Le laboratoire où Marie Curie isola le radium n’était pas un laboratoire. C’était un ancien hangar de dissection à l’École de physique et de chimie de Paris, rue Lhomond. Le bâtiment avait un toit vitré qui fuyait quand il pleuvait, pas de ventilation digne de ce nom, et pas de plancher, seulement de la terre battue. En été, on y étouffait. En hiver, la température descendait parfois sous le point de congélation de l’eau.
C’est dans cet espace qu’entre 1898 et 1902, Marie Curie réalisa l’une des expériences les plus physiquement éprouvantes de l’histoire des sciences. Partant de tonnes de pechblende (un minerai d’uranium), elle traita chimiquement le matériau en charges énormes : dissolution, précipitation, filtration, évaporation, afin de concentrer les infimes traces d’éléments radioactifs qu’il recelait. Le travail était épuisant, répétitif et dangereux. Il fut aussi l’une des réalisations scientifiques les plus marquantes du XXe siècle.
Comment tout a commencé
L’histoire débute en 1896, lorsque Henri Becquerel découvrit que des sels d’uranium émettaient une radiation pénétrante sans aucune source d’énergie extérieure. Le phénomène était mystérieux : contrairement aux rayons X (découverts par Röntgen l’année précédente), les rayons de Becquerel ne nécessitaient ni tube cathodique, ni courant électrique, ni stimulus d’aucune sorte. L’uranium rayonnait, tout simplement, de façon continue et spontanée.
Marie Curie, alors doctorante à la Sorbonne, choisit d’étudier ce phénomène pour sa thèse. À l’aide d’un électromètre sensible (un appareil de mesure de la charge électrique, conçu à l’origine par son mari Pierre et le frère de celui-ci, Jacques), elle mesura systématiquement le rayonnement de chaque élément et de chaque composé qu’elle put se procurer.
Sa première découverte importante fut que le rayonnement était une propriété atomique : il ne dépendait que de la quantité d’uranium présente, et non de sa forme chimique, de sa température ou de son état physique. L’oxyde d’uranium, l’uranium métallique et l’uranium dissous dans l’acide produisaient tous un rayonnement proportionnel à la quantité d’atomes d’uranium. Le rayonnement venait donc de l’atome lui-même, et non d’une réaction chimique ou d’un arrangement moléculaire.
Elle appela cette propriété radioactivité, forgeant le terme qui allait définir un nouveau domaine de la physique.
Le minerai anomal
La seconde découverte de Curie fut la plus décisive. Lorsqu’elle mesura la radioactivité de la pechblende (le minerai dont on extrait l’uranium), elle constata que celui-ci était nettement plus radioactif que l’uranium pur. C’était impossible si l’uranium était le seul élément radioactif du minerai. L’excès de radioactivité devait provenir d’un autre élément, bien plus radioactif que l’uranium lui-même.
L’excès étant considérable, l’élément inconnu devait être extraordinairement radioactif. Mais il n’était présent qu’en quantités infimes, trop faibles pour avoir été détecté par l’analyse chimique conventionnelle.
Pierre Curie, comprenant l’importance de la découverte, abandonna ses propres recherches sur la physique des cristaux et se joignit au travail de Marie. Ensemble, ils entreprirent de trouver l’élément inconnu.
Deux nouveaux éléments
En juillet 1898, les Curie annoncèrent la découverte d’un nouvel élément radioactif, qu’ils nommèrent polonium en hommage à la Pologne natale de Marie (alors partagée entre la Russie, la Prusse et l’Autriche, sans existence indépendante). Le polonium, trouvé dans la fraction bismuth de la pechblende, était environ 400 fois plus radioactif que l’uranium.
En décembre 1898, travaillant avec le chimiste Gustave Bémont, ils annoncèrent la découverte d’un second élément : le radium. Trouvé dans la fraction baryum de la pechblende, le radium était encore plus intensément radioactif que le polonium. Les Curie estimèrent qu’il était environ un million de fois plus radioactif qu’une masse égale d’uranium.
