Edgar Soulié – Le centenaire de la découverte des isotopes

Le centenaire de la découverte des isotopes

par Edgar Soulié

Jeudi 7 novembre 2013

 

Les recherches sur la radioactivité qui furent menées dans la première décennie du XXe siècle foisonnèrent. Les nouveaux « objets microscopiques » issus de ces recherches étaient d’autant plus difficiles à caractériser que dans un bon nombre de cas, les quantités obtenues étaient infimes et incompatibles avec les méthodes traditionnelles de l’analyse chimique. Des chimistes réputés ne purent croire des résultats obtenus par des méthodes physiques.

Vers 1909, deux  chercheurs allemands SoddyWilly Marckwald et Bruno Keetman d’une part, deux chercheurs suédois Daniel Strömholm et Theodor Svedberg d’autre part furent confrontés à un étrange comportement des échantillons sur lesquels ils travaillaient, le « mésothorium » et le radium, issus de deux « chaînes de désintégration radioactive » différentes. Ces substances radioactives étaient donc obtenues de manières différentes mais elles s’avérèrent inséparables. De l’inséparabilité à l’identité, il y avait un pas à franchir :  ces chercheurs pensaient que cette inséparabilité signifiait une identité chimique, la seule différence étant la masse. Le Britannique Frederick Soddy avait aussi été confronté à l’inséparabilité, avait eu la même  idée, l’avait clairement explicitée  et avait forgé un nouveau mot pour désigner des  atomes doués du même comportement chimique : isotope, qui signifie que ces atomes différents (par leur masse) occupent la même place dans le tableau périodique des éléments. Ce fut le premier acte. Pour distinguer les isotopes, les outils de la chimie ne convenaient pas, il fallait recourir à ceux de la physique.

En développant un appareil utilisé précédemment par le Britannique J.J. Thomson, son compatriote  Francis Aston inventa  un appareil capable de mesurer les masses des atomes. Cet appareil   utilisait un champ électrique et un champ magnétique. La courbure des trajectoires des atomes dans le champ magnétique dépend de la masse. A l’aide de cet appareil appelé spectromètre de masse, Aston démontra qu’un gaz appelé néon est un mélange de deux isotopes de masses 20 et 22. Il montra aussi que de nombreux autres éléments sont des mélanges de deux ou plusieurs isotopes.

La notion d’isotope s’applique aussi bien aux atomes stables qu’aux atomes radioactifs. Elle permet de décrire clairement la succession des désintégrations d’une chaîne allant d’un isotope de l’uranium, radioactif à « vie » très longue  et naturellement présent sur la Terre depuis la formation de celle-ci,   jusqu’à un isotope stable du plomb.

L’hydrogène est un élément abondant sous forme d’eau sur la Terre. En 1931, l’Américain Harold Urey découvrit un isotope stable très minoritaire de cet élément, le deutérium, constitué de l’association d’un proton et d’un neutron. L’astronome américain Charles Critchfield eut l’idée de la réaction nucléaire proton + proton -> deutérium +  position +  neutrino, première étape de la transformation de de protons (hydrogène) en hélium avec une perte de masse induisant une production d’énergie conformément à la théorie publiée par Albert Einstein en 1905 (selon la fameuse relation E = m.c2). Ainsi put-on enfin comprendre comment le Soleil rayonnait autant d’énergie depuis des milliards d’années !

Hans Bethe et Carl von Weiszäcker eurent l’idée d’un autre mécanisme de conversion d’hydrogène en hélium qui met en oeuvre une « réaction nucléaire catalytique » impliquant du carbone.

Les isotopes (stables et radioactifs)  avaient donc une importance cruciale pour la compréhension de la production d’énergie par les étoiles.

Dans les années 1930, la découverte la plus importante par ses conséquences militaires et politiques fut celle de la « fission » de l’uranium : lorsqu’il absorbe un neutron lent, un noyau de l’isotope de masse 235 de cet élément se fragmente en deux morceaux de masses inégales et quelques neutrons et il libère une très grande quantité d’énergie.   Le principe de la réaction en chaîne  fut aussitôt  élaboré et breveté par Frédéric Joliot. La bombe atomique et les « piles » ou réacteurs nucléaires furent des conséquences directes de ces découvertes.

