Marie Curie, la radioactivité et la physique

Marie Curie est plus que jamais aujourd’hui dans l’espace public le porte-drapeau du combat pour l’égalité des femmes avec les hommes en science. Prix Nobel de physique en 1903, prix Nobel de chimie en 1911, Marie Curie a une place singulière dans l’histoire de ces deux sciences, mobilisées indissociablement sur les phénomènes de radioactivité, pendant plusieurs décennies.

Malgré l’importance que le radium et la détermination de sa masse atomique ont joué dans la vie de Marie Curie, cet article mettra l’accent sur une Marie Curie un peu différente : la physicienne.

À l’automne 1897, en discussion avec Pierre Curie, Marie Curie choisit pour son travail de thèse d’étudier le rayonnement de Becquerel émis spontanément par l’uranium. C’est un sujet de physique qu’elle aborde avec un appareillage mis au point par Pierre (en prolongement de son travail avec Jacques Curie) pour la mesure précise des charges déposées sur le passage du rayonnement. La première note aux Comptes Rendus de l’Académie des sciences à ce sujet est signée de Mme Skłodowska-Curie seule. Elle y explique que les mesures systématiques effectuées sur les composés d’uranium établissent sans conteste que l’émission de rayonnement est une propriété atomique, même si certains minéraux tels la chalcolite et la pechblende émettent plus de rayonnement qu’attendu compte-tenu des quantités d’uranium qu’ils contiennent.

Tout porte à croire que ces minéraux peuvent contenir un élément beaucoup plus actif que l’uranium.

La recherche de cette substance, entreprise par Marie et Pierre Curie ensemble, comprend d’une part des séparations chimiques, de l’autre la mesure des rayons de Becquerel émis par les différentes parties séparées. Mais ce travail d’équipe n’a pas consisté en une division des tâches entre chimiste (Marie) et physicien (Pierre). Au contraire, l’examen de leurs carnets de laboratoire, effectué par leur fille Irène Joliot-Curie en 1955, a montré que pendant toute l’année 1898, marquée par l’annonce de la découverte du polonium puis du radium, les deux époux ont travaillé ensemble et alternativement à ces deux tâches, séparations chimiques et mesures de ce que Marie commence à dénommer radioactivité.

Marie Curie chercheuse

À partir de 1899, Marie consacre sa thèse à la préparation d’un sel de radium pur, nécessaire pour mesurer la masse atomique du nouvel élément, tout en poursuivant avec Pierre l’étude de divers effets liés à la radioactivité. Sollicitée fin 1899 et début 1890 par des revues de vulgarisation de haut niveau pour donner des conférences, elle en profite pour faire un point sur les travaux consacrés à la radioactivité, qui se multiplient rapidement à l’époque. Arrêtons-nous un instant sur les conclusions de ces conférences : Marie y énumère et commente brièvement quelques hypothèses susceptibles d’expliquer « la spontanéité de ce rayonnement », dont on ne voit pas l’origine. Ces hypothèses seront reprises en août 1900 dans un rapport que Pierre Curie présente en leur deux noms sur Les nouvelles substances radioactives et les rayons qu’elles émettent, au congrès international de physique qui se tient à Paris à l’occasion de l’Exposition universelle.

Le rayonnement est une phosphorescence de durée considérable produite par la lumière.

Cette première hypothèse, formulée par Henri Becquerel quatre ans plus tôt, lors de sa découverte des rayons uraniques, lui paraît devenue très peu probable.

Le rayonnement est une émission de matière, accompagnée d’une perte de poids des matières radioactives.

Elle ne commentera cette seconde hypothèse qu’en janvier 1900.

Sont citées rapidement trois autres hypothèses : l’une est émise par Crookes, et suggère une évolution des éléments, inachevée pour les éléments les plus lourds. Une autre, qui paraît fort improbable à Marie Curie, suggère que le rayonnement des corps radioactifs est une émission secondaire, provoquée par un rayonnement inconnu venu de l’espace. Enfin, une dernière hypothèse, envisagée pour d’autres phénomènes par différents physiciens, serait que le principe de Carnot ne soit pas applicable dans le domaine de la radioactivité.

