IV. — ÉLÉMENTS NON CLASSÉS

^ . . / Période inconnue, mais

Potassmm \ ^ , , . , ,,

„ , . ,. ; très supérieure a celle

Rubidium / , xi. •

\ du thorium.

Sur ces trente-deux corps, quatre seulement, ]e thorium, l'uranium, le potassium et le rubidium, étaient connus avant les recherches sys-

tématiques sur la radioactivité. Les deux derniers, mille fois moins actifs que Turanium, sont aux limites de ce qu'on peut apprécier avec la sensibilité actuelle des appareils. En réalité, il n'est pas de corps dans la nature qui ne manifeste une très légère radioactivité; mais il est impossible de dire si cette propriété est spécifique ou si elle tient à des traces d'impuretés.

Toutes les substances dont nous venons de donner la liste sont considérées, jusqu'à nouvel ordre, comme des éléments, ou corps simples ; mais leur nature est différente de celle dos corps dont les atomes immuables ont servi de base à la chimie classique. Dans le trouble des premiers temps qui ont suivi la découverte du radium, bien des hypothèses ont été mises en avant pour en expliquer les propriétés ; une seule a survécu, celle de la désintégratioii atomique^ énon^ cée à peu près simultanément par le physicien anglais Rutherford et par M. et M"''' Curie ; elle a le mérite de rendre compte des faits connus sans jeter à bas l'édifice, si péniblement élevé, de la physique et de la chimie. Cette théorie suppose que l'atome radioactif est un système complexe et en équilibre instable. Sous faction de forces encore inconnues, mais qui sont très probablement intérieures au

corps lui-même, l'atome se brise, fait explosion en quelque sorte, laissant comme résidu de sa transformation, soit un nouveau corps radioactif qui évolue à son tour et se désintègre suivant les lois qui lui sont propres, soit un élément inactif, c'est-à-dire un atome stable, auquel cas la transformation s'arrête.

Cette révolution atomique est accompagnée d'une émission de chaleur, parfois même de lumière, et d'une projection des radiations a, ^ et Y, qui sont les agents actifs de la radioactivité. Les rayons a sont des atomes d'un corps simple, l'hélium, porteur de charges électriques positives; les rayons p consistent en une projection d'électrons, ou atomes d'électricité négative ; enfin les rayons y sont analogues aux rayons X; ils consistent probablement, comme eux, en des ébranlements non périodiques, ou pulsations, communiqués à l'éther. Ces diverses formes de rayonnement n'apparaissent pas simultanément dans tous les cas ; leur intensité et la vitesse des masses électrisées a ou (3 diffèrent grandement avec le corps qui se désintègre ; ces divers facteurs caractérisent donc l'élément radioactif; mais ce qui le caractérise avec plus de précision encore, c'est la « période » de désintégration.

Considérons, par exemple, un milligramme de radium pur; c'est une masse à peine perceptible qui renferme un milliard et demi de milliards d'atomes. Or, toutes les secondes, quinze millions de ces atomes font explosion en donnant une autre substance radioactive, qui est « Témanation » du radium. La vitesse de cette transformation est immuable ; du moins, nous ne connaissons aucun moyen de Taccélérer ni de la ralentir ; qu'on engage le radium dans telle combinaison chimique qu'on voudra, qu'on le refroidisse ou qu'on l'échauffé, la désintégration continuera à s'effectuer suivant la même loi; une fraction, toujours la même, sera, à chaque instant, décomposée. La masse du radium ira donc en diminuant peu à peu, si bien qu'après deux mille ans environ^, elle sera réduite de moitié. Ce temps est la « période » de désintégration du radium. Chaque élément radioactif est ainsi caractérisé par sa période, c'est-à-dire par le temps pendant lequel sa masse diminue de moitié. Rien n'est plus variable que

1. Ce nombre n'est donné qu'à titre d'indication, car il comporte une grande incertitude ; on peut seulement affirmer qu'il n'est ni dix fois trop grand, ni dix fois trop petit. La même observation s'applique au thorium, à l'uranium et à l'iODium, qui évoluent trop lentement pour qu'on ait pu évaluer autre chose que l'ordre de grandeur de leur période.

cette durée ; elle se compte en millions de siècles pour les corps relativement stables, en secondes pour certains corps qui ne font qu'apparaître pour se transformer.

Revenons à notre milligramme de radium.

L'émanation n'est pas le seul produit de sa désintégration ; la dislocation atomique s'accompagne d'une émission de rayons a, p et y. Les premiers, animés d'une faible vitesse, sont arrêtés par le moindre obstacle, comme l'air ambiant pris sous une épaisseur voisine du millimètre. Au contraire, les électrons qui forment le rayonnement 3 sont projetés avec une violence inouïe ; leur vitesse atteint et dépasse 250.000 kilomètres par seconde ; ils sont capables de traverser des obstacles très résistants, par exemple des lames de métal ayant plusieurs centimètres d'épaisseur; aussi lorsqu'on enferme un sel de radium dans un tube de verre scellé, les charges négatives s'échappent avec les électrons tandis que les rayons a, emprisonnés par le verre, laissent l'intérieur du tube électrisé positivement ; cette électrisation est parfois assez intense pour donner naissance à une étincelle qui produit la rupture du tube.

Enfin, la désintégration du radium s'accompagne d'une émission continue de lumière et de

chaleur ; cette émission, découverte en 1903 par MM. Curie etLaborde, a pour effet de maintenir le sel de radium à plusieurs degrés audessus des corps environnants. Des expériences précises ont montré que chaque gramme de radium dégage deux calories par minute, c'està-dire assez de chaleur pour élever de deux degrés, dans ce même temps, un poids d'eau égal au sien. Il est probable que cette chaleur provient, pour la plus grande part, de l'arrêt brusque des rayons a qui parcourent un faible trajet à partir de leur point d'émission et dont la force vive, brusquement annulée, est convertie en une quantité équivalente de chaleur.

