Qui a découvert les rayons gamma ? La chronologie datée

L’essentiel

• Paul Villard a découvert le rayonnement gamma à Paris en avril 1900. Ses notes des 9 et 30 avril décrivent un faisceau issu du radium qu’un aimant ne pouvait pas dévier et qui traversait 0,2 mm de plomb.
• Villard n’a pas donné de nom nouveau à ces rayons. L’article de Rutherford de février 1903 est la plus ancienne occurrence de la lettre gamma que nous ayons trouvée, et il la définit comme non déviable par un champ magnétique et très pénétrante.
• La question de savoir si les rayons gamma étaient des particules ou des ondes est restée ouverte pendant 14 ans. L’essai magnétique de Paschen en 1904 a fixé une borne inférieure élevée pour la masse d’une éventuelle particule, et ce sont les cristaux qui ont tranché.
• En mai 1914, Rutherford et Andrade ont fait diffracter sur du sel gemme les rayons gamma mous du radium B. Leurs raies donnent des longueurs d’onde de 0,079 à 0,137 nm, soit des énergies de photon d’environ 9 à 16 keV.
• Le dossier comporte des zones d’ombre. Becquerel a douté du résultat de Villard en avril 1900, et le premier emploi du mot gamma pourrait être antérieur à 1903.

Qui a découvert les rayons gamma ? Paul Villard, à Paris en avril 1900, en étudiant le radium. Ernest Rutherford les a nommés en 1903. En mai 1914, Rutherford et E. N. da C. Andrade ont montré que les rayons gamma sont des ondes, comme les rayons X, en les diffractant sur un cristal.

Cet article suit le format de notre série datée, inaugurée par ce qu’a inventé Nikola Tesla. Chaque date ci-dessous renvoie à un volume de revue, à une numérisation d’archive ou à un document d’agence. Lorsque le dossier est muet ou contesté, nous le disons. Pour une lecture plus légère sur ces mêmes rayons, voir nos 12 faits sur les rayons gamma.

Chronologie des rayons gamma : qui a montré quoi, et quand

Les dates sont celles des séances de l’Académie des sciences de Paris ou celles des numéros des revues. La date d’un article est celle de sa lecture ou de son impression, qui peut suivre l’expérience. La découverte de Becquerel en 1896 ouvre le récit que nous faisons dans notre article sur le chemin vers la fission nucléaire.

Ce que chacun a réellement montré

Une découverte est rarement un acte unique. Ce tableau distingue ce que chacun a mesuré de ce que la mesure laissait ouvert.

Les deux notes de Villard, lues dans le texte

Villard travaillait au laboratoire de chimie de l’École normale supérieure. Il étudiait comment les rayons déviables du radium se réfléchissent et se réfractent, comme les rayons cathodiques. Sa première note, lue le 9 avril 1900, décrivait un résultat étrange. Un faisceau rectiligne traversait une plaque d’aluminium inclinée sans se réfracter.

Un aimant en a donné l’explication. Les rayons se séparaient en deux groupes distincts, l’un courbé et l’autre rectiligne. Le faisceau rectiligne noircissait une plaque placée à 25 cm, derrière plusieurs feuilles de papier noir et une feuille d’aluminium. Il traversait aussi une plaque de plomb de 0,2 mm d’épaisseur.

La seconde note, lue le 30 avril, comparait directement les deux groupes. Environ 1 cm de verre arrêtait les rayons courbés et affaiblissait à peine les rayons rectilignes. Une lame de plomb de 0,3 mm d’épaisseur effaçait la trace du faisceau courbé et ne faisait qu’atténuer l’autre. Les rayons chargés perdent de l’énergie de façon continue le long de leur trajet, un processus traité dans notre article sur la distribution de Landau et la perte d’énergie. Villard a appelé le faisceau rectiligne les rayons X du radium, par analogie avec ce qui se passe dans un tube de Crookes.

Les Curie avaient déjà décrit une composante qu’aucun aimant ne courbe. Becquerel la décrivait comme non déviable et peu pénétrante. Villard affirmait que ses rayons étaient moins absorbables que celle-ci, et sa seconde note en donne la preuve sur plaque.

