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Varia

Georges Sagnac : de la découverte de la fluorescence X à la relativité

Georges Sagnac : From X-ray fluorescence discovery to relativity
Jean-Christophe Pain
p. 180-188

Résumés

Georges Sagnac a découvert le rayonnement de fluorescence X en 1896. Il a également mis en évidence les premiers photoélectrons, inventé un interféromètre et découvert un effet important en relativité. Son cheminement de chercheur est instructif pour les erreurs qu’il a commises et sa capacité à s’adapter avec succès à un nouveau sujet de recherche.

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Texte intégral

1Dans la première partie, qui constitue l’essentiel de l’article, les grandes étapes de la découverte de la fluorescence X sont décrites, à partir de la découverte des rayons X eux-mêmes. La contribution de Sagnac à cette découverte est particulièrement soulignée, ainsi que celle de Charles Glower Barkla, dont le rôle dans cette aventure scientifique est également très important. Dans la deuxième partie, nous abordons la contribution de Sagnac à la relativité restreinte, à travers l’effet qui porte son nom et l’interféromètre qu’il a mis au point et dont le principe est toujours utilisé. Enfin, nous terminons par ses recherches plus hasardeuses, au cours desquelles il a tenté de montrer que les corps radioactifs n’étaient pas soumis aux lois de la gravitation universelle…

Georges Sagnac, 1869-1928 (D.R.)

Découverte de la fluorescence des rayons X

Découverte des rayons X

2Rappelons brièvement les circonstances de la découverte des rayons X. Professeur de physique à Wurtzbourg (Allemagne), Wilhelm Röntgen commence à s’intéresser au rayonnement cathodique en 1894. Il ne débute pratiquement ses manipulations qu’en octobre 1895 et c’est le soir du 8 novembre 1895 qu’il met en évidence « une nouvelle espèce de rayons » qu’il baptise « rayons X ». Il manipule un tube cathodique de William Crookes, entièrement entouré de papier noir, dans une pièce obscure, lorsqu’il voit fluorescer une feuille de papier traitée au platinocyanure de baryum et posée sur une table voisine. Il interpose différents objets entre le tube et l’écran et constate que la fluorescence persiste. Il interpose ensuite sa main et aperçoit ses os sur l’écran. La radiographie X est née. Röntgen décrit sa découverte dans trois publications [Röntgen1898]. Le rayonnement X qu’il a mis en évidence, aussi appelé rayonnement X primaire, est le rayonnement résultant de l’interaction du faisceau incident cathodique, c’est-à-dire d’électrons accélérés, avec I’anti-cathode. Il précise [Röntgen1898] : « Tous les corps sont en fait en état de produire des rayons X sous l’influence des rayons cathodiques. » Röntgen est l’initiateur des recherches relatives aux rayons X. Outre la radiographie, il découvrira également, seize ans plus tard, la diffraction des rayons X, grâce aux travaux de Max Von Laue [VonLaue1912], puis de William Laurence Bragg et William Henry Bragg [Bragg1913] ; cette dernière est à la base de notre connaissance de la structure de la matière [Broll1996].

