porte son nom. Mais Becquerel était toujours fasciné par l’interaction entre les cristaux et la lumière, et il est finalement revenu à cette recherche, étudiant comment les cristaux absorbent et polarisent la lumière.
Parallèlement, Marie Curie se consacre à l’étude des rayons uranifères pour ses recherches de thèse. En étudiant les minéraux uranifères que sont la pechblende et la chalcolite, elle découvre qu’en plus de l’uranium, d’autres éléments émettent les « rayons Becquerel » : le thorium et un élément puissamment radioactif que Curie surnomme le « radium ».
La découverte de la radioactivité a eu de profondes répercussions sur la chimie et la physique à l’époque. Le puissant rayonnement, y compris la chaleur, émis spontanément par le radium semblait contredire la loi de conservation de l’énergie : quelle était la source de cette énergie ? Les physiciens ont commencé à reconsidérer la structure de l’atome et à se demander si un changement dans l’atome lui-même pourrait en être responsable.
En 1899, le physicien Ernest Rutherford découvre que ces matériaux émettent en réalité différents types de rayonnements (rayons alpha, bêta et gamma), définis par leur pouvoir de pénétration. Une décennie plus tard, Rutherford a proposé un modèle de l’atome dans lequel un petit noyau dense de protons était entouré d’électrons en orbite – et a démontré plus tard que la source de la radioactivité était la désintégration spontanée de cet atome, « transmutant » ainsi l’élément en un autre élément. En 1919, Rutherford – maintenant connu comme le père de la physique nucléaire – a publié un article qui détaillait «la division d’un atome»; il avait réussi à expulser les protons du noyau, première étape de la découverte de la fission nucléaire en 1938.
Becquerel est mort seulement 12 ans après sa découverte de la radioactivité, à 54 ans. Bien que sa cause de décès n’ait pas été précisée, il avait développé de graves brûlures sur la peau, probablement dues à la manipulation de matières radioactives. Quelques décennies plus tard, Marie Curie est décédée d’une anémie aplasique, probablement due à une exposition aux radiations sans mesures de sécurité appropriées. Les effets nocifs des rayonnements ionisants étaient encore inconnus à l’époque.
Henri Becquerel découvre la radioactivité
Lors de l’une des découvertes accidentelles les plus connues de l’histoire de la physique, par une journée nuageuse de mars 1896, le physicien français Henri Becquerel ouvrit un tiroir et découvrit la radioactivité spontanée. Henri Becquerel était bien placé pour faire la découverte passionnante, qui est survenue quelques mois seulement après la découverte des rayons X. Becquerel est né à Paris en 1852 dans une lignée de physiciens distingués. Dans la lignée de son père et de son grand-père, il occupe la chaire de physique appliquée au Muséum national d’histoire naturelle de Paris. En 1883, Becquerel a commencé à étudier la fluorescence et la phosphorescence, un sujet dans lequel son père Edmond Becquerel était un expert. 
Comme son père, Henri s’intéressait particulièrement à l’uranium et à ses composés. Il était également doué pour la photographie. Au début de 1896, la communauté scientifique était fascinée par la découverte récente d’un nouveau type de rayonnement. Wilhelm Conrad Roentgen avait découvert que les tubes de Crookes qu’il utilisait pour étudier les rayons cathodiques émettaient un nouveau type de rayon invisible capable de pénétrer à travers du papier noir. Les rayons X nouvellement découverts ont également pénétré les tissus mous du corps, et la communauté médicale a immédiatement reconnu leur utilité pour l’imagerie.
Becquerel a entendu parler pour la première fois de la découverte de Roentgen en janvier 1896 lors d’une réunion de l’Académie française des sciences. Après avoir appris la découverte de Roentgen, Becquerel a commencé à chercher un lien entre la phosphorescence qu’il avait déjà enquêtée et les rayons X nouvellement découverts. Becquerel pensait que les sels d’uranium phosphorescents qu’il avait étudiés pouvaient absorber la lumière solaire et la réémettre sous forme de rayons X. Pour tester cette idée (qui s’est avérée fausse), Becquerel a enveloppé des plaques photographiques dans du papier noir afin que la lumière du soleil ne puisse pas les atteindre. 