En tout cas, en se tenant exclusivement aux faits, on peut traduire par une relation analogue aux équations chimiques la transformation subie par Tatome du radium. On a :

Radium =: Matière : Émanation -}- hélium (rayons a)

-f Énergie : rayons p -\- rayons y -|- chaleur -f- -\- lumière.

Des à présent, cette équation peut s'écrire sous forme quantitative, c'est-à-dire qu'on connaît les masses de matière et les quantités des diverses énergies qui y figurent ; et il n'est pas douteux que, d'ici à quelques années, on soit en

état (l'écrire, pour les diverses désintégrations, des équations aussi précises.

Prenons maintenant une solution de bromure de radium dans l'eau ; elle dégage constamment de petites bulles gazeuses qu'on peut recueillir dans une éprouvette : pour un gramme de sel, on obtient ainsi environ dix centimètres cubes de gaz par jour; soumis à l'analyse, ce produit apparaît comme constitué par de l'hydrogène et de l'oxygène. L'eau est donc décomposée par le radium. En faisant passer ces gaz dans un tube entouré d'air liquide, Ramsay et Soddy constatèrent en outre qu'il se condensait une goutte microscopique d'un liquide qui, ramené à la température ordinaire, se vaporisait et se transformait en un gaz spontanément lumineux dans l'obscurité, qui est « l'émanation ». L'émanation obéit à la loi de Mariotte, comme les gaz ordinaires, car en doublant son volume, on réduit de moitié sa force élastique ; on peut déterminer sa densité, qui est quintuple de celle de l'air ; son spectre d'émission, obtenu en Tilluminant par la décharge électrique, se caractérise par des raies tout à fait distinctes de celles

du radium et des autres corps connus; on est donc fondé à voir dans Témanation une espèce chimique distincte. Traitée par les agents chimiques les plus énergiques, elle est toujours restée inaltérée, ce qui rapproche ce corps des gaz inertes de Fatmosphëre, comme Targon, le néon et Fhélium.

Mais Témanation a la vie courte; une heure après qu'elle a été isolée du radium, elle subit une contraction brusque qui réduit son volume de moitié ; puis on voit apparaître et se développer le spectre de l'hélium ; au bout d'un mois, la transformation en hélium inactif est presque intégrale et le système paraît avoir acquis son état définitif. Il s'en faut, pourtant, que lès choses se passent d'une manière aussi simple ; on a pu s'en rendre compte en étudiant les phénomènes de radioactivité induite.

Quand on place un corps quelconque, verre, bois, celluloïd, plomb, platine, dans un vase clos qui contient un sel de radium, il arrive que ce corps devient temporairement radioactif; cette propriété appartient aux vases qui ont contenu le radium, aux appareils qui ont servi à le manipuler, aux vêtements et à la personne même des opérateurs, à l'air du laboratoire ; c'est pour cette raison que la salle oii se

font les mesures délicates d'activité doit être soigneusement isolée du laboratoire où on manipule le radium ; malgré toutes les précautions, une contamination progressive est inévitable : ainsi, écrit M™*" Curie, « dans l'École de Physique et de Chimie de la Ville de Paris, où notre travail de découverte des substances radioactives a été effectué et où j'ai fait un travail de concentration du radium jusqu'à Tétat de sel pur, il existe une salle qui servait de réfectoire pour les élevés et qui ne communique en aucune façon avec les pièces où nous travaillions et en est même éloignée. Nous n'allions jamais dans cette pièce et aucun des objets dont nous nous servions n'y a été introduit. Cependant, quand une installation électrométrique a été faite dans cette salle, plusieurs années après que nous avions quitté l'École, on a trouvé que la conductibilité de l'air y avait une valeur vingt fois plus élevée que la valeur normale ». Cette propriété, si curieuse et si gênante, ne se manifeste qu'avec les corps, actinium, thorium et radium, qui donnent naissance à une émanation, c'est-à-dire à un gaz radioactif. Rutherford a montré qu'elle avait pour cause le dépôt d'une substance radioactive, abandonnée par l'émanation, sur les corps en contact avec elle. Ces dépôts forment

des pellicules d'une minceur extrême ; il serait vain de chercher à les isoler, mais ils sont solubles dans les acides et la radioactivité induite disparaît lorsqu'on racle la surface activée.

Nous arrivons donc à conclure que Témanation du radium ne se transforme pas directement en hélium, mais qu'elle donne des produits intermédiaires. Le premier de ces produits, le radium A, dont la période est de trois minutes, abandonne de Thélium et se transforme presque instantanément en radium B. Ce corps, un peu moins éphémère, puisque sa période est voisine d'une demi-heure, émet exclusivement des rayons ^ et se mue en radium C, qui évolue à son tour en émettant des rayons a, |^ et y.

Là ne s'arrêtent pas les transformations : lorsqu'un corps a été exposé plusieurs mois à Fémanation du radium, il conserve, après disparition successive des modifications A, B et G, une activité résiduelle qui, loin de s'évanouir, va en augmentant. Il s'est en effet produit, sans doute aux dépens du radium C, un corps faiblement actif, c'est-à-dire à transformation lente ; c'est le radium D qui se détruit à son tour en donnant des corps d'activité plus grande, c'està-dire de vie plus courte, le radium E, puis le

radium F. Ce dernier élément, dont la période est de cent quarante jours, s'est trouvé identique au polonium découvert dans les premiers travaux de M""^ Curie. Le polonium se transforme à son tour, par une abondante émission de rayons a, en hélium pur, laissant peut-être un résidu inaetif qui serait du plomb. Ainsi se termine la série de ces évolutions ; on comprend maintenant pourquoi le polonium a pu être isolé en même temps que le radium, puisqu'il en procède, et aussi pourquoi ce corps, rapidement transformé en matière inactive, s'est évanoui en quelques mois sous les yeux de ceux qui l'avaient découvert, tandis que le radium garde ses propriétés pendant un temps auprès duquel la vie humaine est peu de chose.

