Découvertes et controverses: quelques histoires à propos des éléments chimiques Understand article

Comment se font les découvertes en sciences ? La réalité est souvent bien plus complexe que ce que les légendes populaires de "moments eurêka" peuvent faire croire.

Nous avons tous en mémoire des épisodes où un héroïque chercheur fait soudainement une découverte, à un instant privilégié. C’est la légende d’Archimède, qui se serait écrié « eurêka » après avoir découvert les lois de l’hydrostatique dans sa baignoire. Ces histoires se focalisent sur une personnalité brillante, à un moment et en un endroit particuliers.

La découverte du système périodique par le chimiste russe Mendeleev est souvent décrite de cette manière – avec tous les éléments s’agençant soudain en un ordre évident, selon leur poids atomique et leurs propriétés chimiques. En réalité, le processus de construction du tableau périodique a pris des dizaines d’années et a nécessité quantité de développements scientifiques qui ne se sont tous coordonnés qu’en finale. Dès lors, qu’est-ce qu’une découverte scientifique et avec quel degré de fidélité les belles histoires décrivent-elles les réalités historiques? 

Dans cet article, nous examinerons plus particulièrement comment s’édifie une découverte scientifique, en prenant comme exemple l’histoire de quelques éléments chimiques. Tout en mettant en lumière certains aspects moins connus, ces récits illustreront la complexité inhérente à toute découverte en sciences, qu’elle soit ancienne ou moderne.

Découvertes et nationalité

Il est souvent difficile d’attribuer la découverte d’un élément chimique à une nation particulière. Le problème est illustré par cette version du tableau périodique, montrant pour chaque élément le pays de sa découverte (figure 1).

Des images comme celle-ci suggèrent que la découverte de chaque élément a eu lieu à un moment et en un lieu précis (sous-tendu par une perspective de compétition entre nations). Dans ce tableau, par exemple, le radium (88) et le polonium (84) sont présentés comme des découvertes françaises. Bien qu’il soit exact que les découvertes ont eu lieu en France, la principale scientifique, Marie Sklodowska Curie, était polonaise et la pechblende dont les nouvelles substances ont été extraites venait d’une ville, maintenant située en république tchèque, qui faisait à l’époque partie de l’empire Austro-Hongrois. 

Les changements géopolitiques causent aussi des ambiguïtés, comme dans le cas de l’élément tellure (52). Celui-ci est doté d’un fanion Roumain, parce que Franz-Joseph Müller von Reichenstein, le premier à avoir suspecté la présence d’un métal inconnu dans le minerai dont le tellure a été plus tard extrait, et le minerai lui-même, provenaient tous les deux de ce qui est maintenant la Roumanie. Cependant, la Roumanie faisait alors partie de l’empire Austro-Hongrois. L’attribution de la découverte à von Reichenstein est aussi sujette à controverse, car le tellure a été pour la première fois isolé en 1789 par le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth, qui a également proposé le nom du tellure (Weeks, 1968). Mais, attribuer la découverte à l’Allemagne est tout aussi problématique, car l’Allemagne est une nation qui n’existera que 80 années plus tard.

L’oxygène: une découverte – ou trois?

Un élément pour lequel il est communément admis que l’attribution de la découverte est controversée est l’oxygène. Le chimiste britannique Joseph Priestley a caractérisé plusieurs types d’‘airs’, ou gaz, entre 1772 et 1780. En chauffant la matière appelée chaux rouge de mercure (HgO), il a obtenu un type d’air agréable à respirer et qui entretenait la combustion bien mieux que l’air ordinaire – ou que n’importe quel autre type d’‘air’. Il a appelé ce gaz ‘air déphlogistiqué’, car on croyait que du phlogistique s’échappait des substances quand elles brûlaient. Puisque cette nouvelle variété d’air était apte à entretenir la combustion bien mieux que n’importe quel autre air, elle était évidemment complètement dépourvue de phlogistique.