Découverte de la fluorescence X

3Lorsque la matière est irradiée avec des rayons X, elle réémet de l’énergie sous la forme, entre autres, de rayons X ; c’est la fluorescence X, ou émission secondaire de rayons X. Le rayonnement X secondaire provient de l’interaction entre un rayonnement X primaire et la matière. Il comprend d’une part des rayons diffusés sans changement de longueur d’onde et, d’autre part, des rayons diffusés avec changement de longueur d’onde. Ces derniers sont caractéristiques de la matière irradiée. Par extension, on qualifie de rayonnement secondaire celui provenant de l’interaction entre un rayonnement électromagnétique X ou γ d’origine diverse et la matière. Rappelons aussi que le phénomène de fluorescence X est précédé de l’expulsion d’électrons. Le 2 mars 1896, Armand Imbert et Henri Bertin-Sans [Imbert1896], à Paris, sont les premiers à mettre en évidence la diffusion du rayonnement par différents corps et sont aussi les premiers à constater pour un même corps, des degrés de transparence différents pour le rayonnement incident et le rayonnement diffus, et par ailleurs des degrés de transparence différents pour le rayonnement diffus selon le diffuseur. Ils posent de plus la question, sans y répondre, de l’homogénéité ou de la complexité des nouveaux rayons. En 1896, F.-P. Le Roux [LeRoux1896] à Paris, décrivant une série d’expériences paradoxales et confuses, arrive néanmoins à des conclusions remarquables en exprimant clairement le principe fondamental de la fluorescence X : « En tout cas la radiation incidente a été transformée par son passage à travers le métal. Les métaux paraissent jouir d’une sorte de fluorescence. » Mais Le Roux n’isole ni ne prouve cette fluorescence ; il pressent néanmoins celle-ci à partir d’expériences difficilement interprétables. La même année à Liège, Victor Dwelshauvers-Dery [Dwelshauvers-Dery1896] constate, en étudiant la réflexion diffuse des métaux, que le papier noir, sans influence sur le rayonnement primaire, absorbe le rayonnement diffus ; il en conclut : « Les rayons soi-disant réfléchis sont d’une autre nature que les rayons X. Leur longueur d’onde doit être plus grande que celle de ces derniers. » On peut donc dire que les trois auteurs précédemment cités ont décelé une certaine transformation des rayons X dans l’étude de la diffusion ; ils sont les précurseurs de la fluorescence X. D’autres chercheurs étudient également durant cette même période le rayonnement diffus, mais en aucun cas ils n’envisagent une quelconque transformation du rayonnement primaire. Le 13 mars 1896, Lord Blythswood [Blythswood1896, Kelvin1896], à Londres, croit avoir prouvé la réflexion des rayons X. Le 2 avril 1896, Michael Idvorsky Pupin [Pupin1896], à New York, généralise la notion de diffusion : « Every substance when subjected to the action of the X-Rays becomes a radiator of these rays. »

Principe de la fluorescence X (raie Image 1000020000000012000000275A7D3F62E7BDA929.png). Un électron de la couche K (nombre quantique principal n =1) est « arraché » à l’atome sous l’effet du rayonnement incident (primaire) d’énergie Image 100002000000001100000027BBC8B6E055BD5D85.png et un électron de la couche L (n =2), plus précisément de la sous-couche 2p, se désexcite vers la couche K. Cette désexcitation s’accompagne de l’émission de rayonnement secondaire d’énergie Image 100002000000001500000027C0E9DBEF6BCDB532.png.

4Le spectre des rayons X émis est caractéristique de la composition de l’échantillon ; en l’analysant ce spectre, on peut en déduire les fractions massiques des constituants. Historiquement, A. Winkelmann et R. Straubel [Winkelmann1896], à Iéna, constatent en 1896 l’existence d’une réflexion diffuse à la surface du laiton, de l’argent, du cuivre, de l’acier et de l’aluminium. Ils notent aussi une série de rayonnements transformés, pour des corps tels la fluorine (fluorure de calcium CaF2), la célestine (sulfate de strontium SrSO4), la barytine (sulfate de baryum BaSO4) ou des verres aux terres rares. Cette émission de rayons transformés se situe dans le visible, ce qui correspond à un tout autre phénomène que celui de la fluorescence X, comparable à celui de la fluorescence UV ou visible, mais avec un rayonnement d’excitation situé dans le domaine des rayons X. Enfin, en 1897, A. Voller et B. Walter [Voller1897], à Hambourg, constatent la diffusion sur les métaux non polis. Ils classent ceux-ci par groupe selon leur pouvoir diffusant : le groupe de l’argent (argent, palladium, cadmium, étain, antimoine), le groupe du cuivre (cuivre, fer, nickel, zinc, sélénium), le groupe du platine (platine, iridium, or, mercure, plomb, bismuth), le groupe de l’aluminium (aluminium, magnésium, soufre) et enfin le carbone. Ces auteurs ne font cependant aucune hypothèse sur la nature de ce rayonnement, à savoir s’il est semblable ou non au rayonnement incident ou s’il est transformé. Ces mêmes auteurs contribuent certes à la mise en évidence de la diffusion, mais ne pressentent pas, contrairement aux précédents, la modification du rayonnement primaire ; toutes ces approches préparent cependant par leur synthèse la véritable découverte de la fluorescence X qui ne va pas tarder et constituera, comme l’écrit Edmond Bouty dans son rapport sur l’article de Winkelmannn et Straubel : « Le fait le plus saillant, consigné dans ce mémoire, consiste dans une transformation des rayons de Röntgen produite par une lame dépolie de spath-fluor. Si l’on fait tomber des rayons de Röntgen sur une plaque sensible, de telle sorte que les rayons traversent d’abord le verre, puis la couche sensible et rencontrent enfin une lame de spath-fluor, l’impression produite dans la région de la plaque recouverte par le spath est cent fois plus rapide que sur les portions non recouvertes. On ne peut attribuer cet effet à des rayons X réfléchis ou diffusés par le spath, car, si on interpose entre la couche sensible et le spath une feuille de papier ou d’étain, que les rayons X traversent sans difficulté, l’action du spath-fluor est anéantie : elle est donc produite par des rayons spéciaux émis par le spath sous l’excitation des rayons X. »