On voit aussi comment, en se guidant sur la seule étude de la radioactivité, on a pu caractériser une série de corps dont les quantités sont si minimes qu'ils n'auraient jamais pu être décelés par la balance, ni par aucun procédé d'analyse chimique; mais il ne faut pas perdre de vue que nous avons pris comme til conducteur une hypothèse, d'ailleurs la seule qu'on puisse faire logiquement dans l'état présent de la science. Il n'y a aucun doute sur l'existence individuelle du radium et de l'émanation et sur

leur transformation finale en hélium ; mais il est sage de faire des réserves sur la réalité des termes intermédiaires.

Nous savons comment le radium meurt. Le problème de ses origines est aussi palpitant. Une masse quelconque de radium met deux mille ans à se réduire de moitié ; au bout de quatre mille ans, il n'en restera plus qu'un quart, qu'un huitième après six mille ans, et ainsi de suite, si bien qu'un nombre limité de siècles en amène la disparition presque intégrale. Comme, d'autre part, cette dégradation paraît suivre une loi inéluctable, elle a dû se produire depuis les origines des temps géologiques ; on se demande alors comment il a pu subsister même de faibles traces de radium dans Técorce terrestre. De toutes les hypothèses qu'on puisse faire à ce sujet, la plus raisonnable consiste à supposer que le radium n'est pas un produit primitif, ni le premier anneau de la chaîne qui se termine à l'hélium, mais qu'il procède lui-même d'une lignée d'ancêtres dont la période évolutive est infiniment plus lente que la sienne et qui le forment à mesure qu'il se détruit. Évidemment, reculer un problème n'est pas le résoudre ; mais il n'est pas sans intérêt de faire

disparaître le conflit qui s'élevait entre la faible persistance du radium et la grande durée des âges géologiques.

Jusqu'ici, les transformations radioactives sont toujoui's apparues comme une fragmentation de l'atome ; si cette règle est générale, le radium ne peut procéder que d'un corps dont l'atome soit plus lourd que le sien ; deux corps seulement, l'uranium et le thorium, possèdent cette propriété ; or il se trouve que les minerais qui contiennent du radium contiennent presque toujours le premier de ces métaux et très fréquemment le second. Le seul minerai de radium actuellement connu, qui soit dépourvu d'uranium, est une pyromorphite, ou chlorophosphate de plomb, trouvée à Issy-l'Évèque, en France ; mais des gisements de phosphate d'uranium existent dans le voisinage et il est naturel de supposer que le radium s'est trouvé transporté, par les eaux pluviales ou de toute autre façon, à une certaine distance de son centre de production ; cette unique exception paraît donc confirmer la règle.

D'autre part, en analysant avec soin les minerais radifères, on a constaté que le rapport du radium à l'uranium y varie dans des limites assez étroites : de 2,34 à 3,76 dix-millionièmes ;

ceci fortifie les présomptions d'une filiation entre l'uranium et le radium. Les divers minéraux radioactifs n'ont pas tous le même âge ; certains existaient depuis des milliers de siècles avant que les autres se fussent déposés dans leurs gisements; il est naturel que les plus anciens aient subi une transformation plus profonde et contiennent une plus forte proportion de radium ; c'est en effet la règle que l'analyse vérifie.

Mais toutes ces considérations théoriques ne vaudraient pas une expérience directe, une transformation, dûment constatée au laboratoire, de l'uranium en radium. Or, cette expérience est en train,, par les soins de MM. Soddy et Mackenzie : une solution d'azotate d'uranium, rigoureusement dépouillée de radium, est en observation depuis quatre ans, laps bien court puisqu'il s'agit d'une transformation pour laquelle la nature dépense les siècles sans compter. Pourtant, ces quatre années ont permis de mettre en évidence la formation d'une petite quantité de radium, qui s'élèverait à cinq centmillionièmes de milligramme pour un kilogramme d'uranium, et la loi de cette production semble indiquer que l'uranium engendre le radium, non pas directement, mais par l'intermé-

diaire d'un ou de plusieurs produits de transition. Le plus stable de ces éléments intermédiaires est aujourd'hui connu, grâce à MM. Rutherford et Boltwood ; c'est Vionhim ; isolé des minerais d'uranium, il présente des propriétés chimiques très voisines de celles du thorium, ce qui nous amène à soupçonner entre les diverses familles radioactives des parentés que les recherches ultérieures éelairciront sans doute. Mais la propriété caractéristique de Tionium, c'est sa transformation continue en radium ; elle se fait avec lenteur (la période de l'ionium est voisine de trente mille ans), mais avec certitude. En même temps, il y a émission d'hélium sous forme de particules a.

Nous sommes donc en état de calculer le déchet d'hélium qu'une masse déterminée d'uranium engendre, soit directement, soit par l'intermédiaire de ses descendants radioactifs qui se désintègrent à leur tour. On trouve ainsi qu'un gramme d'uranium dégage un millimètre cube d'hélium tous les dix mille ans. Or il arrive, — et c'est une propriété singulière qui tient sans doute à la manière dont l'hélium est projeté sous forme de particules a, — que cet hélium ne se dégage pas, mais qu'il reste emprisonné dans la masse même du minerai ; chacun

de ces atomes s'est enchâssé, comme une balle, au cœur de la roche, d'où il ne se dégage qu'à température élevée. Cette particularité fournit une base scientifique pour l'évaluation de 1 âge de certains minerais. Prenons, par exemple, 14 gr. 3 de fergusonite de Norwège, minerai des roches primitives, qui contient du niobium, du tantale, du thorium, de l'uranium, etc. Ce poids de minerai renferme un gramme d'uranium et dégage, lorsqu'on le chauffe, vingt-cinq centimètres cubes d'hélium ; à raison d'un millimètre cube produit par cent siècles, ce corps doit être en place depuis deux millions et demi de siècles : tel serait le recul formidable où des raisonnements vraisemblables placent l'origine des terrains primitifs de notre planète.