En France, après la seconde guerre mondiale,  le Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) fut créé par le général de Gaulle le 18 octobre 1945. Etienne ROTH était l’un des jeunes ingénieurs recrutés par le CEA dès l’année 1946. Il reçut la mission de développer la spectrométrie de masse pour les besoins du CEA. Après s’être formé à la spectrométrie  de masse au Canada auprès de Harry THODE et  après avoir  développé des instruments pendant plusieurs années, il explora de nombreux domaines scientifiques avec ses collaborateurs et poursuivit des recherches mettant en œuvre des applications des isotopes pendant toute sa carrière.  Les domaines qu’il a abordés sont variés et la plupart se retrouvent  dans les parties de la liste  sélective de ses publications, donnée en annexe.   Un tel « catalogue à la Jacques Prévert » illustre à la fois la richesse des possibilités offertes par les isotopes (stables ou radioactifs) et celle des contacts qu’Etienne ROTH (1922-2009)  avait noués avec des chercheurs dans des domaines variés. En plus de ses recherches, il mena une activité d’enseignement comme professeur de chimie nucléaire au Conservatoire National des Arts et Métiers.

La séance organisée par la Société Française des Isotopes Stables comportera d’abord une évocation historique de la découverte des isotopes par Bernard FERNANDEZ, physicien nucléaire,  devenu historien de la physique. Ensuite, Robert HAGEMANN, qui fut directement associé aux recherches menées par Etienne ROTH sur les réacteurs nucléaires fossiles d’Oklo pendant des années, évoquera une découverte  extraordinaire basée sur les résultats d’investigations minutieuses comme dans un roman policier. Cette découverte,   faite au Gabon en 1972,  est restée unique.

Enfin, Michel ROSTAING, qui fut longuement associé aux travaux d’Etienne ROTH dans le domaine du génie chimique parlera d’un problème relatif aux futurs réacteurs nucléaires de fusion : la production et la récupération du tritium,  cet isotope radioactif de l’hydrogène qui joue un rôle décisif dans la réaction de fusion sur laquelle les partenaires du programme international « ITER » fondent leurs espoirs de production d’énergie pour les générations futures.

 

Bibliographie choisie d’articles publiés par Etienne ROTH

Les numéros entre crochets sont les numéros d’ordre chronologique dans la liste de ses publications

 

APPLICATIONS NUCLEAIRES  DU GENIE CHIMIQUE

A – L’eau lourde et sa production

[5] CHENOUARD J., GUERON J., ROTH E. Analyse des mélanges H2-D2 et des mélanges d’eau lourde et d’eau légère au moyen du spectromètre de masse. Rapport CEA n° 87 (1951).

[26]  ROTH E., STOULS L., DIRIAN G., LAZARD B., NIEF G. Production d’eau lourde en France. Rapport CEA n°1024, 86 pages (1958).

[45]  ROTH E. Un nouveau procédé de préparation d’eau lourde par échange isotopique. Energie Nucléaire, vol. 4( 1962)  n° 5, pp. 332-342.

[86b] ROTH E., DIRIAN G., ROSTAING M., TRAOUROUDER R., MARTIN R., VIRATELLE J., SIMONET G., LEFRANCOIS B., BLONDEAUX P., BOURGEOIS Y. Les études de procédés de fabrication et les usines d’eau lourde suivant le procédé français. Peaceful uses of Atomic Energy, Vol. 9, AIEA 1972.

B – Les processus chimiques des réacteurs de fission

[13] ROTH E., CHENOUARD J., DIRIAN G. Comportement de l’eau lourde dans les piles, 12 pages. Première Conférence Internationale sur l’utilisation de l’énergie atomique à fins pacifiques  (1955).

C – L’extraction et l’enrichissement du tritium

[67] RAVOIRE J., FREJAVILLE G., MONTEL J., ROTH E. Nouvelle technique d’enrichissement du tritium par diffusion thermique. Dans « Radioactive dating and methods of low-level counting », IAEA, Vienna, 1967.

[132] ROTH E. A French Process for tritium removal from Canadian heavy water. Nuclear Technology Fusion, mars 1984.

[125] ROTH E. Technologie de la production de tritium dans les réacteurs de fusion. dans Proceedings de « 6th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology’”, Paris, Août 1981. Nuclear Engineering and Design  6th SMIRT.