5C’est en France, en décembre 1896, au laboratoire de Bouty, à la Sorbonne, que Sagnac découvre le rayonnement secondaire pressenti par Le Roux. Il est donc le véritable découvreur de la fluorescence X [Quintin1996]. Né à Périgueux le 14 octobre 1869, élève de l’École normale supérieure (promotion 1890, celle d’Aimé Cotton), puis agrégé, il est préparateur au laboratoire de physique de la Sorbonne de 1893 à 1900, tout en poursuivant une thèse d’optique générale [Sagnac1900]. Mais la découverte des rayons X le fascine et il travaillera sur ce sujet jusqu’en 1902 (il est alors maître de conférences à Lille).

6Voici ce qu’en dit Jean Cabannes, membre de l’Académie des sciences et doyen de la Faculté des sciences de Paris, dans son allocution à l’occasion du jubilé scientifique de Maurice de Broglie le 13 juin 1946 : « Sagnac avait découvert qu’une surface matérielle éclairée par un faisceau de rayons X émet à son tour des rayons secondaires plus mous que les premiers. Vos travaux lui ont donné dans la science des rayons X, un rôle de premier plan. » Sa publication dans les Comptes Rendus de l’Académie des sciences du 26 juillet 1897 [Sagnac1897] décrit avec une grande clarté l’émission X secondaire des métaux, hormis l’aluminium pour lequel il y a confusion avec la diffusion du rayonnement primaire. Le principe de la fluorescence X y est clairement explicité dès le paragraphe 1 : « Le pinceau de rayons X défini par deux fentes tombe obliquement sur une lame métallique. À quelques millimètres au-dessus de la région du métal frappée par les rayons est disposée une plaque photographique dont la couche sensible est nue et tournée vers le métal. Ce dispositif permet de reconnaître que l’or, l’argent, le zinc, le cuivre, le plomb, l’étain impressionnent à distance la plaque photographique, quand ils sont frappés par les rayons X. L’aluminium se montre inactif. » Dans sa conclusion, Sagnac évoque la possibilité pour les rayons secondaires, qu’il a mis en évidence, d’être transformés à leur tour, par d’autres substances et de donner ainsi naissance à de nouvelles radiations de longueurs d’onde plus grandes, qui permettront de remplir peu à peu l’intervalle inoccupé qui sépare les rayons X des rayons UV. Même si Sagnac prend la diffusion des rayons X pour de la fluorescence X, dans le cas des diffuseurs légers tel l’aluminium, on peut considérer que cette publication constitue l’acte de naissance de la fluorescence X. Sagnac utilise pour la détection soit un électroscope, soit un écran luminescent au platinocyanure de baryum, soit une plaque photographique. Le travail de Sagnac est décisif et aurait pu constituer un parcours sans faute, s’il n’avait confondu la diffusion par l’aluminium, avec le rayonnement secondaire transformé recherché. On sait aujourd’hui que, en l’absence du vide, les détecteurs et les tubes à rayon X en verre utilisés ne lui permettaient pas de détecter le rayonnement. R. Malagoli et C. Bonacini [Malagoli1899] vont alors établir avec Sagnac une controverse dans la revue L’éclairage électrique en 1899, même s’ils reconnaissent à ce dernier la priorité de la découverte du rayonnement secondaire. Loin de s’opposer à celui de Sagnac, leur travail le complète. Ce dernier reconnaît la possibilité de l’existence d’un mélange de rayons transformés et de rayons diffusés sans transformation. Les protagonistes admettent une relation entre le poids atomique et le degré de transformation, mais Sagnac maintient l’hypothèse d’une transformation graduelle décroissante d’un élément à un autre. En fait, ils ont tous raison, la longueur d’onde décroît bien avec le numéro atomique, comme cela sera montré ultérieurement par le physicien britannique Henry Moseley, et l’efficacité de l’excitation est d’autant plus faible que l’on s’écarte de la discontinuité d’absorption ; les éléments légers n’étant pas accessibles dans les conditions expérimentales utilisées, ces auteurs ne peuvent observer que le phénomène de diffusion sur ces matériaux.

