Dans cette conférence captivante, le physicien et philosophe des sciences Étienne Klein retrace l’épopée scientifique ayant mené à la découverte de la fission nucléaire. À travers un récit émaillé d’anecdotes historiques, d’intuitions oubliées et d’erreurs constructives, il montre comment une simple idée philosophique est devenue l’une des forces les plus puissantes de la physique moderne.
Le chercheur met tout particulièrement en lumière le rôle déterminant, bien que souvent invisibilisé par l’histoire, des femmes scientifiques dans la compréhension de l’atome et du noyau.
Ce qu’il faut retenir
L’atome imaginé par les philosophes de l’Antiquité comme une brique fondamentale insécable n’existe pas en tant que tel : sa quête a néanmoins permis de découvrir une structure physique complexe composée d’un noyau et d’électrons.
La physique nucléaire s’est développée grâce à la compréhension du neutron et de sa capacité unique à s’insérer au cœur des éléments lourds sans subir de répulsion électrique.
La découverte de la fission nucléaire résulte de l’intuition novatrice de chercheuses comme Ida Noddack et Lise Meitner, dont les analyses ont révolutionné la science malgré les réticences initiales d’une communauté scientifique très masculine.
De l’idée philosophique à la réalité de l’atome
L’aventure commence par un concept purement intellectuel. Dans la Grèce antique, mais aussi en Chine et en Inde, des penseurs imaginent que la matière est composée de particules insécables appelées atomes. Ces entités pures évoluent dans le vide absolu pour former les objets du quotidien.
Il aura fallu attendre deux millénaires et demi pour obtenir la preuve physique de cette existence. C’est à Paris, en 1906, que le physicien Jean Perrin valide expérimentalement les calculs mathématiques qu’Albert Einstein avait publiés l’année précédente sur le mouvement brownien.
Une ironie fondamentale émerge alors de cette grande découverte. L’atome physique révélé par la science ne ressemble en rien à l’objet philosophique imaginé par les Anciens : loin d’être indivisible, il s’avère extrêmement complexe et structuré. L’histoire prouve ainsi que des idées scientifiquement fausses peuvent guider la recherche vers de véritables révolutions conceptuelles.
La structure du noyau et le piège du dentifrice
Au début du vingtième siècle, les modélisations révèlent que l’atome abrite en son centre un noyau extrêmement petit et dense. Ce cœur concentre l’essentiel de la masse atomique autour duquel gravitent des électrons légers de charge négative.
Les physiciens constatent rapidement une anomalie concernant les masses mesurées. La masse globale d’un noyau s’avère toujours supérieure à la somme des charges positives des protons qu’il contient. Cette différence implique la présence d’un constituant neutre complémentaire.
Pour expliquer la radioactivité bêta et l’éjection d’électrons hors du noyau, les chercheurs tombent dans un piège logique en apparence évident. Selon le raisonnement intuitif dit du tube de dentifrice, si un électron sort du noyau, c’est qu’il s’y trouvait au préalable. Ils en déduisent à tort que le constituant neutre est un simple assemblage formé d’un proton et d’un électron collés ensemble.
La découverte décisive du neutron
En 1932, les expériences menées à Paris par Frédéric et Irène Joliot-Curie apportent des données totalement inédites. En bombardant des éléments légers avec des particules alpha, ils observent la projection d’un rayonnement extrêmement pénétrant qu’ils interprètent d’abord comme des rayons gamma de très haute énergie.
À Rome, l’équipe d’Enrico Fermi analyse la publication française et perçoit immédiatement une conclusion différente. James Chadwick confirme rapidement cette intuition en démontrant l’existence formelle d’une toute nouvelle particule élémentaire appelée le neutron.
Le neutron possède une masse quasi identique à celle du proton, mais ne transporte aucune charge électrique. La radioactivité bêta s’explique enfin correctement : elle ne découle pas d’un électron préexistant, mais de la conversion spontanée d’un neutron en proton. Cette avancée majeure pose les fondations de la physique nucléaire moderne.
La course aux transuraniens et l’intuition d’Ida Noddack
La découverte du neutron déclenche une compétition scientifique passionnée à travers l’Europe. Libéré de toute répulsion électrique en raison de sa neutralité, le neutron devient le projectile idéal pour s’infiltrer au plus profond des cœurs atomiques.
À Rome, Enrico Fermi et ses collaborateurs bombardent méthodiquement divers métaux du commerce. Ils observent deux réactions distinctes : l’expulsion d’une particule alpha ou l’absorption pure et simple du neutron. L’absorption provoque une transmutation bêta créant un élément au numéro atomique supérieur.
En 1934, l’équipe italienne applique ce procédé à l’uranium, le plus lourd des éléments naturels. Persuadés d’avoir créé artificiellement l’élément 93, ils annoncent leur succès à la presse mondiale. La trouvaille vaut d’ailleurs le prix Nobel à Fermi.
C’est alors qu’intervient la chimiste allemande Ida Noddack. Dans une lettre adressée à Fermi ainsi que dans un article scientifique, elle remet en doute l’analyse chimique menée à Rome. Elle suggère que le choc d’un neutron ne produit pas nécessairement un élément plus lourd, mais peut couper le noyau d’uranium en plusieurs gros morceaux. Cette idée de fragmentation, trop audacieuse pour les esprits de l’époque, est rejetée sans examen sérieux par la communauté scientifique masculine.
L’exil de Lise Meitner et la révélation de la fission
Il faut attendre la fin de l’année 1938 à Berlin pour que les expériences reprennent avec une précision accrue. Le chimiste Otto Hahn et son collègue Fritz Strassmann bombardent à leur tour de l’uranium et constatent la présence inexplicable de baryum, un élément chimique deux fois plus léger.
Ne comprenant pas la nature de ce résultat, Otto Hahn écrit clandestinement à sa collaboratrice de longue date, la physicienne Lise Meitner. Contrainte de fuir l’Allemagne nazie en raison de ses origines juives, celle-ci réside alors en exil en Suède.
Lors d’une discussion hivernale avec son neveu Otto Frisch, Lise Meitner analyse les données berlinoises et résout l’énigme. Elle confirme que le noyau d’uranium percuté par un simple neutron lent s’est bel et bien scindé en deux noyaux plus légers, le baryum et le krypton. En s’appuyant sur le modèle théorique de la goutte liquide, elle théorise avec précision le phénomène de la fission nucléaire.
L’énergie atomique et les leçons de l’histoire
La modélisation physique montre qu’une fraction de la masse initiale du noyau se convertit directement en une quantité d’énergie phénoménale, conformément à la célèbre équation d’Einstein. Cette rupture libère également deux à trois neutrons supplémentaires à grande vitesse.
Ces neutrons secondaires peuvent percuter d’autres noyaux voisins pour déclencher une réaction en chaîne. Si cette réaction s’emballe de manière exponentielle, elle produit une explosion atomique. Si elle est régulée afin de ne maintenir qu’un seul neutron capturé par étape, elle permet le fonctionnement d’un réacteur nucléaire civil.
Étienne Klein conclut sa conférence sur la portée morale et temporelle de ces découvertes. Des chercheuses exceptionnelles comme Lise Meitner ou Ida Noddack n’ont jamais reçu le prix Nobel malgré des dizaines de nominations officiellement enregistrées. Il souligne enfin que le rejet initial de l’hypothèse de la fission en 1934 a probablement évité que la technologie atomique ne soit maîtrisée avant le déclenchement de la Seconde Guerre mondiale, modifiant ainsi le cours de l’histoire humaine.