Nous connaissons maintenant la généalogie du radium depuis l'uranium, le grand ancêtre, jusqu'à la descendance abâtardie de l'hélium et peut-être du plomb. Des études parallèles ont été conduites sur les familles de Tactinium et du thorium. La radioactivité a été découverte dans d'autres éléments et il semble que cette propriété, plus ou moins atténuée, soit la règle universelle de la matière. La science paraît donc s'orienter vers cette conclusion, qu'il n'y a pas d'atomes immuables, mais que tous se trans-

forment, avec des vitesses variables, les uns dans les autres. On connaît, à ce propos, les célèbres expériences de Ramsay, qui semblaient indiquer une formation d'éléments divers, argon, néon, cuivre, lithium, carbone, aux dépens du radium ou du thorium ; ces expériences ont été reprises, par les soins de M'''^ Curie, avec les précautions les plus minutieuses, et les résultats de Ramsay n'ont pas été confirmés; ceci prouve avec quelle attention Texpérimentateur doit avancer, s'il ne veut pas se laisser entraîner par des idées préconçues.

Tout ce que nous savons jusqu'à présent nous indique que la nature ne procède que par désintégration, par rupture d'atomes, si bien que les atomes lourds se transformeraient peu à peu en une poussière plus ténue; en même temps, l'énergie atomique irait sans cesse en diminuant ; nous retrouvons ici, sous une forme nouvelle, le principe universel de la dégradation de l'énergie, qui paraît entraîner le monde vers son repos définitif; mais il y aurait imprudence à accepter, sur la foi de quinze années d'expérience, des conclusions qui portent sur la série illimitée des siècles. La nature a peut-être, quelque part, son atelier secret de « réintégrations atomiques )> 011, par le jeu de forces que nous sommes hors

d'état de réaliser, elle reconstruit d'une main ce qu'elle détruit de l'autre.

Revenons au présent, à ce qui est accessible et mesurable, en cherchant à apprécier le rôle que les corps radioactifs jouent dans l'univers. A en juger parles premières apparences, par la pauvreté de ces rares minerais de radium qu'il faut aller chercher si loin et payer si cher, cette action doit être minime. Mais une étude approfondie impose une conclusion inverse. Si les minerais radioactifs exploitables sont rares, en revanche il n'est pas de propriété plus générale, plus diffusée que la radioactivité ; c'est ce qui résulte des innombrables analyses qui ont porté sur tous les matériaux de notre planète. Les roches ignées et éruptives, qui forment les assises profondes de l'écorce, renferment en moyenne d ,7 millièmes de milligramme de radium par tonne ; la terre entière, à ce taux, contiendrait dans sa masse HO millions de tonnes de radium. Les roches sédimentaires sont un peu moins riches; les calcaires, surtout, sont presque inactifs ; en revanche, l'activité s'est concentrée dans certains terrains, comme les

argiles, comme le fango, limon calcaire et ferru" gineux, déposé par les eaux chaudes de Battaglia, dans l'Italie du Nord. En général, Tactivité du sol est due au radium et à son émanation ; d'autres fois, elle provient du thorium, que presque toutes les roches contiennent en quantité appréciable, ou à Factinium, qui rend radioactive la terre de l'île de Gapri. Cette activité du sol se retrouve dans les eaux minérales, surtout dans celles qui traversent des roches éruptives anciennes, comme sont les sources de Gastein, de Baden-Baden, de Plombières ; l'existence d'hélium dans les gaz dégagés par ces eaux prouve indirectement qu'elles ont rencontré des terrains radioactifs dans leur trajet souterrain.

Du sol, la radioactivité se répand dans l'atmosphère. Celle-ci possède une activité permanente, particulièrement sensible dans les caves, les puits et les grottes ; on a pu s'en rendre compte, soit en exposant dans ces espaces des lames métalliques qui y acquièrent une activité induite, soit en faisant passer plusieurs mètres cubes d'air dans un serpentin refroidi par Fair liquide, où il se condense une certaine activité résiduelle. Au voisinage immédiat du sol, cette activité est due à la fois aux émanations du

thorium et du radium, mais k quelques mètres d'altitude, Témanation du thorium, dont la période est très courte^ a déjà disparu et les effets observés sont dus presque exclusivement au radium; en revanche^ l'émanation de ce dernier corps paraît diffusée dans la totalité de notre atmosphère ; on la rencontre, à doses très minimes bien entendu, soit dans Fair capté à diverses altitudes, soit dans l'eau de pluie ou dans la neige ; elle existe même dans la mer.

Une dissémination aussi grande des agents radioactifs n'est pas sans agir sur l'équilibre de notre univers ; elle doit jouer un rôle important dans la distribution de l'électricité atmosphérique et M. Cari Barus a montré qu'elle favorisait la condensation de la vapeur d'eau et la formation des nuages; mais on peut aussi en tirer une conséquence très importante relativement à la chaleur interne du globe.

On sait que la température de la croûte terrestre, à mesure qu'on pénètre dans son intérieur, augmente d'un degré en moyenne tous les trente-cinq mètres. Cette variation a pour conséquence une émission continue de chaleur qui passe, par conductibilité, du centre vers la périphérie ; la terre perd ainsi, par chaque mètre carré de sa surface, une quantité de chaleur

voisine d'une calorie par minute. Jusqu'ici, on expliquait ce fait simplement par l'existence, au centre du globe, d'un noyau surchauffé, peutêtre fondu^ restant de la sphère liquide que la Terre a dû être aux premiers temps de son histoire. MM. Rutherford et Soddy se sont demandé si cet apport constant de chaleur ne pouvait pas s'expliquer aussi bien par l'existence des éléments radioactifs contenus dans le sol : on a déjà observé, principalement dans le tunnel du Simplon, que la température est anormalement élevée dans les terrains riches en radium. Or, le calcul montre qu'une teneur en radium de trois cent-miUièmes de miHigTamme par tonne serait suffisante pour produire Teffet thermique observé ; nous avons vu que la proportion effective de radium dans la croûte terrestre est environ vingt fois plus grande et l'action du thorium doit encore s'ajouter à celle du radium. Donc, si la teneur en éléments radioactifs est la même en profondeur qu* en surface, nous n'échappons pas à cette conclusion que, non seulement la Terre ne doit pas se refroidir, mais qu'elle est en train de se réchauffer progressivement, puisque la chaleur perdue par la surface est notablement inférieure à celle qui est engendrée dans la masse par les désintégrations atomiques.