Antoine-Laurent Lavoisier, le Français qui a réformé la chimie à la fin du XVIIIe siècle, expérimentait également les ‘airs’. Quand Priestley le rencontra en 1774, il lui parla de ses recherches, avant de les avoir publiées. Lavoisier refit l’expérience avec la chaux de mercure et arriva à la même conclusion : un nouveau gaz avait été produit. Toutefois, il refusa d’accepter la théorie du phlogistique, baptisant le gaz « oxygène » (qui signifie ‘qui génère les acides’ en grec). Lavoisier voyait l’oxygène comme un élément – c’est à dire un des constituants de base de la matière – et proposa sa théorie de la combustion basée sur l’oxygène, qui est toujours d’usage aujourd’hui.

Quelques années avant que Priestley et Lavoisier ne réalisent leurs expériences, le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele avait mis en évidence le même type d’air et l’avait appelé ‘air du feu’ car il entretenait très bien la combustion. Cependant, il négligea de publier ses découvertes avant 1777.

Dès lors, qui devrait être valablement crédité de la découverte de l’oxygène ? Scheele, qui le premier réalisa les expériences pour obtenir le nouveau gaz ; Priestley, qui publia le premier son travail à propos du nouvel air ; ou Lavoisier, qui plaça ce gaz dans le contexte de la nouvelle chimie et qui finalement l’identifia comme un élément ? À la figure 1, trois fanions apparaissent sur la case de l’oxygène (8), ce qui indique que la controverse n’a pas été résolue.

Cette dispute entourant la découverte de l’oxygène a été mise en scène dans une pièce de théâtre (Djerassi and Hoffmann, 2001), dans laquelle les trois protagonistes (accompagnés de leur conjoint), débattent la question de savoir qui devrait être crédité de la découverte, au cours d’une réunion imaginaire du comité Nobel. 

Radon: éléments and isotopes

La découverte de la radioactivité à l’aube du XXe siècle a rapidement fait surgir une abondance de nouvelles substances radioactives. Cependant, il a fallu du temps pour étudier ces substances nouvellement découvertes – et pour comprendre ce qu’était réellement la radioactivité. Mendeleev avait construit son système périodique sur le principe que les éléments étaient des entités stables, mais en 1902 des physiciens suggérèrent que la radioactivité transformait un élément en un autre – une sorte d’alchimie moderne. L’histoire du radon illustre bien les problèmes apparus lors de l’interprétation des faits expérimentaux. 

En 1899, Ernest Rutherford, travaillant à l’université McGill à Montréal, a observé que le thorium dégage une émanation qui rend l’air avoisinant radioactif. L’année suivante, le physicien allemand Friedrich Ernst Dorn montrait que le radium donne aussi une émanation. (Les Curie avaient fait la même observation antérieurement). Dorn rechercha des raies spectrales encore inconnues dans l’émanation, essayant de trouver ce qu’il suspectait être un nouvel élément. Rutherford commença dès lors à examiner systématiquement la nature de l’émanation du radium (Malley, 2011). En collaboration avec une assistante diplômée, Harriet Brooks, il décrivit l’émanation du radium comme étant un gaz de poids moléculaire élevé, qui ne pouvait pas être de la vapeur de radium, avec comme conclusion implicite que c’était un gaz radioactif inconnu. La preuve que c’était en effet un nouveau gaz noble apparut en 1910, lorsque William Ramsay et Robert Whytlaw-Gray produisirent un spectre similaire à celui des gaz inertes (Marshall and Marshall, 2003).

​Aujourd’hui, nous savons que l’émanation du thorium est l’isotope Rn-220 du radon et que l’émanation du radium est l’isotope Rn-222. Dans les décades qui ont suivi, d’autres isotopes du radon ont été identifiés, générant une large variété de noms, tels que acton, actinéon, actinon, exradio, exradium, exthorio, exthorium, exactinio, niton, radéon, radon, thoréon et thoron. Le nom ‘radon’ n’a été adopté que bien plus tard, en 1931, et le terme ‘émanation’ pouvait encore être trouvé dans des publications scientifiques jusqu’au début des années 1960.

Finalement, qui a découvert le radon et quelle étape dans le long et complexe processus d’identification faut-il acter comme étant celle de la découverte ?

