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E. Rutherford : « The most original and wonderful instrument in scientific history »

La radioactivité est un domaine physique méconnu du grand public car l’extrême brièveté des évènements nucléaires, les masses et dimensions des particules infinitésimales et leurs vitesses proches de celle de la lumière font qu’il est impossible avec les sens humains de détecter la radioactivité. Le phénomène reste ainsi associé à un concept « dangereux » faute de ne pas pouvoir percevoir ces rayonnements invisibles.

Pourtant, la radioactivité est un phénomène naturel qui fait partie de notre vie de tout les jours. A l’intérieur de notre corps, le Potassium 40, le Carbone 14, l’Uranium 238 pour ne citer qu’eux, sont présents naturellement dans notre organisme et se désintègrent à raison d’une dizaine de milliers d’atomes par seconde…nous sommes donc radioactifs ! (cela représente une faible dose, de l’ordre de 0,25 mSv/an, soit 10% de la dose totale reçue).

Dehors, nous subissons un bombardement constant de particules qui proviennent du rayonnement naturel. Le sol, l’eau de mer, les murs de votre maison, contiennent tous en infime proportion des radionucléides naturel (Th232, U238…) qui émettent des particules (gamma, alpha du radon, électrons) nous traversant à chaque instant.

. A ce rayonnement « tellurique » il faut ajouter le rayonnement cosmique qui vient « d’en haut » : lorsque un proton ayant traversé la galaxie interagit avec un atome de notre atmosphère, des milliers de milliard de particules sont émises suite au choc. Une fraction de ces particules qui n’ont pas été absorbés par l’atmosphère arrivent (ou plutôt sont recrées) au niveau du sol. A moins de vivre dans un laboratoire souterrain, il est impossible d’échapper à la radioactivité naturelle.

Lorsqu’on pense aux moyens capables de détecter la radioactivité il vient immédiatement à l’esprit les compteurs Geiger, ces instruments qui font « bip-bip » lorsqu’une particule les traverses. Il existe cependant un autre détecteur qui montre de manière spectaculaire ce qu’est réellement la radioactivité : la chambre à brouillard.

La chambre à brouillard du Visiatome. Le système de refroidissement se trouve dans le meuble blanc (80 kg).

Avant l’invention de la chambre à brouillard (1911), les seuls détecteurs de rayonnements ionisant issus de la radioactivité étaient le compteur Geiger et le spinthariscope. On pouvait savoir qu’une particule avait interagit dans le détecteur par le son que faisait le compteur où par le flash lumineux provenant de l’écran fluorescent du spinthariscope.

Avec la chambre à brouillard il devint possible de voir comment se déplaçait dans la matière une particule chargée en observant la forme de la trace laissée par la particule dans les vapeurs d’alcool. Cette expérience à élaborée les bases de la physique nucléaire en mettant en évidence avec des photographies l’interaction des particules dans la matière (exemple ci dessous avec des traces d’électrons et d’une particule alpha émis par une tige à souder contenant du thorium (radioactif). Chaque particule provient de la désintégration d’un atome distinct).

Alpha_particle_and_electrons_from_a_thorium_rod_in_a_cloud_chamber

Les chambres à brouillard ont mis en évidence le phénomène des cascades électromagnétique ce qui a permis la découverte de nouvelles particules comme le Positon, le Muon, le Kaon, Lambda et Xi. A partir des années 60 la chambre à brouillard a disparu des laboratoires en tant qu’outil de recherche au fur et à mesure de l’élaboration de nouveaux moyens de détection : plaques à émulsions, détecteurs à scintillation et à semi-conducteur, chambres à bulles, à étincelle, à fils, ou à dérive, la plupart de ces détecteurs étant assisté par ordinateur et donc capable de traiter un plus large volume de données.

De nos jours, la chambre à brouillard n’est utilisée qu’a des fins pédagogiques dans les musées scientifiques qui peuvent en acquérir une (30.000€). Les chambres à brouillard sont des expériences techniquement complexes et coûteuses c’est pour cette raison qu’elles n’ont jamais été diffusées largement dans les systèmes éducatifs. En effet, pour mettre en évidence des trajectoires de particules, il faut disposer d’une plaque métallique refroidi à au moins -30°C.

Depuis les années 2000, la baisse du coût des procédés de fabrication des modules Peltiers et l’amélioration progressive de leur rendement électrique permet aujourd’hui de construire des chambres à brouillard de petites dimensions, facilement transportable et à coût modéré. La vidéo ci dessous montre quelques expériences de radioactivité que l’on peut réaliser dans une telle chambre à brouillard. On peut aussi recourir à la carboglace pour fabriquer une chambre éphémére, mais de faible coût.

Les chambres à brouillard peuvent trouver leurs places dans les TP de physique de Terminale S ou dans toute autre instance enseignant la physique nucléaire. Elles permettent de visualiser de ses propres yeux une très grande partie des phénomènes nucléaires décrits dans les livres ou sur les écrans d’ordinateur en transformant par une simple observation les concepts théoriques « abstraits » en une réalité tangible.

Bonne visite sur le site !

Julien SIMON, Cloudylabs

 

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 (mais cela n’est pas la vidéo la plus intéressante, préférez celle ci dessus !)