Cette conséquence est en opposition si flagrante avec les données les mieux assises de la géologie et avec les plus logiques de nos hypothèses cosmogoniques, qu'il vaut mieux supposer que les éléments radioactifs n'existent que dans la croûte superficielle, ou encore que les hautes pressions du noyau central favorisent les associations atomiques qui compensent les désintégrations de la surface ; le plus sage serait d'avouer que nous ne savons rien de ce qui se passe à Tintérieur du globe.

Notre planète est-elle, dans Tunivers, le seul astre qui possède des matériaux radioactifs? La chose est, a priori, peu probable, étant donnée la communauté de composition des mondes révélée par l'analyse spectrale ; d'ailleurs, n'estce pas dans le spectre solaire qu'on a découvert l'hélium qui apparaît comme le résidu de toutes les désintégrations ? On s'est donc demandé si l'entretien de la radiation solaire ne se fait pas aux dépens des corps radioactifs. D'après l'énergie que nous recevons du soleil, on peut calculer que chaque mètre cube de cet astre émet par minute 7,2 calories : il suffirait, pour expliquer ce débit calorifique, d'admettre que ce même volume contient 3 gr. 6 de radium. Une proportion aussi élevée ne paraît guère vraisemblable ;

mais même dix fois moindre, elle constituerait encore un facteur important du rayonnement solaire.

Tous ces résultats, qu'on n'aurait pas osé soupçonner il y a vingt ans, nous montrent quel rôle important la radioactivité joue dans Funivers. Loin d'être une exception, une monstruosité de la nature, le radium n'est que le représentant le plus éminent d'une propriété, peut-être universelle, de la matière. Et s'il y a quelque chose de plus étonnant que toutes ces découvertes, c'est qu'on ait attendu si longtemps pour les faire et qu'on n'ait pas soupçonné plus tôt des propriétés, qui remplissent l'univers et qu'on peut mettre en évidence avec les appareils les plus simples de la physique.

Malgré Jes efforts des géologues et des minéralogistes, nous sommes loin de connaître avec précision la composition chimique de notre planète. Il nV a pas plus de quinze ans que l'analyse de l'atmosphère s'est achevée par la découverte et le dosage des gaz inertes qui s'y superposent à Toxygène et à l'azote ; quant aux océans, qui forment, autour de la croûte solide, une deuxième tunique, dont l'épaisseur moyenne approche de trois kilomètres, des analyses très précises nous ont fait connaître, depuis longtemps, leur composition. Mais il n'en va pas de même pour cette écorce solide et pour tout ce qui s'étend au-dessous jusqu'au centre du globe.

En admettant, contre toute vraisemblance, que nous connaissions quahtativement tous les corps simples qui entrent dans la composition de cette énorme masse, nous sommes en tout

cas, bien mal renseignés sur les proportions relatives de ces éléments. On dit pourtant que tels corps sont rares, tels autres abondants; mais ces jugements sont assis en général sur de médiocres raisons ; l'abondance ou la rareté d'un corps ne peuvent s'apprécier ni d'après son prix, qui dépend des difficultés de sa préparation, ni d'après la quantité produite, qui est en rapport avec ses applications industrielles, ni d'après sa concentration dans certains gîtes. Il faudrait triturer la planète tout entière dans un mortier, en faire un tout homogène et déterminer la composition centésimale du mélange. A défaut de cette méthode utopique, existe-il des procédés pratiques d évaluation assez scientifiques pour inspirer quelque confiance?

En ce qui concerne le noyau central, on peut répondre non sans hésiter. A peine connaissonsnous, grâce à de rares filons échappés à travers les fissures de la croûte, quelques-uns des éléments de l'intérieur ; nous n'avons aucun renseignement sur la composition du noyau central^ ni même sur son homogénéité.

En revanche, les couches superficielles ont été étudiées en détail : des milliers d'échantillons,

1. On sait seulement que sa densité moyenne doit être voisine de 7.

analysés avec soin, s'alignent dans les vitrines des musées ; nous connaissons, à un centième près, la composition des grandes assises géologiques qui viennent affleurer à la surface ou que rencontrent les puits de mines ; malgré la distribution irrégulière de ces dépôts, il n'est pas impossible de les cuber et d'apprécier leur importance relative. Cette tâche a été tentée, et non sans succès, aux États-Unis par MM. Clarke et Hillebrand et par M. Johann Vogt en Norvège, qui ont limité leur étude à la pellicule superficielle de la croûte terrestre, sur une épaisseur voisine de quinze kilomètres ; mais cette pellicule contient tous les terrains sédimentaires (dont la puissance dépasse rarement trois ou quatre kilomètres) et le soubassement primaire, formé de granité ou de roches analogues ; ces deux types de terrain, physiquement très dissemblables, diffèrent peu au point de vue chimique, puisque les sédiments ne sont que les débris remaniés des roches primaires.

Pour obtenir un résultat aussi approché que possible, M. Clarke a choisi quinze cents échantillons de roches soigneusement analysées; il en a constitué par la pensée un mélange homogène, chacune de ces roches étant prise dans la proportion où elle se trouve dans la croûte ter-

136 LA xMATIÈRE ET SES TRANSFORMATIONS

restre, et il a calculé la composition chimique de ce mélange idéal; ce qui doit nous inspirer confiance, c'est que les résultats obtenus avec ces quinze cents échantillons diffèrent très peu de ceux qu'on avait calculés antérieurement en opérant seulement sur 880, et même que sept ou huit groupes, portant sur soixante types minéralogiques seulement, ont encore donné des résultats presque identiques. Ceci montre que la proportion d'un élément dans la composition générale de la terre ne dépend guère que de ce qu'en renferment les grandes assises géologiques ; les échantillons rares, même à teneur élevée, influent peu. Ainsi la proportion de vanadium dans le monde ne dépend presque pas des gisements très riches qu'on exploite en Espagne et ailleurs; elle est réglée par la quantité qui existe, diffusée à très petite dose, dans beaucoup de roches communes, argiles, grès, minerais de fer.