En janvier 1900, les commentaires de Marie Curie se concentrent sur la seconde et la dernière hypothèse. Elle s’appuie notamment sur les résultats de J. J. Thomson, qui montrent que les rayons cathodiques sont des corpuscules chargés négativement, dont la masse est environ 1000 fois plus faible que celle de l’atome d’hydrogène : des particules similaires, qu’elle qualifie de sous-atomes, pourraient être émises par les éléments radioactifs. Cette théorie matérialiste de la radioactivité, selon ses termes, la séduit manifestement.

L’alternative à cette approche est d’accepter que le principe de Carnot ne s’applique pas aux phénomènes radioactifs :

Une hypothèse qui porte une atteinte aussi grave aux idées admises en physique que l’hypothèse de la transformation des éléments aux principes de la chimie.

Trois ans plus tard, Marie Curie prend acte, dans la conclusion de sa thèse, des derniers résultats de Rutherford et Soddy qui tranchent clairement en faveur de l’interprétation de la radioactivité par « la transformation d’un élément en un autre élément chimique par émission de rayonnement ».

La mort accidentelle de Pierre Curie en 1906 aurait pu se traduire par une marginalisation de Marie. Comme on sait, il n’en fut pas ainsi. On lui confie le cours de Pierre à la Sorbonne, elle sera professeur deux ans plus tard. Marie devient également directrice du petit laboratoire de la rue Cuvier.

Marie Curie enseignante

Marie Curie avait apprécié le type d’enseignement très peu encadré qu’elle avait reçu à la Sorbonne. Le témoignage d’Eugénie Cotton, élève de Marie, souligne l’impact de l’enseignement complémentaire très concret que Marie donna quelques années à l’école de Sèvres, qui préparait alors à l’agrégation de jeunes filles. Et c’est encore un enseignement d’initiation à la physique que Marie donne dans le cadre de la coopérative d’enseignement organisée par elle et ses amis et collègues au cours des années 1907-1908, à l’intention de leurs enfants âgés de 7 à 12 ans. Notons au passage que c’est Marie qui anime le cours (ou plutôt, les manipulations) de physique, et Jean Perrin celles de chimie.

La formation de groupes d’infirmières à l’utilisation des appareils à rayons X, véritables appareils de laboratoire à l’époque, qu’elle organise à l’Institut du radium en 1917-1918, mérite également d’être citée. Cette formation associe en effet des cours théoriques donnés par Marie et des séances de travaux pratiques dirigés par Suzanne Veil et Irène Curie. Les groupes pris en charge étaient hétérogènes, certaines infirmières arrivant sans autre bagage que le certificat d’étude, mais beaucoup ont témoigné de la qualité d’une formation qui avait fait d’elles des manipulatrices expertes et recherchées. Passons en revanche rapidement sur les cours de Marie à la Sorbonne, trop distanciés des étudiants et qu’elle abordait manifestement sans plaisir.

Dans la période d’avant-guerre, Marie Curie a des contacts réguliers avec des collègues français et étrangers, en particulier dans le cadre des réunions de la commission chargée de normaliser les mesures de radioactivité et de jeter les bases de la réalisation d’étalons pour le radium. Elle attache une plus grande importance encore à sa participation aux conseils de physique Solvay en 1911 et 1913, puis après-guerre de 1921 à 1933. Ces conseils réunissaient à Bruxelles pendant plusieurs jours une vingtaine de physiciens de premier plan, expérimentateurs ou théoriciens, pour faire le point sur des sujets de physique particulièrement importants. Marie Curie y était la seule femme jusqu’au conseil de 1933, où Lise Meitner et Irène Joliot-Curie furent également invitées. Marie Curie et Ernest Rutherford ont été quasiment jusqu’en 1933, les seuls expérimentateurs travaillant dans le domaine de la radioactivité participant aux conseils.