Il a ensuite placé les cristaux de sel d’uranium sur les plaques enveloppées et a mis l’ensemble à l’extérieur au soleil. Lorsqu’il a développé les plaques, il a vu un contour des cristaux. Il a également placé des objets tels que des pièces de monnaie ou des formes métalliques découpées entre les cristaux et la plaque photographique, et a découvert qu’il pouvait produire des contours de ces formes sur les plaques photographiques. Becquerel a pris cela comme une preuve que son idée était correcte, que les sels d’uranium phosphorescents absorbaient la lumière du soleil et émettaient un rayonnement pénétrant similaire aux rayons X. Il rapporta ce résultat à la réunion de l’Académie française des sciences le 24 février 1896.
Cherchant une confirmation supplémentaire de ce qu’il avait trouvé, il prévoyait de poursuivre ses expériences. Mais le temps à Paris n’a pas coopéré; il est devenu couvert pendant les jours suivants à la fin février. Pensant qu’il ne pourrait faire aucune recherche sans un soleil éclatant, Becquerel a rangé ses cristaux d’uranium et ses plaques photographiques dans un tiroir. Le 1er mars, il ouvrit le tiroir et développa les planches, s’attendant à n’y voir qu’une très faible image. Au lieu de cela, l’image était incroyablement claire. Le lendemain, 2 mars, Becquerel rapporta à l’Académie des sciences que les sels d’uranium émettaient des radiations sans aucune stimulation de la lumière solaire. Beaucoup de gens se sont demandé pourquoi Becquerel a développé les plaques en ce 1er mars nuageux, puisqu’il ne s’attendait pas à voir quoi que ce soit. Peut-être était-il motivé par une simple curiosité scientifique. Peut-être était-il sous pression pour avoir quelque chose à signaler lors de la réunion du lendemain. Ou peut-être était-il simplement impatient. Quelle que soit la raison pour laquelle il a développé les plaques, Becquerel s’est rendu compte qu’il avait observé quelque chose d’important. Il a fait d’autres tests pour confirmer que la lumière du soleil n’était en effet pas nécessaire, que les sels d’uranium émettaient eux-mêmes le rayonnement.
Au début, il pensait que l’effet était dû à une phosphorescence particulièrement longue, mais il a rapidement découvert que les composés d’uranium non phosphorescents présentaient le même effet. En mai, il a annoncé que l’élément uranium était bien celui qui émettait le rayonnement. Becquerel croyait initialement que ses rayons étaient similaires aux rayons X, mais ses expériences ultérieures ont montré que contrairement aux rayons X, qui sont neutres, ses rayons pouvaient être déviés par des champs électriques ou magnétiques. 
De nombreux membres de la communauté scientifique étaient encore absorbés par le suivi de la découverte récente des rayons X, mais en 1898, Marie et Pierre Curie à Paris ont commencé à étudier les étranges rayons d’uranium. Ils ont compris comment mesurer l’intensité de la radioactivité et ont rapidement trouvé d’autres éléments radioactifs : polonium, thorium et radium. Marie Curie a inventé le terme « radioactivité » pour décrire le nouveau phénomène. Bientôt, Ernest Rutherford a séparé les nouveaux rayons en rayonnement alpha, bêta et gamma, et en 1902, Rutherford et Frederick Soddy ont expliqué la radioactivité comme une transmutation spontanée des éléments. Becquerel et les Curie ont partagé le prix Nobel de 1903 pour leurs travaux sur la radioactivité.