Examinons maintenant le tableau dressé par Clarke, où les éléments sont classés d'après leur pourcentage décroissant :

Oxygène ^ . . . 47,10 p. 100.

Silicium 27,90 —

Aluminium 8,10 —

Fer 4,70 —

Calcium 3,50 p. 100.

Sodium 2,70 —

Magnésium 2,60 —

Potassium 2,40 —

Titane 0,30 —

Hydrogène 0,20 —

Chlore 0,17 —

Carbone 0,10 —

Phosphore 0,10 —

Manganèse 0,07 —

Soufre 0,06 —

Baryum 0,03 —

Fluor 0,03 —

Azote 0,02 —

Chrome 0,01 —

Zirconium 0,01 —

Nickel 0,005 —

Strontium 0,005 —

Lithium 0,005 —

Viennent ensuite Fétain, le cobalt, l'argon, le brome, Fiode, le rubidium et, en proportion encore moindre, les autres éléments.

Un premier résultat ressort de ces chiffres : c'est que Toxygëne forme à lui seul la moitié de Técorce superficielle, car il faut tenir compte de ce qu'il entre pour les huit neuvièmes dans l'eau et pour un cinquième dans l'atmosphère ; il est donc l'élément prédominant à la surface. Le silicium vient après, pour une large part, et les 99 centièmes de la croûte terrestre sont formés

par les huit premiers éléments. La surface de la terre est donc un silicate d'alumine, de fer, de chaux, de magnésie et d'alcalis, c'est-à-dire une espèce de verre ou de laitier.

Mais la suite de la liste nous apporte d'étranges révélations. Nous y apprenons que le titane, un métal presque inconnu, est plus abondant que l'hydrogène, le chlore, le carbone ; que le manganèse passe avant le soufre et l'azote ; que le zirconium dépasse le nickel, l'étain et le plomb. Ces résultats renversent, comme on le voit, les notions courantes sur la fréquence relative des éléments. C'est que l'homme a agi sur les éléments minéraux comme sur les êtres vivants : il a sélectionné, il a domestiqué ceux qui pouvaient servir à ses usages ; il a cherché les gîtes qui les contenaient en abondance ; il a découvert des traitements métallurgiques appropriés et il les a introduits dans l'intimité de sa vie ; le fer devait passer pour rare aux âges où Thomme fabriquait des instruments en airain et des bijoux en or.

Aujourd'hui, la conquête du monde minéral continue et s'accélère ; des corps, hier inconnus, sont produits par grandes quantités dès qu'on leur trouve des applications et qu'on découvre des moyens économiques de les obtenir; c'est

ce qui s'est produit pour l'aluminium, le calcium et le magnésium. Nous avons vu les sels d'uranium et de radium pourchassés, malgré leur extrême rareté, sur toute la surface de la terre, dès le jour où leurs applications leur ont attribué une valeur marchande. Des métaux, comme l'osmium, le tantale, le tungstène, ont passé brusquement du laboratoire à l'usine ; le tantale était, il y a un demi-siècle, un corps si rare que Marignac ne put en avoir à sa disposition qu'une centaine de grammes pour effectuer ses recherches ; il coûte aujourd'hui moitié moins que l'argent. Le tunsgtène, dont on montrait jadis des échantillons, scellés dans un tube de verre, sous forme de globules gros comme une tête d'épingle, est préparé actuellement, à raison de quatre mille tonnes par an, au prix moyen de neuf francs le kilogramme. Les nouvelles lampes électriques à filament de tantale ou de tungstène ont révélé au public le nom de ces métaux ; mais si on réfléchit qu'il suffit d'un kilogramme de métal pour fabriquer 45 000 lampes, on voit que cette brillante application consomme une faible part des métaux réellement produits. En réalité, c'est l'industrie sidérurgique qui règle la production de ces corps : les aciers au carbone ne suffisent plus aux exigences crois-

santés de Findustrie ; on cherche et on réah'se des aciers plus durs, ou plus élastiques, ou plus magnétiques, en y incorporant à petite dose des éléments de choix, tungstène, vanadium, tantale. C'est pour des applications de cet ordre qu'on recherche des minerais considérés jadis comme des raretés minéralogiques et que le four électrique produit, sous forme de ferro-silicium, ferro-tungstène, ferro-vanadium, des alliages riches qu'on associe ensuite à l'acier ^

On pourrait multiplier les exemples de ce brusque appel à la gloire de corps considérés longtemps comme rares. Un des plus topiques est fourni par le groupe des oxydes qui portent encore le nom de terres rares, bien qu'ils n'aient aucune raison de le conserver.

A la fin du xviii^ siècle, il existait dans les collections minéralogiques, quelques échantillons découverts en Suède, en Norvège et dans rOural, et dont la nature chimique était parfaitement inconnue. Le Suédois Gadolin isola dans l'un d'eux (qui a reçu le nom de gadolinite) une terre, c'est-à-dire un oxyde assez analogue à la

1. Les aciéries d'Ugines, en Savoie, se sont acquis une juste célébrité dans la fabrication de ces ferro-alliages .

chaux, à laquelle il donna le nom d'yttria; quelques années plus tard, Klaproth et Berzélius en retirèrent un autre oxyde, lacérite ; au milieu du XIX® siècle, les travaux de Mosander montrèrent que ces minéraux formaient une mine presque inépuisable de corps simples. Mais ils paraissaient en même temps créés pour le désespoir des chimistes. Avec une composition très peu variable d'un échantillon à Fautre, ils sont en réalité un mélange d'un grand nombre d'éléments ; parmi ceux-ci, figurent Turanium, le thorium et, par voie de conséquence, tous les autres corps radioactifs ; mais on y trouve également une série de métaux, dont une quinzaine sont actuellement isolés et qui se ressemblent étrangement, sans pourtant être identiques. Leurs réactions chimiques sont si voisines qu'il faut renoncer, pour les isoler, aux procédés brutaux de la chimie minérale et opérer, comme pour les complexes organiques, par de longues méthodes de fractionnement basées sur des différences de solubilité ou sur des nuances d'affinité chimique. Encore ne réussirait-on pas sans l'analyse spectrale; c'est en observant au spectroscope la lueur d'une étincelle produite à la surface du Hquide que le chimiste juge, d'après le renforcement progressif de certaines

raies et la diminution de certaines autres, qu'il marche toujours dans la bonne voie.