Becquerel n’a pas accepté le résultat d’emblée. Le 30 avril, il a déclaré à l’Académie que l’expérience de réfraction de Villard n’était pas concluante. Il a ajouté que, si les observations de Villard étaient exactes, la cause du désaccord pouvait tenir au produit de radium employé par Villard. Autre possibilité : des rayons faibles et très pénétrants, comme ceux de l’uranium, qui n’apparaissent qu’après une longue pose. Le livre de Rutherford de 1905 attribue plus tard à Villard le mérite d’avoir le premier attiré l’attention sur ces rayons et indique que Becquerel a confirmé le résultat.

Qui les a nommés gamma, et quand

Rutherford avait nommé les deux premiers rayonnements en janvier 1899. En étudiant l’uranium, il écrit que le rayonnement est complexe. Une partie est très facilement absorbée et « sera appelée par commodité » rayonnement alpha. La partie la plus pénétrante est le rayonnement bêta.

La lettre gamma apparaît dans son article de février 1903 sur les rayons alpha du radium. Le premier paragraphe énumère trois types de rayonnement, et le troisième se lit : « Les rayons γ, qui sont non déviables par un champ magnétique et de nature très pénétrante. » Le catalogue AIP History date lui aussi la dénomination de 1903. Dans l’édition de 1905 de Radio-activity, il écrit que les trois types « ont été appelés par l’auteur, par brièveté et commodité » alpha, bêta et gamma.

Nous avons parcouru les numérisations textuelles des volumes 1901 et 1902 du Philosophical Magazine sans y trouver d’emploi antérieur. Son livre de 1905 cite aussi un article de 1902 de la Physikalische Zeitschrift sur les rayons gamma de l’uranium et du thorium, que nous n’avons pas pu consulter. Ainsi, 1903 est la date la plus ancienne que nos sources permettent d’établir, et un emploi plus précoce ne peut être exclu.

Lumière ou particules ? Quatorze ans de débat

Après 1900, les rayons avaient un test et un nom, mais pas d’identité. Deux résultats ont orienté le débat. Les premières expériences dans les gaz semblaient distinguer les rayons gamma des rayons X, mais Rutherford a noté que les rayons X employés étaient bien plus mous que les rayons gamma. En 1904, Paschen a cherché une déviation dans un champ magnétique très intense et n’en a trouvé aucune. Rutherford rapporte que des particules chargées voisines de la vitesse de la lumière devraient alors avoir une masse apparente d’au moins 45 fois celle d’un atome d’hydrogène.

Ce sont les cristaux qui ont tranché. W. H. et W. L. Bragg et Moseley avaient montré qu’un cristal trie les rayons X selon leur longueur d’onde. Rutherford et Andrade ont appliqué la méthode au radium. Leur source était un tube à paroi mince contenant de l’émanation du radium ; l’article donne environ 100 millicuries comme ordre de grandeur de son activité. Une pose de 24 heures a donné une image nette des rayons gamma réfléchis, là où les rayons X demandent environ 10 minutes. Un aimant puissant écartait les particules bêta qui auraient sinon voilé la plaque.

Les plaques montraient des raies nettes à des angles fixes. Deux raies intenses tombaient presque exactement à 10° et 12° sur le sel gemme. Un second cristal, le spath pesant, a donné les mêmes raies après mise à l’échelle, ce qui, selon les auteurs, place « hors de doute » qu’il s’agit de vraies raies de diffraction. Ils ont ensuite excité du plomb avec les rayons bêta du même dispositif et mesuré ses raies à 10° 2′ et 12° 0′. Elles concordent avec les raies intenses du radium B. Les auteurs en concluent que le radium B a la même charge nucléaire que le plomb, bien que sa masse atomique soit de 214 contre 207.

Un cristal trie les ondes selon leur longueur d’onde. Des raies à angles fixes, qui coïncident avec les raies X du plomb, rangent ces rayons gamma dans la même famille que les rayons X. C’est notre lecture du résultat. L’article donne des longueurs d’onde et des spectres de raies, et n’emploie pas le mot électromagnétique.

De l’angle à la longueur d’onde, puis à l’énergie

La relation de Bragg au premier ordre s’écrit longueur d’onde = 2 × d × sin θ. Rutherford et Andrade ont pris pour la distance réticulaire du sel gemme d = 2,814 × 10⁻⁸ cm, d’après Moseley. L’énergie du photon découle de la relation du NIST selon laquelle 1 eV correspond à 8,065544 × 10⁵ mètres inverses. L’énergie en eV vaut donc 1 divisé par le produit de la longueur d’onde en mètres et de 8,065544 × 10⁵.