Mais il s’agissait d’annonces de découverte, pas de preuves d’existence. Les Curie avaient détecté les nouveaux éléments par leur radioactivité, non en les isolant sous forme pure. De nombreux chimistes restaient sceptiques. Pour prouver que le radium était un véritable élément, Curie devait l’isoler, déterminer sa masse atomique et identifier ses raies spectrales.
Le travail d’isolement
C’est ici que le hangar devint indispensable. Isoler le radium de la pechblende exigeait de traiter des quantités énormes de minerai. Le radium est présent dans la pechblende à une concentration d’environ un pour dix millions. Pour en obtenir une quantité mesurable, Curie devait partir de tonnes de matière brute.
Le gouvernement autrichien fit don de plusieurs tonnes de résidus de pechblende provenant des mines d’uranium de Joachimsthal (aujourd’hui Jáchymov, en République tchèque). Les résidus avaient déjà été traités pour en extraire l’uranium et étaient donc disponibles à bas prix. Ils arrivèrent à Paris dans des sacs et furent entreposés dans la cour du hangar.
La méthode de Curie était la cristallisation fractionnée, une technique classique de chimie analytique poussée à des échelles extrêmes. Elle dissolvait le minerai dans l’acide, précipitait diverses fractions chimiques, puis dissolvait et reprécipitait de façon répétée la fraction baryum (qui contenait le radium). Chaque cycle de dissolution et de précipitation augmentait légèrement la concentration en radium par rapport au baryum, car le chlorure de radium est légèrement moins soluble que le chlorure de baryum.
Le processus était fastidieux. Chaque cycle n’améliorait la concentration que d’un faible facteur. Des milliers de cycles furent nécessaires. Curie travaillait par lots de vingt kilogrammes, remuant des solutions bouillantes dans des cuves en fer avec une tige presque aussi grande qu’elle. Elle passait des journées entières debout devant des chaudrons, versant des solutions d’un récipient à l’autre, filtrant des précipités et mesurant la radioactivité de chaque fraction.
« Parfois je devais passer toute une journée à remuer une masse en ébullition avec une lourde tige de fer presque aussi grande que moi », écrivit-elle plus tard. « J’étais brisée de fatigue à la fin d’une journée de travail. »
Un dixième de gramme
Après quatre ans de ce labeur, en 1902, Curie isola enfin un dixième de gramme de chlorure de radium pur à partir de plusieurs tonnes de résidus de pechblende. Elle détermina la masse atomique du radium à 225,93 (la valeur moderne est 226,03), le plaçant définitivement dans le tableau périodique comme élément 88, sous le baryum dans le groupe des métaux alcalino-terreux.
Le chlorure de radium pur brillait faiblement en bleu dans l’obscurité. Marie et Pierre Curie se rendaient parfois au hangar la nuit pour contempler la lueur de leurs flacons. « L’une de nos joies était d’aller dans notre salle de travail le soir », se souvenait Marie. « Les tubes lumineux ressemblaient à de faibles lumières de fées. »
L’isolement du radium apporta la preuve définitive de son existence en tant qu’élément. Il fit taire les sceptiques et établit la radioactivité comme un phénomène atomique fondamental, et non comme une curiosité chimique. Il montra aussi que les atomes n’étaient pas immuables : ils pouvaient se transformer, émettre un rayonnement et se changer en éléments différents. C’était une idée radicale en 1902, qui annonçait la physique atomique des décennies suivantes.
Deux prix Nobel
En 1903, Marie Curie, Pierre Curie et Henri Becquerel partagèrent le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur la radioactivité. Marie fut la première femme à recevoir un prix Nobel. Pierre mourut dans un accident de rue en 1906, et Marie poursuivit seule leurs travaux.
En 1911, elle reçut un second prix Nobel, cette fois en chimie, pour la découverte du polonium et du radium et l’isolement du radium sous forme pure. Elle reste la seule personne à avoir reçu des prix Nobel dans deux sciences différentes.
La citation du comité Nobel mentionnait expressément l’isolement du radium, le labeur physique épuisant dans le hangar, comme l’accomplissement qui méritait le prix de chimie. La découverte de la radioactivité avait été récompensée par le prix de physique. L’isolement de l’élément était un accomplissement distinct, qui exigeait non seulement une perspicacité scientifique mais des années de travail manuel harassant.