Les historiens et les chimistes ont beaucoup débattu à ce sujet et ont successivement proposé Curie, Dorn, Rutherford ainsi que Ramsay et Whytlaw-Gray, comme découvreurs du radon. Harriet Brooks, la chercheuse diplômée reconnue par Rutherford pour avoir établi que l’émanation était un gaz radioactif, n’est cependant presque jamais mentionnée pour son résultat crucial  (Rayner-Canham and Rayner-Canham, 2004).

Astate and synthèse artificielle

Dans de nombreux cas, les progrès dans l’identification de nouveaux éléments ont dépendu des développements techniques. En 1932, la Française Yvette Cauchois avait développé un type de spectromètre qui rendait possible l’étude des spectres d’éléments qui produisent des raies de faible intensité. Cauchois et sa collègue Horia Hulubei découvrirent dans le spectre des descendants du radon des raies inconnues qu’elles attribuèrent à un élément de numéro atomique 85, qui à cette époque n’avait encore jamais été détecté.

Quelques années plus tard, à Vienne, une équipe entièrement féminine, constituée par Berta Karlik et Traude Bernert, détecta deux isotopes naturels de l’élément 85. Elles publièrent leurs découvertes en 1942 et 1943 (Lykknes and Van Tiggelen, 2019). Ce que le duo franco-roumain et l’équipe autrichienne ne savaient pas, c’est que l’élément 85 avait déjà été synthétisé en 1940 à Berkeley, en Californie. Les scientifiques à l’origine de cette recherche (Dale Corson, Kenneth MacKenzie and Emilio Segré) avaient utilisé un cyclotron pour synthétiser l’élément, en bombardant le bismuth-209 avec des particules alpha.

En 1947, dans un article de Nature consacré aux éléments manquants, l’éminent chimiste Friedrich Paneth a suggéré que les découvertes d’éléments nouveaux devraient, en règle générale, être attribuées à la première équipe qui aurait réussi à synthétiser et à identifier un ou plusieurs isotopes du nouvel élément. Selon Paneth, dans le cas de l’élément 85, il s’agissait indubitablement de l’équipe américaine, qui fut dès lors chargée de baptiser le nouvel élément; ils choisirent astatine (astate en français), du grec astatos, qui signifie ‘instable’.

Compétition and consensus

Paneth a aussi publié un examen critique décisif de la découverte de sept autres éléments (43, 61, 87, 93, 94, 95 and 96), dans lequel il a énoncé les principes à suivre pour décider qui a le droit de donner un nom à un nouvel élément : cet honneur devrait revenir au premier scientifique capable de fournir une preuve définitive de l’existence d’un ou plusieurs isotopes de l’élément, sans discrimination entre les isotopes naturels ou artificiels. Ces principes seront adoptés par la communauté scientifique en 1947. Produire, étudier et identifier les éléments, et apporter la preuve de leur existence, feront dorénavant partie de la même entreprise.

Cependant, comme aujourd’hui, il n’y avait à l’époque que peu d’endroits où la technologie permettait de créer de nouveaux éléments : le Lawrence Livermore National Laboratory aux USA, le GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research en Allemagne, the Joint Institute for Nuclear Research en URSS (Russie actuelle), et RIKEN au Japon. Mais, bien qu’il y ait un meilleur consensus sur ce qui constitue une découverte, les controverses n’en sont pas moins féroces car, si ces laboratoires se soutiennent l’un l’autre pour la confirmation de leurs découvertes, ils restent en même temps en vive compétition.

La découverte scientifique en question

Les scientifiques de toutes les disciplines savent, par leur pratique journalière, qu’une découverte procède d’un long cheminement. En rapport avec les récentes mises en évidence d’exoplanètes, un des découvreurs a fait ce commentaire « Ce n’est pas comme s’il y avait un unique moment de découverte »^w1. Dans ce cas, comme cela arrive souvent, la ‘découverte’ n’était qu’une péripétie dans le contexte d’une recherche globale, qui a nécessité le concours d’une équipe nombreuse et des décennies d’expériences et de développement. La science n’est pas une entreprise propulsée vers l’avant par quelques génies solitaires – pas plus d’ailleurs qu’elle ne suit un parcours historique rectiligne. Dans l’histoire des sciences, le détail et la complexité font toujours partie de l’aventure.

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