Au cœur du débat scientifique

Les comptes-rendus des conseils Solvay, notamment les discussions des rapports, font revivre une période charnière de la physique. En 1911 et encore en 1913, une partie des discussions portent sur la nécessité ou non d’abandonner d’anciennes approches théoriques rendant compte de divers phénomènes, pour les remplacer par de nouvelles théories basées sur ce qu’on appelait encore « l’hypothèse » des quanta. On s’interroge aussi sur ce qu’apportent à la structure de l’atome les derniers résultats accumulés dans le domaine de la radioactivité.

Marie Curie intervient en 1911 avec un avis tranché :

Les propriétés thermiques, optique, élastiques magnétiques, etc. [dont il a été question] dépendent des mêmes éléments constitutifs de l’atome, éléments qui apparaissent comme périphériques […]. Les phénomènes radioactifs forment un monde à part, ils viennent d’une région plus profonde de l’atome.

Ce point de vue préfigure d’une certaine façon le résultat des recherches en cours à Cambridge et la découverte du noyau de l’atome, siège de la radioactivité.

Le conseil de 1913 s’ouvre encore avec un rapport de J. J. Thomson décrivant un atome compact, suivi des interventions de Marie Curie et Rutherford sur l’atome à noyau. En 1921, le rapport de Rutherford fait le point sur les avancées obtenues depuis l’avant-guerre sur la structure de l’atome, dont la théorie de Niels Bohr permet de rendre compte. Les discussions se déplacent alors sur les difficultés que soulève pour le noyau, comme précédemment pour l’atome, la présence supposée de particules positives et d’électrons négatifs dans sa composition.

Il faut autre chose que des forces électrostatiques, des forces à plus courte portée.

Marie intervient avec des remarques ou questions ponctuelles au fil des conseils. En 1927, suite à un rapport d’Arthur Compton, elle souligne l’intérêt des « électrons de choc » pour l’efficacité biologique des rayons X ou gamma énergiques qui les produisent. En 1930, elle intervient en complément au rapport d’Aimé Cotton, pour souligner l’importance de la méthode de focalisation utilisée dans le grand électro-aimant de Bellevue qui a permis la découverte de la structure fine des rayons alpha, preuve de l’existence d’états excités dans le noyau.

De l’avis de Jean Perrin en particulier, Marie Curie a été après la première guerre mondiale un grand directeur (on ne disait pas directrice alors) du laboratoire Curie de l’Institut du radium. Elle y a accueilli et formé un certain nombre de chercheuses, dont Marguerite Perey, découvreuse du Francium, et des techniciennes, comme d’ailleurs Rutherford ou Stephan Meyer à Cambridge et à Vienne. Une orientation majeure du laboratoire visait l’accumulation de quantités importantes de radioéléments à très longue période, en vue de travaux de chimie et de physique. Une autre était le support aux travaux de recherches de biologie-médecine menés au pavillon Pasteur. Marie a su développer des recherches personnelles comme d’étroites collaborations, se déplaçant pour participer aux congrès (de physique en particulier) qui commencent à se tenir en Europe.

Marie Curie avait abordé l’après-guerre avec une assurance nouvelle. Elle n’a plus hésité à utiliser son prestige dans l’intérêt de son laboratoire et au-delà pour des entreprises d’intérêt général, telle la Fondation Curie. On la voit réagir par un ferme communiqué pour contredire un député ayant prétendu qu’elle était opposée au vote des femmes. Sa participation comme vice-présidente du Comité international de coopération intellectuelle (ancêtre de l’Unesco), crée sous l’égide de la Société des Nations, est loin d’être de pure forme. Elle se rend régulièrement en juillet à Genève pour discuter de mesures susceptibles de renouer et développer les liens culturels déchirés par la guerre en Europe. Elle y promeut la création de bourses internationales pour de jeunes chercheurs et chercheuses. On trouve dans ses textes de l’époque, à côté toujours de préoccupations concrètes, la célébration de l’esprit d’aventure et de la curiosité, et l’amour de la science.

Hélène Langevin-Joliot

La rédaction de ce billet fait suite à la conférence Marie Curie, les femmes et les sciences, qui s’est tenue le 15 novembre 2022 à l’Académie des sciences (voir la captation vidéo de cette conférence).