Vers le milieu de l’année 1898, Marie Curie travaille sur les suites à donner à sa thèse de doctorat. Son mari Pierre abandonne ses propres recherches et se joint à son épouse pour étudier la radioactivité. À partir d’une pechblende deux fois et demie plus active que l’uranium, ils obtiennent une substance ayant une activité 400 fois plus grande. Le 18 juillet, ils annoncent la découverte du nouveau métal qu’ils appellent “polonium”, en l’honneur des origines polonaises de Marie.
Cinq mois après, le 21 décembre 1898, Marie et Pierre Curie réussissent à extraire un élément radioactif dans de la pechblende de Bohême : c’est le radium. Ils soulignent que la radioactivité dégagée par le radium est nettement supérieure à celle du polonium. Avec l’aide de Gustave Bémont, ils mesurent la masse et le numéro atomique de cet élément. Ils démontrent aussi que cet élément extrêmement rare occupe une case manquante du tableau de Mendeleïev. Et ce 26 décembre 1898, la nouvelle est annoncée devant l’Académie des Sciences. Cette démonstration de l’existence des atomes de polonium et de radium (atomes instables), remet en cause le concept de la matière insécable et éternelle remontant à la Grèce antique. L’existence de la radioactivité naturelle venait ainsi d’être mise en évidence. Les époux Curie recevront le Prix Nobel de physique (avec Henri Becquerel) en 1903 pour leurs études sur les rayonnements émis spontanément par les sels d’uranium et pour la découverte des minéraux actifs. Toutefois, ce n’est qu’en 1910 que Marie Curie parviendra à isoler cette substance à l’état pur.
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