Les trois raies molles donnent de 9,08 à 15,6 keV, ce qui relève du domaine des rayons X. La dernière ligne montre pourquoi les rayons plus durs posaient problème. À environ 1°, la raie de diffraction se trouve à un peu plus de 3 mm du centre de la bande directe sur la plaque, selon les auteurs.

Après 1914 : les photons et le ciel

En mai 1923, Arthur Compton a publié une théorie quantique de la diffusion des rayons X, dans laquelle un quantum de rayonnement porte une quantité de mouvement en plus d’une énergie. À l’ère spatiale, les astronomes gamma comptaient les photons un à un. Explorer XI a été lancé le 27 avril 1961 pour détecter les sources de rayons gamma de haute énergie. Kraushaar et Clark écrivaient en 1962 que moins de 100 photons énergétiques avaient donné un premier aperçu, et que l’échantillon qu’ils discutaient en comptait 22.

Les sursauts gamma sont issus d’un tout autre programme. Les satellites Vela ont été lancés à partir d’octobre 1963 pour vérifier le respect du traité d’interdiction des essais nucléaires. Vela 4a et 4b ont enregistré le 2 juillet 1967 un événement que Klebesadel compte comme le premier sursaut observé. Son équipe en a publié 16 en 1973. Ce même programme fait l’objet de notre article sur l’incident Vela et la physique du bhangmètre.

Où le dossier reste incertain

Le premier emploi du nom gamma est la date la moins assurée. Le plus ancien emploi imprimé que nous ayons pu ouvrir date de février 1903, mais le livre de Rutherford renvoie à un article de 1902 que nous n’avons pas pu lire.

Le rôle de Becquerel n’est pas non plus clair. Rutherford cite la note de Becquerel à la page 1154 comme une confirmation de Villard. La note de cette page se lit comme une contestation, et nous n’avons pas vérifié les articles ultérieurs de Becquerel.

Les dates de la découverte varient aussi selon les sources. Physics Today indique que Villard a présenté ses résultats en avril et mai 1900. Le volume des Comptes rendus montre ses deux notes aux séances des 9 et 30 avril. Physics Today ajoute que ces travaux ont d’abord suscité peu d’attention. L’histoire de la découverte publiée par Gerward en 1999 figure dans les sources comme lecture complémentaire.

Enfin, le mot « découvert » demande de la prudence. Villard a observé une composante du rayonnement du radium et l’a comparée aux rayons X. Il n’a pas revendiqué une nouvelle espèce de rayons ni ne lui a donné de nom. C’est Rutherford qui a fourni le nom, et les spectres cristallins de 1914 qui ont fourni la physique.

Sources

• Comptes rendus de l’Académie des sciences, vol. 122 (janvier à juin 1896), Becquerel, p. 501 à 503, numérisation Internet Archive
• Rutherford, Uranium radiation and the electrical conduction produced by it, Philosophical Magazine 47, janvier 1899, p. 109 à 163, numérisation Internet Archive
• Comptes rendus de l’Académie des sciences, vol. 130 (janvier à juin 1900) : Villard p. 1010 à 1012 et 1178 à 1179, Becquerel p. 979 et 1154 à 1157, numérisation Internet Archive
• Rutherford, The magnetic and electric deviation of the easily absorbed rays from radium, Philosophical Magazine (6) 5, février 1903, p. 177, numérisation Internet Archive
• Rutherford, Radio-activity, deuxième édition, Cambridge University Press, 1905, Project Gutenberg
• Catalogue AIP History of Physics, Villard, Identification of gamma radiation
• Rutherford et Andrade, The wave-length of the soft γ rays from radium B, Philosophical Magazine 27, mai 1914, p. 854 à 868, numérisation Internet Archive
• Rutherford et Andrade, The spectrum of the penetrating γ rays from radium B and radium C, Philosophical Magazine 28, août 1914, p. 263 à 273, numérisation Internet Archive
• Compton, A quantum theory of the scattering of X-rays by light elements, Physical Review 21, 483 (1923)
• NASA NSSDCA, S 15 (Explorer 11), 1961-013A
• Scientific American, Kraushaar et Clark, 1962, reproduit dans 50, 100, 150 years ago
• NASA, A brief history of the discovery of cosmic gamma-ray bursts
• NIST CODATA, relation entre électronvolt et mètre inverse
• Physics Today, Paul Villard
• Gerward, Paul Villard and his discovery of gamma rays, Physics in Perspective 1, 367 à 383 (1999), lecture complémentaire