Le prix à payer
Le travail dans le hangar ne fut pas seulement épuisant. Il fut mortel. Curie manipula des matériaux radioactifs pendant des années sans protection, non par négligence, mais parce que les dangers de la radiation n’étaient pas encore connus. Elle portait des éprouvettes de solutions radioactives dans ses poches. Ses cahiers de laboratoire de cette période sont encore si contaminés qu’ils doivent être conservés dans des coffres doublés de plomb et ne peuvent être consultés que par des chercheurs portant des vêtements de protection.
Curie développa des problèmes de santé chroniques qu’elle attribuait au surmenage mais qui étaient presque certainement dus à l’exposition aux radiations. Elle souffrit de fatigue, de cataracte et de lésions aux doigts. Elle mourut le 4 juillet 1934 d’anémie aplasique, un état dans lequel la moelle osseuse cesse de produire des cellules sanguines. Sa mort fut une conséquence directe de décennies d’exposition aux radiations.
Les dangers du radium ne furent pleinement reconnus que dans les années 1920 et 1930, lorsque les cas des « radium girls » (des ouvrières qui peignaient des cadrans de montres avec de la peinture au radium et développèrent des cancers des os) forcèrent une prise de conscience publique sur la toxicité des matériaux radioactifs. Les recherches de Curie avaient rendu possible la découverte des applications médicales du radium (la radiumthérapie fut une forme précoce de traitement du cancer par irradiation), mais la même radiation capable de tuer des cellules cancéreuses pouvait aussi détruire les tissus sains.
La thèse
Marie Curie documenta ses recherches dans sa thèse de doctorat, « Recherches sur les substances radioactives », soutenue à la Sorbonne en juin 1903. La thèse décrit la découverte de la radioactivité comme propriété atomique, l’identification du polonium et du radium, les méthodes de séparation chimique et les mesures qui établirent la masse atomique du radium.
La thèse est un modèle d’écriture scientifique : précise, méthodique et sobre. Elle consigne des années de labeur épuisant dans une prose calme et mesurée. Les cuves d’acide bouillant, le toit qui fuit, les nuits passées à contempler des flacons luminescents, rien de tout cela n’apparaît dans le texte. Curie présenta ses résultats comme de la science pure, dépouillée de toute expérience personnelle, laissant les données parler d’elles-mêmes.
L’édition Kronecker Wallis de la thèse de Marie Curie (édition anglaise) reproduit ce document fondateur, le travail qui a établi la radioactivité comme domaine de la physique et valu à son auteur deux prix Nobel. C’est le témoignage écrit de ce que ces quatre années dans le hangar ont accompli.
La tradition plus large du portrait scientifique a eu du mal à saisir la réalité de personnalités comme Curie, dont le travail le plus important fut autant un labeur physique qu’une prouesse intellectuelle. L’ouvrage Portraying Science de Kronecker Wallis explore la manière dont les artistes ont représenté les scientifiques à travers les siècles, des poses idéalisées des portraits des Lumières aux représentations plus directes de l’époque moderne.
Ce qu’un dixième de gramme a prouvé
L’isolement du radium par Marie Curie est parfois éclipsé par le récit plus large de la radioactivité et de la physique atomique. Mais l’isolement lui-même fut l’étape essentielle. Sans lui, le radium serait resté une hypothèse, une entité invisible détectable uniquement par sa radiation. En isolant l’élément, en déterminant sa masse atomique et en le plaçant dans le tableau périodique, Curie prouva que les éléments radioactifs étaient réels, que les atomes pouvaient se transformer et que le tableau périodique n’était pas complet.
Elle y parvint non par la brillance théorique (bien qu’elle en fût pourvue) mais par quatre années de travail physique dans un hangar qui prenait l’eau, traitant des tonnes de roche pour obtenir une quantité de radium plus petite qu’un pois. Le travail exigeait patience, endurance et la conviction que l’élément était là, caché dans le minerai, attendant d’être trouvé. C’était la science dans sa forme la plus fondamentale : la détermination d’arracher la vérité à la nature, fraction après fraction.
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