On conçoit tout ce qu'un tel travail, poursuivi sur des matériaux extrêmement rares, peut exiger de patience et d'habileté ; pourtant, d'excellents chimistes y ont voué, d'autres y consacrent encore leur vie, sans autre espoir que de servir la science; il n'y a pas de plus bel exemple de désintéressement scientifique ; c'est donc justice qu'un de ces patients chercheurs, Auer, ait trouvé, chemin faisant, la plus splendide fortune industrielle.

Ainsi, un siècle d'efforts a fait sortir des modestes échantillons d'autrefois une importante collection de corps simples; leurs noms sont empruntés à toutes les mythologies et quelquesuns sont si peu connus que peu de chimistes pourraient en donner la liste sans se tromper. Ce sont : le cériiim, le lanthane, le samarium, le praséodyme , le néodyme, Vyttrium, le gadolinùmiy Vytterbiwn^ Verbitim, le dysprosium, le terbhim, Veurophim, le littécinm et le thulium. Encore cette nomenclature n'est-elle pas définitive ; certains éléments, tenus actuellement pour simples, seront peut-être dédoublés; en revanche, des corps considérés comme distincts pourront être identifiés, car la sensibilité de l'analyse

spectrale est telle qu'il suffit souvent d'un centmillième d'impuretés pour modifier le spectre et faire croire à Texistence d'un élément nouveau.

Les métaux, dont les oxydes constituent les terres rares, forment à eux seuls le cinquième des corps simples actuellement connus, et la profonde analogie de leurs caractères chimiques se complète par une propriété singulière que Sir William Crookes a découverte et dont il a montré la généralité : tous ces corps, ou plutôt leurs sels, soumis dans le vide au choc des rayons cathodiques, deviennent lumineux; cette phosphorescence, analysée au spectroscope, se résout en un certain nombre de bandes dont les positions sont caractéristiques de chaque élément. Mais il y a plus : lorsqu'on associe deux de ces éléments en mélangeant leurs sels, il arrive que l'un des deux agit comme excitateur par rapport à l'autre et communique à sa phosphorescence une activité tout à fait disproportionnée à sa teneur dans le mélange.

On n'obtient rien de pareil avec les autres corps. Nous sommes donc en présence d'une des familles les plus homogènes et les mieux caractérisées qui soient dans la classification chimique ; d'ailleurs les poids atomiques, comme les propriétés chimiques, varient par degrés

insensibles d'un élément du groupe au suivant. Ainsi, alors que toute la chimie repose sur l'existence d'éléments distincts et d'une individualité très marquée, la famille des terres rares impose à notre esprit l'idée d'une gradation continue dont les échelons sont très rapprochés. Dans la nature vivante, la discontinuité des espèces s'évanouit si on considère les transformations progressives de l'embryon et si l'on envisage toutes les espèces disparues qui forment la transition entre les types actuels. Il semble que la nature ait voulu nous montrer, dans Je règne minéral, un phénomène analogue : telle est l'idée que Crookes a traduite dans sa célèbre théorie des méta-éléments, où il voit dans les divers métaux des terres rares les résultats de la transformation progressive d'une même matière primordiale, née, pour ainsi dire, avant terme et arrêtée brusquement à des stades différents de son évolution. 11 est impossible, à ce propos, de n'être pas frappé par l'association constante des terres rares avec les corps radioactifs, c'est-à-dire avec les agents de transformation les plus puissants que l'on connaisse. 11 est probable que cette association n'est pas une pure coïncidence et que les méta-éléments nous apparaîtront un jour, soit

comme des cadavres d'atomes jadis radioactifs, soit comme des produits des forces radioactives qui furent appliquées, dans la série des siècles, à la matière primordiale.

Ainsi ce coin de la chimie, qui semblait réservé aux observations minutieuses et aux détails delà technique, a de quoi intéresser ceux qui demandent à la science des idées générales et des sujets de réflexion. Mais il se trouva aussi que les terres rares ont eu leur épopée, dont le chimiste autrichien Auer von Welsbach fut le paladin.

Auer travaillait à Vienne dans le laboratoire de Lieben et il avait déjà accompli, vers 1880, plusieurs travaux de haute valeur scientifique, entre autres la séparation du didyme, jusque-là réputé comme simple, en néodyme et praséodyme. Au cours de ses recherches, il eut fréquemment à chauffer dans la flamme du bec Bunsen de petites perles formées au bout d'un fil de platine par les terres qu'il étudiait, et il fut frappé par leur éclat et par la nature singulière de la lumière émise : Terbine ou oxyde d'erbium donnait une lumière verte que le spectroscope dissociait en bandes séparées, alors que la généralité des corps donne, dans les mêmes conditions, une coloration jaune ou

blanche qui présente sans discontinuité toutes les couleurs du spectre.

Pour étudier plus commodément ces apparences, Auer inventa, ou plutôt réinventa (car ridée n'était pas nouvelle), le manchon de coton trempé dans une solution de sel considéré et placé dans la flamme non éclairante d'un brûleur Bunsen. Il put ainsi vérifier que divers oxvdes, entre autres ceux de zirconium et de lanthane, donnaient dans ces conditions une lumière assez vive; mais le manchon se détruisait spontanément, au bout de peu de jours, sans doute par Faction de l'humidité et de l'acide carbonique contenus dans l'atmosphère.