[134]  ROTH E., ABASSIN J.J., BOTTER F., BRIEC M., CHENEBAULT P., MASSON M., RASNEUR B., ROUX N. Irradiation of lithium aluminate and tritium extraction. First International Conference on Fusion Reactor Materials, Tokyo, Décembre 1984. Journal of Nuclear Materials, 1985, 133 and 134, pp. 238-241 CEA-Conf.: 7691.

[141] ROTH  E.,  Mme BOTTER  F.,  BRIEC M.,  ROSTAING M. Tritium recovery from a breeder  gamma lithium aluminate. Conférence ICFRM-2. CEA-CONF.8413 et J. Nucl. Mat., 1986, 141-143, p357.

[142]  BRIEC  M.,  Mme BOTTER  F., ABASSIN  J.J.,  BENOIT  R., CHENEBAULT  P., MASSON  M.,  RASNEUR  B.,  SCIERS  P.,  WERLE  H.,  ROTH  E. In and out of pile tritium extraction from samples of tritium aluminates. Conférence ICFRM-2. CEA-CONF.8410, et  J. Nucl. Mat., 1986, 141-143,  pp.357-363.

 

FRACTIONNEMENTS ISOTOPIQUES ET MECANISMES PHYSICO-CHIMIQUES

[28a]  ROTH E., BIGELEISEN J. Nouvelles mesures des tensions de vapeur des isotopes du néon. J. Chim. Phys. Fr., 1959, 56, 10, 818-819 (C.R. de conférences).

[31]  ROTH E. Nouvelles déterminations des tensions de vapeur des isotopes du néon. Thèse de Doctorat ès Sciences Physiques, Paris, 22 Mars 1960 (rapporteur E. BAUER). Rapport CEA n° 1666, 1960.

 

SPECTROMETRIE DE MASSE ET ANALYSES ISOTOPIQUES

[1] ROTH E. Spectrographie de Masse. 7è Congrès pour l’avancement des méthodes spectrographiques(GAMS). 21, 22, 23 janv. 1947 Laboratoire Central de l’Armement. Pages 89 à 100 + 6 pages non numérotées contenant les figures I à VI.

[2] ROTH E. Spectrométrie  Spectrographie de Masse. J. Phys. Rad., 1949, Série VIII, X, n° 3, 14D-16D et n° 4, 17D-27D et rapport CEA  n°15 (1949).

[8] LECOMTE J., CECCALDI M., ROTH E. Dosage isotopique de l’eau par mesure d’absorption dans l’infrarouge. J. Chim. Phys. Fr., vol.50, n°3,  mars 1953, pp. 166-169.

[21] CECCALDI M., GOLDMAN M., ROTH E. Le spectre d’absorption des mélanges H2O-D2O à l’état liquide entre 0,8 μ et 30 μ. Colloquium Spectroscopicum Intern. VI (Amsterdam, 1956), Pergamon Press, London,  pp. 623-631.

[73] HAGEMANN R., NIEF G., ROTH E. Mesure absolue du rapport isotopique d’une eau très pauvre en deutérium. Rapport CEA-R 3633, 1968, 21 pages numérotées et trois figures sur des pages non numérotées.

[171] ELIOT  E., LETOLLE  R., ROTH  E. Analyses isotopiques. Applications. Les Techniques de l’Ingénieur, traité Analyse chimique et Caractérisation. Volume P 3740, pp 1-22 (1993)

 

GEOCHIMIE ISOTOPIQUE

A –Sur Terre

[6] LAZARD B., NIEF G., ROTH E. Variations de l’abondance du 34S. J. Chim. Phys. Fr., Vol. 49, n°2, février 1952, pp. 60-63.

[16] ROTH E. Composition isotopique de l’hydrogène des gaz de Lacq. C.R. Acad. Sci. Fr., tome 242, année 1956,  pp. 3097-3100.