Henry Moseley (1887-1915) dans le laboratoire d’Ernest Rutherford à Manchester (D.R).

7Sur une plaque photographique enveloppée de papier noir, recevant le rayonnement X primaire par sa face de verre libre, Röntgen avait bien observé un renforcement du noircissement, là où le papier noir qui recouvre la couche sensible jouxte une surface métallique de plomb, platine ou zinc. Il en avait conclu à l’existence d’une réflexion comparable à celle de la lumière dans les milieux troubles, mais il n’avait pas analysé les différentes composantes du rayonnement secondaire et était ainsi passé à côté de la découverte du rayonnement de fluorescence X tout comme Philipp Lenard [Lenard1893] était passé à côté de celle du rayonnement X primaire. Röntgen précise, tardivement, la nature d’une des composantes de ce rayonnement secondaire mettant ainsi en évidence et isolant la diffusion du rayonnement primaire par l’air, dans une expérience qui masquait toute détection d’un éventuel rayonnement de fluorescence X, mais il ne parvient pas à déterminer si les rayons X secondaires sont dus à la réflexion diffuse ou à la fluorescence.

8Un autre chercheur qui deviendra illustre, fait connaître, mais un peu tard, ses travaux sur la mise en évidence du rayonnement X secondaire modifié. Paul Langevin soutient sa thèse le 17 décembre 1902 [Langevin1902] ; il y relate son séjour à Cavendish, où il a commencé un travail à partir d’octobre 1897 au Laboratoire de J. J. Thomson (découvreur de l’électron et prix Nobel de physique 1906). Étudiant l’ionisation d’un gaz par le rayonnement X, il confirme un effet secondaire, créé par l’irradiation simultanée d’une plaque de métal. Il explique ainsi le phénomène observé : « L’action du métal frappé se fait donc sentir dans les gaz à distance comme s’il émettait, sous I’influence des rayons primaires qui la frappent, un rayonnement secondaire possédant aussi la propriété d’ioniser les gaz qu’il traverse. » Aucune publication ne s’ensuit, mais dans sa thèse, il reconnaît la priorité incontestable de Sagnac : « J’insisterais seulement ici sur les points par lesquels mes recherches ont différé des siennes et sur les résultats qui peuvent sous certains rapports compléter ceux de l’important travail de Sagnac. » La particularité du travail de Langevin est de s’affranchir de l’absorption de l’air et de tous les autres obstacles. Il établit alors, pour l’importance de cet effet, un ordre décroissant selon les métaux Pb, Zn, Cu, puis Al, bien plus faible, ce qui est en accord avec nos connaissances actuelles.