L’histoire de la découverte de Becquerel est un exemple bien connu de découverte accidentelle. Un peu moins connu est le fait que quarante ans plus tôt, quelqu’un d’autre avait fait la même découverte accidentelle. Abel Niepce de Saint Victor, photographe, expérimentait divers produits chimiques, dont des composés d’uranium. Comme Becquerel le fera plus tard, il les expose au soleil et les place, avec des morceaux de papier photographique, dans un tiroir sombre. En ouvrant le tiroir, il a constaté que certains des produits chimiques, y compris l’uranium, exposaient le papier photographique. Niepce a pensé qu’il avait trouvé une nouvelle sorte de rayonnement invisible et a rapporté ses découvertes à l’Académie française des sciences. Personne n’a étudié plus avant l’effet jusqu’à des décennies plus tard, lorsque Becquerel a répété essentiellement la même expérience en ce jour gris de mars 1896.
La découverte de la radioactivité
La radioactivité de l’uranium a été découverte en 1896 par Henri Becquerel qui, partant d’une idée fausse, s’est progressivement rendu compte de ce qu’il observait, informant régulièrement l’Académie des sciences des progrès qu’il faisait. Dans les années suivantes, on découvrit que le thorium était également radioactif, et deux nouveaux éléments radioactifs, le polonium et le radium, furent découverts par Pierre et Marie Curie, tandis qu’un troisième, l’actinium, fut identifié par André Debierne. L’étude du pouvoir de pénétration et de l’effet des champs électriques et magnétiques a permis aux scientifiques de mettre en évidence la complexité du rayonnement nucléaire avec ses trois composantes α , β , γ . Les Comptes rendus de l’Académie des sciences permettent au lecteur de voir à quel point il était difficile de comprendre la nature de la radioactivité, qui a été essentiellement élucidée par Ernest Rutherford et Frederick Soddy.
Résumé une étonnante expérience
Après la découverte de rayons X, Henri Becquerel, cherche à approfondir les observations de Röntgen. Il souhaite notamment découvrir si les phénomènes de phosphorescence et de fluorescence de l’uranium sont de même nature que les rayons X. Pour vérifier son hypothèse, il mène une série d’expériences. Mais il va bientôt faire une toute autre découverte…
Par un jour nuageux, Becquerel ne peut exposer ses sels d’uranium phosphorescents à la lumière du soleil. Il les stocke alors dans un tiroir où il a déjà rangé une plaque photographique vierge, protégée par du papier noir. Au bout de quelques jours, cette plaque porte la trace d’un rayonnement alors que les sels sont restés à l’abri de la lumière. Le physicien s’aperçoit ensuite que ce rayonnement, qu’il appelle « rayons uraniques », est émis par plusieurs sels d’uranium, phosphorescents ou non.
Becquerel en tire deux conclusions : l’uranium émet naturellement un rayonnement qui lui est propre, l’intensité de ce rayonnement persiste dans le temps. Il se demande d’où l’uranium peut tirer son énergie avec une telle persistance. Henri Becquerel vient de découvrir la radioactivité. Dans les décennies suivantes, d’autres scientifiques consacrent leurs travaux à ce phénomène physique fascinant.
Ces expériences sont présentées à une semaine d’intervalle (24 février et 1er mars 1896). Elles montrent la démarche d’Henri Becquerel, qui découvre que le sel d’uranium marque la plaque photographie même au fond d’un tiroir, c’est-à-dire tout à fait indépendamment de la lumière et donc de la phosphorescence. C’est la découverte de ce qui sera appelé la radioactivité de l’uranium. Henri Becquerel obtiendra en 1903 le prix Nobel de physique avec Marie et Pierre Curie pour cette découverte. Elle ouvrira la voie de la connaissance de l’atome à travers les grandes découvertes de la physique nucléaire, ainsi qu’à de nombreuses applications : les applications les plus connues de la radioactivité sont la datation au carbone 14, les détecteurs ioniques d’incendie, la tomographie en imagerie médicale, l’ionisation des produits alimentaires.
Radioactivité
Henri Becquerel (1852-1908)
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1631070517300786
https://www.aps.org/publications/apsnews/200803/physicshistory.cfm
https://www.andra.fr/les-dechets-radioactifs/la-radioactivite/lhistoire-de-la-radioactivite
https://journals.openedition.org/bibnum/848
https://todayinsci.com/B/Becquerel_Henri/BecquerelHenri-Harpers1902.htm