[46]  ROTH E. L’utilisation des mesures de teneur en deutérium pour l’étude des phénomènes météorologiques et géologiques. J. Chim. Phys. Fr., vol. 60, n° 1-2, année 1963, pages 339-349,

B – La recherche du deutérium dans les roches lunaires et ses conséquences

[97] MERLIVAT L., LELU M., NIEF G., ROTH E. Deuterium, hydrogen and water content of lunar material. Proceedings of the fifth Lunar Conference (suppl. 5, Geochimica and Cosmochimica Acta) , Vol. 2, année 1974, pp. 1885-1895. Pergamon Press. REACTEURS NUCLEAIRES FOSSILES D’OKLO (GABON).

 

LES PREMIERES DATATIONS, LE PHENOMENE D’OKLO

[94] BAUDIN G., BLAIN C., HAGEMANN R., KREMER M., LUCAS M., MERLIVAT L., MOLINA R., NIEF G., PROST-MARECHAL F., REGNAUD F., ROTH E. 6+5c. Quelques données nouvelles sur les réactions nucléaires en chaîne qui se sont produites dans le gisement d’OKLO (Gabon), présenté par F. PERRIN. C.R. Académie des Sciences, Paris, 20 Novembre 1972. Série D 1972, tome 275, n° 21, pp. 2291-2294.

[98] HAGEMANN R., ROTH E., LUCAS M., NIEF G. Mesures isotopiques du rubidium et du strontium et essais de mesure de l’âge de la minéralisation de l’uranium du réacteur naturel fossile d’Oklo. Earth and Planetary Science Letters, 23, 1974, 170-176.

[102] ROTH E., LUCAS M., LECOMTE T., DEVILLERS C., HAGEMANN R. Essai de contribution par la géochimie à l’évaluation de l’importance et de la fréquence des phénomènes du type « Oklo ». Dans « Le phénomène d’OKLO », « The OKLO phenomenon ». IAEA SM-204/25, Vienne, 1975, pp. 489-498.

[115] HAGEMANN R., ROTH E. Relevance of the studies of the OKLO natural nuclear reactors to the storage of radioactive wastes. Radiochimica Acta, 1978, n° 25, 241-247 (paru en 1980).

[119] RUFFENACH J.C., HAGEMANN R., ROTH E. Isotopic abundances measurements a key to understanding the OKLO phenomenon. Z. Naturforsch, 1980, 35a, 171-179.

 

DATATION RADIOACTIVE

[140] ROTH  E. Les méthodes de datation par les phénomènes nucléaires naturels. Principes-Généralités. In Les méthodes de datation par les phénomènes nucléaires naturels. Applications. ROTH E., POTY B ed. Masson, Paris, 1985, pp 1-33. L’UTILISATION DES TECHNIQUES D’ISOTOPES STABLES EN BIOLOGIE ET MEDECINE.

[127]  ROTH E., BASSET G., SUTTON J., APFELBAUM M., MARSAC J. Use of water labelled with deuterium for medical application. Dans « Stable Isotopes », p. 337-344. Elsevier, 1982. (H.-L. Schmidt,H. Förstel,and K. Heinzinger editors).

 

EAU, CLIMAT

A – Hydrologie isotopique

[23]  BOTTER R., LAZARD B., NIEF G., ROTH E. Composition isotopique de l’hydrogène de certaines eaux naturelles in : Communications au 16ème Congrès International de Chimie pure et appliquée.                          Colloque de Géochimie, Paris, 22-24 Juillet 1957. Conférence CEA n° 47.déc. 1958 7pages.

[27] DANSGAARD  W., NIEF G., ROTH E. Isotopic distribution in a Greenland Iceberg. Nature, G.B., 1960, vol 185, p.232.

[66]  MERLIVAT L., LORIUS C., MAJZOUB M., NIEF G., ROTH E. Etudes isotopiques en profondeur d’un glacier en Antarctique- Isotopes in hydrology. Proc. of the Symposium on isotopes in hydrology IAEA-IUGG- Vienne, 14-18 Novembre 1966, publié par IAEA-Vienne 1967, série « Proceedings ».pp.671-681

[78]  RAVOIRE  J.,     LORIUS  C.,  ROBERT  J.,  ROTH  E. Tritium content in a Firn Core from Antarctica. Journal of Geophysical Research, vol.75, n°12, 2331-1335, Avril 1970.