9Les travaux de Sagnac sont résumés dans sa thèse soutenue le 21 décembre 1900 [Sagnac1900]. Il se consacrera ensuite définitivement à l’optique et à l’astronomie (il mettra notamment au point un interféromètre et une lunette interférentielle pour repérer les avions dans le brouillard). Il est étonnant qu’après une telle moisson de résultats, Sagnac change totalement d’orientation à 32 ans, laissant les investigations dans le domaine à d’autres, comme C. G. Barkla. Le 22 décembre 1919, le prix Pierson-Perrin lui est décerné et le 17 mars 1920, le Grand Prix de physique (prix La Caze). Ces prix le confirment sans aucune ambiguïté comme le premier à avoir mis en évidence les rayons secondaires de fluorescence X et les rayons secondaires corpusculaires électrisés négativement, dénommés à l’époque Rayons f3, des rayons X.

10Il est candidat sans succès à l’Académie des sciences en 1923. Il disparaît prématurément le 26 février 1928 à Meudon-Bellevue. Ce n’est que beaucoup plus tard qu’un autre physicien français prend le relais, avant même la Grande Guerre. Le 17 novembre 1913, M. de Broglie est le premier à enregistrer sur une plaque photographique un spectre en utilisant un tube à anticathode de platine, diffracté par un cristal de sel gemme. Moseley propose peu de temps après la loi qui porte aujourd’hui son nom [Moseley1914], les longueurs d’onde ayant été déterminées en dispersant les rayonnements correspondant avec un cristal immobile. C’est cependant le 25 mai 1914, que M. de Broglie réalise le premier spectre de fluorescence X [deBroglie1913, deBroglie1914] par dispersion de longueurs d’onde. Extrait de sa note dans les Comptes Rendus de l’Académie des sciences on peut lire : « On sait depuis les beaux travaux de Sagnac que les corps illuminés par les rayons de Röntgen émettent une radiation secondaire qui pour les éléments de poids atomique supérieur à 30 se compose surtout des spectres caractéristiques de l’élément employé. Je suis parvenu à utiliser ces radiations secondaires pour obtenir les spectres des rayonnements ainsi émis... » Les travaux de Sagnac et de Broglie ont été décisifs et, à des époques différentes, ont permis d’assurer le développement futur de la fluorescence X.

Les travaux de Charles Glover Barkla

11Barkla naît le 7 juin 1877 à Widnes, dans le comté de Lancashire, en Angleterre. À l’automne 1899, il entre à Trinity College, à Cambridge, où il effectue des recherches sous la direction de Thomson au laboratoire Cavendish. Il y étudie la vitesse des ondes électromagnétiques dans des fils de différentes largeurs et matériaux. Après deux ans, il rejoint le King’s College de Londres, afin de pouvoir chanter dans le chœur de la chapelle. Barkla a une voix de baryton d’une beauté remarquable. Docteur en 1904, il est rapidement promu et devient professeur de physique au King’s College, en 1909. Il y reste jusqu’en 1913, avant de devenir professeur de philosophie naturelle à l’Université d’Édimbourg, poste qu’il occupe jusqu’à sa mort, en 1944. Au cours de sa troisième année à Cambridge, il commence à étudier le rayonnement secondaire de rayons X, sujet qui occupera la majeure partie de sa carrière.

12Barkla caractérise le rayonnement secondaire émis par des échantillons exposés à un faisceau de rayons X en termes à la fois de leur homogénéité et de leur capacité de pénétration (quantifiée par le nombre de feuilles d’aluminium requises pour les absorber). Il publie son premier article sur ce phénomène en 1903 [Barkla1903] et constate également que le degré de cette diffusion est proportionnel à la masse atomique du gaz en question. Il découvre qu’il est possible de classer ces rayonnements X secondaires en deux catégories, qu’il dénomme K et L, en s’appuyant sur l’observation que le rayonnement X de type K s’avère plus pénétrant que le rayonnement X de type L. Il trouve également que le type de rayonnement (K ou L) est corrélé avec l’élément, les éléments du calcium au rhodium produisant seulement du rayonnement K, du tungstène au bismuth, du rayonnement L et de l’argent au cérium, un mélange des deux. En 1913 ces observations sont affinées par Moseley [Moseley1914], après la découverte de la diffraction par W. H. et W. L. Bragg (qui partageront le prix Nobel de physique 1915 pour leurs travaux d’analyse des structures cristallines à l’aide des rayons X), dans son étude bien connue du rapport entre le rayonnement X d’un élément et son numéro atomique. Barkla reçoit le prix Nobel de physique de 1917 « pour sa découverte des radiations caractéristiques de Röntgen des éléments » [Barkla1920].

