Comment Marie et Pierre Curie mesuraient la radioactivité ?

Musée Curie

La méthode Curie

Un œil sur la règle, une main tenant le chronomètre
C’est souvent dans cette posture que nous trouvons Marie Curie sur les photos qui la représentent en train de mesurer la radioactivité avec la "méthode Curie". Mais que fait-elle exactement ? Pour pouvoir le comprendre, on va s'intéresser à l'expérience utilisée pour la première fois par Marie et Pierre Curie en 1898. Commençons par le fonctionnement des instruments qui la composent...
Le principe de la mesure
Les rayons radioactifs électrisent l'air. La méthode Curie a pour but de mesurer le nombre de charges électriques produites : plus il y a de rayons, plus il y a de charges. Le système expérimental des Curie incluait une chambre d'ionisation, un électromètre à quadrants et un quartz piézo-électrique.

La spécificité de la méthode mise en place par Marie et Pierre Curie est l'introduction d'un quartz piézo-électrique, utilisé comme étalon de mesure.

La chambre d'ionisation
L'air, comme toute matière, est constitué d'atomes neutres électriquement. Les atomes sont composés de particules dont les charges électriques se compensent : les électrons (-), et les noyaux (+). Les rayons radioactifs arrachent des électrons aux atomes d'air : on obtient ainsi des charges électriques à partir des atomes d'air. On dit que l'air est ionisé...

Pour recueillir les électrons produits par l'échantillon radioactif, on pose celui-ci entre les deux plateaux de la chambre d'ionisation. Les deux plateaux de la chambre sont chargés électriquement. Les électrons négatifs vont aller vers le plateau positif : un courant électrique apparaît dans la chambre.

L'électromètre à quadrants
Une fois mises en mouvement, les charges électriques produites par la source radioactive vont vers l'électromètre à quadrants. Cet instrument permet de mesurer la charge électrique.

L'électromètre est composé de huit quadrants entre lesquels, en sandwich, se trouve un papillon métallique (dans l'image on voit la section verticale). Un petit miroir est accroché au papillon...

Les quadrants sont connectés à des piles pour pouvoir générer un champs électrique. Les électrons qui arrivent depuis la chambre d'ionisation dans l’électromètre et jusqu'au papillon, font tourner légèrement ce dernier dans le champs électrique. Plus il y a d'électrons, plus le papillon tourne.

En tournant, le papillon entraîne le petit miroir. Le mouvement du miroir, comme celui du papillon, est donc proportionnel au nombre d'électrons produits dans la chambre d'ionisation.

On envoie un rayon lumineux sur le petit miroir, qui le réfléchit sur une règle graduée. Lorsque le papillon tourne, le miroir tourne, et donc le spot lumineux se déplace sur la règle, en permettant la lecture de la mesure.

Le quartz piézo-électrique
D'après les notes de laboratoire de Marie Curie, les mesures de radioactivité obtenues avec seulement l'électromètre et la chambre d'ionisation sont peu stables. C'est pour obtenir une mesure plus précise que Marie et Pierre Curie introduisent dans le système expérimental un troisième instrument : le quartz piézo-électrique.

Le quartz piézo-électrique a été mis au point par Pierre Curie avec Jacques, son frère, bien avant la découverte de la radioactivité. Les deux frères ont découvert en 1880 que certains cristaux émettent de faibles quantités d’électricité lorsqu’ils sont étirés ou comprimés (piézo signifie presser en grec). C'est le cas du quartz.

« Les deux extrémités de la lame [de quartz] sont fixées dans des mâchoires dont l’une permet de suspendre la lame...

... la mâchoire inférieure porte un plateau dans lequel on peut placer des poids. (…) Cette traction a pour effet de dégager sur les deux faces de la lame des quantités d’électricité (…) qu’il s’agit de recueillir »
Marie Curie le 16 juillet 1921

Marie et Pierre Curie vont envoyer la charge connue du quartz à l'électromètre, et la comparer avec celle produite par l'échantillon radioactif, qu'ils veulent mesurer. Cette ruse leur permet d’obtenir des mesures précises bien que les courants en jeu soient très faibles (10^-13 Ampères) !

Un œil sur la règle, une main tenant le chronomètre
Revenons aux photos de Marie Curie effectuant une mesure de radioactivité...

Au début de la mesure, les charges électriques produites par l’échantillon radioactif commencent à faire déplacer le spot lumineux sur la règle.

Elle soulève alors délicatement le poids en dessous du quartz piézo-électrique, qui émet alors des charges électriques. Ces charges vont compenser pendant un temps celles de signe opposé produites par l’échantillon radioactif.

Le chronomètre permet à Marie Curie de mesurer le temps pendant lequel les charges émises par le quartz piézo-électrique compensent celles produites par l’échantillon radioactif. Plus le temps est court, plus la quantité de charge est importante et donc l’échantillon radioactif.

« [Marie Curie] est assise à l’appareil, faisant les mesures dans la demi-obscurité d’une pièce non chauffée, pour éviter les variations de température. La série d’opérations – ouvrir l’appareil, déclencher le chronomètre, soulever le poids, etc. – est effectuée par Mme Curie avec une discipline et une harmonie de mouvements admirables. Aucun pianiste n’accomplirait avec plus de virtuosité ce qu’accomplissent les mains de Mme Curie. C’est une technique parfaite, qui tend à réduire à zéro le coefficient de l’erreur personnelle. Après les calculs, que Mme Curie fait avec empressement, pour comparer les résultats, l’on voit sa joie sincère, non dissimulée, parce que les écarts sont bien inférieurs à la limite admise, ce qui assure la précision des mesures. »

Catherine Chamié, collaboratrice de Marie Curie

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