[84/ HAGEMANN R., NIEF G., ROTH E. Absolute isotopic scale for deuterium analysis of natural waters. Absolute D/H ratio for SMOW. Tellus XXII, 1970,vol.6.pp. 712-715

[92] ROTH E., MERLIVAT L., COURTOIS G., CORNUET R., GUIZERIX J., MARGRITA R., MOLINARI J., GRAS R. Application des isotopes stables et radioactifs dans le domaine de l’hydrologie et de la sédimentologie. Peaceful uses of Atomic Energy, vol. 14, AIEA, 1972, pp.1-12.

B – Isotopes et formation des grêlons

[51]  MERLIVAT L., NIEF G., ROTH E. Etude de la formation de la grêle par une méthode isotopique. C.R. Acad. Sci. Paris, 258, 6500-6502, 29 Juin 1964.

[93] MAJOUBE M., ROTH E. Etude des variations des teneurs en oxygène 18 et en deutérium dans deux grêlons. Note CEA-N 1540, Juillet 1972.19pages

[103] JOUZEL J., MERLIVAT L., ROTH E. Isotopic study of hail. J. of Geophysical Research, vol. 80, n° 36, 5015-5030, déc.1975.

C – L’atmosphère

[190]   ROTH  E., LETOLLE  R.,  STEVENS  C.M.,ROBERT F. Isotope effects in the Atmosphere. In Isotope effects in Chemistry and Biology. Amnon Kohen  and Hans-Heinrich Limbach eds., Marcel Dekker Inc., New-York (2004), pp. 387-416.

 

DOMAINES SCIENTIFIQUES DIVERS

A – Mesures nucléaires et radioactivité

[80] NIEF G., ROTH E. Mass Spectrometry and measurement of neutron reactions cross sections for power nuclear reactor operation. Communication présentée à la Triennial International mass spectrometry conference, Bruxelles 31 Août- 4 Septembre 1970. Advances in Mass Spectroscopy, vol. 5,p. 14-23. The Institute of Petroleum, London 1971.

B- Abondances isotopiques et poids atomiques

[133] PEISER H.S., HOLDEN N.E., DE BIEVRE P., BARNES I.L., HAGEMANN R., DE LAETER J.R., MURPHY T.J., ROTH E., SCHIMA M., THODE H.G. Element by element. Review of their atomic weights (IUPAC) , 1985. Pure and Applied Chemistry, vol 56, n°6, pp.695-768 (1984) Pergamon Press.

[188] T.B. COPLEN, J.K. BÖHLKE, P. DE BIEVRE, T.DING, N.E. HOLDEN,  J.A. HOPPLE, H.R. KROUSE, A. LAMBERTY, H.S. PEISER, K. RÉVÉSZ, S.E. RIEDER, K.J.R. ROSMAN, E. ROTH, P.D.P. TAYLOR, R.D. VOCKE,JR., Y.K. XIAO. Isotopic Abundance Variations of Selected Elements.  (IUPAC Technical Report). Pure and Appl. Chem. Vol.74 n°10 pp.1987-2017 (2002).

C – Séparation  isotopique et utilisation des isotopes stables

[11] NIEF G., ROTH E. Sur un phénomène de séparation d’isotopes provoqué par passage de courant électrique dans un métal fondu. C.R. Acad. Sci. Fr., 1954, 239, pp. 162-164.

[18] GOLDMAN M., NIEF G., ROTH E. Influence de la température sur la séparation isotopique sous l’effet du courant continu dans le gallium fondu. C.R. Acad. Sci. Fr., 1956, 243, 1414-1416.

[22] MENES F., SAITO E., ROTH E. Séparation des isotopes du lithium sur échangeurs d’ions. Proc. Symposium on isotope separation, Amsterdam, 1957, Chap. 16, p. 227-242.

[47] MENES F., DIRIAN G., ROTH E. Application de la méthode d’électromigration à contre-courant en sels fondus à la séparation des isotopes du calcium. J. Chim. Phys. Fr., 60, n° 1-2, 339-349, 1963.

D – Usages des isotopes stables

[183] ROTH  E. Critical evaluation of the use and analysis of stable isotopes. Pure and Appl. Chem. Vol. 69, n°8 pp. 1753-1828 (1997).

 

HISTOIRE

[161] ROTH  E. La découverte de l’uranium et du zirconium par Klaproth. Revue Générale Nucléaire  n° 6 nov- déc (1989) pp.448-452.

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