13Le lien entre la fluorescence X de « Sagnac-Barkla-Moseley » et le modèle de Bohr est généralement attribué à un article de 1914 du physicien allemand Walther Kossel [Kossel1914], qui a soutenu que le rayonnement K était dû à un électron excité « retombant » dans une vacance de la première couche d’un atome, et le rayonnement L à un électron excité tombant dans une vacance de la deuxième couche. En conséquence, les appellations K et L ont été attachées aux première et deuxième couches de l’atome de Bohr, en particulier dans la littérature traitant de spectroscopie. Déjà dans son article de 1911, Barkla avait spéculé sur l’existence éventuelle de raies X secondaires encore plus énergétiques commençant autour de l’or et du platine et correspondant aux éventuelles séries M et N et ces dénominations furent bientôt associées aux troisième et quatrième couches de l’atome de Bohr. Fait intéressant, Bohr lui-même a rarement utilisé ces dénominations de couches spectroscopiques dans ses propres écrits, préférant plutôt utiliser des nombres quantiques numériques. Alors, pourquoi Barkla nomme-t-il sa série de rayons X secondaire K et L ? La réponse apparaît dans une note de bas de page de l’article de 1911 [Barkla1911] : « These radiations were previously denoted by the letters B and A… The letters K and L are, however, preferable, as it is highly probable that series of radiations both more absorbable and more penetrating exist. »

Charles Glover Barkla, 1877-1944 (D.R.).

14En d’autres termes, bien que Barkla attribue des lettres arbitraires à sa série de rayons X, il a commencé au milieu de l’alphabet, plutôt qu’au début, afin de permettre l’extension future de ses résultats dans l’une ou l’autre direction. Il se pourrait que Barkla ait commencé par K et L (et non par M qui correspond au milieu de l’alphabet), parce que ces deux lettres figurent dans son nom de famille. Bien que cette idée soit amusante, il n’existe aucune preuve permettant de l’étayer. Certains prétendent que Bohr a assigné K à la première couche car il s’agit de la 11lettre de l’alphabet, « 11 » étant un raccourci pour « une couche, une sous-couche ». De même, L, en tant que 12lettre de l’alphabet, était un raccourci pour une couche, deux sous-couches, etc. Bien que ce soit certainement un moyen mnémotechnique intelligent pour les étudiants, aucun élément tangible ne permet d’attester que cette dénomination ait été introduite pour cette raison [Jensen2003, Pain2018]. Il s’agit probablement d’une coïncidence numérique qui, comme la thèse selon laquelle K et L ont été choisies parmi les lettres de son nom, est encore un autre exemple de mythe historique. De même, on peut lire parfois que le choix de K et L vient du fait qu’il s’agit des premières lettres des mots allemands, kurz (court) et lange (long) et font ainsi référence aux longueurs d’onde respectives des deux types de rayons X secondaires. On trouve aussi fréquemment écrit que le K ferait référence à « Kern » (noyau), car la première couche correspond, dans le modèle de Bohr, à l’orbite la plus proche du noyau…