C'est alors qu'il eut Fidée d'essayer des mélanges de divers oxydes ; les résultats obtenus furent meilleurs, à tel point qu'il commença à breveter, en 1885, un certain nombre de ces mélanges et installa, à Atzgendorff près de Vienne, une modeste fabrique de manchons. Mais l'heure du succès définitif n'avait pas encore sonné : « Tandis que les uns, raconte Auer lui-même, voyaient avec bienveillance cette invention, d'autres affectaient beaucoup de scepticisme. Je connais un célèbre industriel du gaz qui était prêt à parier avec n'importe qui, qu'en aucune ville on n'installerait mille becs

en une année ; tel autre, sollicité de s'intéresser à cette industrie, refusa, répondant que sa maison ne s'occupait que d'affaires sérieuses. »

Pourtant, Auer ne se décourageait pas. Son attention se porta sur l'oxyde de thorium, dont la présence paraissait augmenter le pouvoir émissif des autres terres; il chercha, en vain, à décomposer ce corps en plusieurs constituants ; à mesure que le sel de thorium devenait plus pur, il perdait son pouvoir éclairant. La matière éclairante se trouvait dans les résidus. Auer put constater que cette matière était le cérium; mais l'oxyde de cérium, employé seul, ne donnait pas non plus une bien vive lumière ; mélangé au contraire avec l'oxyde de thorium, il donnait de meilleurs résultats ; quand on prenait 1 p. 100 de cérium et 99 p. 100 de thorium, la lumière était alors éblouissante ^

1. Le tableau suivant montre à quel point le pouvoir éclairant dépend des proportions relatives des deux oxydes :

Oxyde

Oxyde

Litres de gaz

Pouvoir é<

de thorium.

de cérium.

consommé par heure.

en boug

loi

Le manchon x^uer, qui devait révolutionner rindustrie du gaz, était trouvé : on était en 1891.

Une difficulté restait, et non la moindre : il fallait se procurer les précieux oxydes en quantité suffisante pour une exploitation industrielle. Le seul minerai alors exploité était Torangite du fjord de Langesund, près d'Arendal; il coûtait mille francs le kilogramme, et il était à peu près impossible de s'en procurer plus de quinze kilogrammes à la fois.

On se souvint alors que certains sables d'alluvions, traités jadis aux Etats-Unis, dans les Carolines et Tldaho, pour Textraction de l'or, renfermaient des grains jaunes et lourds d'une substance appelée monazite et dans laquelle on avait signalé la présence du thorium. L'exploitation en fut aussitôt entreprise ; les placers abandonnés reprirent une activité si fructueuse que la recherche des terrains monazités fut entreprise de tous côtés ; on découvrit des gisements très riches et très étendus dans plusieurs provinces du Brésil, en Australie, en Tasmanie; les monazités existent même en France, près du Puy, dans le lit du petit ruisseau qui passe à Saint-Christophe. Enfin, un autre minerai, la thoriaîiite, qui renferme jusqu'à 80 p. 100 d'oxyde de thorium, était découvert à Ceylan.

Ainsi tous ces corps n'étaient rares que parce que nous ignorions leur existence : notre sol en renferme des quantités suffisantes pour une exploitation prolongée.

Aux États-Unis, les sables monazités se rencontrent dans le lit de petites rivières sorties des Montagnes Bleues ; ils y forment des couches qui n'ont guère d'autre largeur que celle du cours d'eau, sur une épaisseur de oO à 60 centimètres ; la monazite, à cause de sa forte densité, s'accumule surtout dans le voisinage des sources. C'est là qu'on va la séparer des sables inactifs plus légers, par la méthode primitive qui servait jadis à en extraire les paillettes d'or. Un ouvrier verse le sable sur une rigole inclinée, ou sliiice, parcourue par un courant d'eau, tandis qu'un aide agite constamment le mélange de sable et d'eau ; la monazite s'écoule, avec un peu d'or, par des trous percés dans le sluice ; le produit, recueilli et séché, passe ensuite entre des électro-aimants qui complètent le triage, en séparant les grains de monazite légèrement magnétiques du sable inerte et du fer titane et du grenat, dont le magnétisme est plus accentué.

C'est dans cet état que les monazités de l'Amérique du Nord sont livrées à l'industrie

chimique; la plupart d'entre elles sont traitées aux États-Unis par la Welsbach Light C\ qui en extrait les divers constituants par une série d'opérations d'autant plus longues que le manchon Auer exige des produits d'une grande pureté. Quant aux monazites brésiliennes, plus riches en thorium que les précédentes, elles sont en général, après un lavage sommaire, embarquées comme lest à bord des navires qui les transportent à Hambourg; elles sont traitées par les usines allemandes.

On conçoit que la mise en œuvre de semblables moyens industriels, opérant sur une production annuelle de monazite voisine de cinq mille tonnes, ait singulièrement modifié le prix des terres rares ; en 1895, le kilogramme de thorium valait encore 2.250 francs; trois ans plus tard, le prix n'était plus que de 450 francs ; il s'abaissait à 50 francs en 1903 et il a encore diminué depuis, non pas il est vrai par les progrès de la fabrication, mais par suite de la disparition d'un cartell des producteurs allemands.

Peu de temps après la grande découverte d'Auer, les terres rares qu'il venait d'appeler à la vie ont failli recevoir une nouvelle application. Tout le monde a connu la lampe Nernst et

admiré la lumière éblouissante qu'émet son bâtonnet d'oxyde échauffé par le courant électrique. Ce bâtonnet, fait primitivement en magnésie, fut ensuite fabriqué avec divers mélanges de terres rares ^ Mais, hélas! la lampe Nernst se meurt, étouffée par la double concurrence du manchon Auer et des nouvelles lampes électriques à filament de tungstène, et c'est une chose assez triste que de voir une si belle invention, qui a coûté tant d'intelligence, d'activité laborieuse et de capitaux, disparaître ainsi en pleine jeunesse, sans avoir connu la plénitude du succès.

En tout cas, la science a grandement profité de la découverte d'Auer ; les terres rares, leurs métaux et leurs principaux sels sont aujourd'hui des produits courants que plusieurs fabriques livrent à l'état pur ; leur étude, autrefois si difficile, peut se continuer dans de meilleures conditions ; l'industrie a largement payé sa dette à la science.

1 . Voici quelques-unes des compositions qui ont été employées :