15Après 1916, cependant, Barkla consacre ses recherches à la quête d’une série J de rayonnements très pénétrants [Barkla20]. Mais les résultats de ces études ne sont pas confirmés par d’autres chercheurs. Louis de Broglie écrit [deBroglie1924] : « Au sujet de l’existence d’une série J, théoriquement exclue, les résultats annoncés, il y a quelques années, par Barkla et White, puis, plus récemment, par Crowther, semblent s’expliquer grâce à un travail récent de A. H. Compton sur la diffusion inélastique reposant sur la conservation de l’énergie cinétique globale du système étudié. Ce phénomène est observé lorsqu’un photon incident entre en collision avec un électron libre d’un atome. Ce savant a montré, théoriquement et expérimentalement, que ce phénomène s’accompagnait de la dégradation du quantum, c’est-à-dire que les rayons dispersés possédaient une longueur d’onde supérieure d’une quantité constante à celle des rayons incidents. Bien que ce résultat soit contraire à celui annoncé par Plimpton, il n’en est pas moins hors de doute et explique de nombreux faits expérimentaux, autrefois signalés par Florance, lshino et Gray, qui étaient demeurés obscurs. C’est cette variation de longueur d’onde qui aurait, jusqu’ici, été prise pour une fluorescence J des éléments légers. Les recherches spectrométriques effectuées pour en préciser l’existence étaient d’ailleurs demeurées vaines. Quant aux phénomènes d’absorption J, ils demeurent improbables. Une recherche spectrographique effectuée avec des longueurs d’ondes aussi courtes que 0,06 Å et avec de grandes épaisseurs d’huile et d’eau n’a donné à l’un de nous que des résultats négatifs ».

Orbites de Bohr (couches électroniques) et premières raies (α et β) des séries K et L (D.R.).

16Sagnac met aussi en évidence, avec Pierre Curie [Sagnac1902] le premier les photoélectrons produits lors de l’interaction des rayons X avec la matière et M. de Broglie détermine en 1921 leur énergie, réalisant ainsi les premiers spectres de photoélectrons. Lorsqu’un atome est soumis à des rayonnements ionisants, un électron peut être arraché d’une couche interne atomique, laissant une place vacante, qu’un électron d’une couche de plus haute énergie peut venir remplir, causant un dégagement d’énergie. Cette énergie peut soit causer l’émission d’un photon (c’est la fluorescence X dont nous parlons ici), soit être transmise à un électron atomique qui sera éjecté de l’atome : on parle alors d’émission d’électron Auger. Ce phénomène a été étudié par Lise Meitner et Pierre Auger à la même époque [Auger1923, Hardouin2010]. Ce processus de désexcitation ne fait pas intervenir de photon (on parle de processus non radiatif) et est en compétition avec l’émission X, de la même manière que l’émission gamma est en compétition avec la conversion interne au niveau nucléaire. Certes, Sagnac et Curie ignorent tout de l’énergie des photoélectrons, et a fortiori des électrons Auger, mais ce sont eux qui les mettent en évidence pour la première fois.

Sagnac et la relativité restreinte : l’interféromètre

17L’interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences intervenant entre plusieurs ondes, généralement des ondes électromagnétiques, afin d’extraire des informations sur le système étudié. Dans un interféromètre, la lumière provenant d’une source unique est divisée en deux faisceaux qui parcourent différents trajets optiques, puis sont combinés de nouveau pour produire une interférence. Les deux rayons peuvent interférer de manière constructive (renforcement de l’intensité) si leurs ondes lumineuses arrivent en phase, ou de manière destructive (affaiblissement de l’intensité) s’ils arrivent en déphasage, en fonction des distances exactes entre les miroirs situés sur le trajet des rayons. Les franges d’interférence résultantes donnent des informations sur la différence de longueur du chemin optique. Les interféromètres sont largement utilisés dans la science et l’industrie pour mesurer les petits déplacements, les changements d’indice de réfraction et les irrégularités de surface. En science analytique, les interféromètres sont utilisés pour mesurer les longueurs et la forme des composants optiques avec une précision nanométrique ; ils sont les instruments de mesure de longueur les plus précis qui soient. L’interférométrie est une technique d’investigation importante dans de nombreux domaines : astronomie, fibre optique, métrologie optique, océanographie, séismologie, spectroscopie (et ses applications en chimie), mécanique quantique, physique nucléaire et des particules, physique des plasmas, télédétection, interactions biomoléculaires, mesure de contrainte/déformation mécanique, vélocimétrie et optométrie.

18On appelle « effet Sagnac » [Elbaz1896, Malykin00, Sagnac13a] le décalage temporel de la réception de deux signaux lumineux tournant en sens inverse autour de la circonférence d’un disque en rotation (par rapport à un référentiel inertiel) quand ils sont émis par un émetteur-récepteur fixé sur ce disque. En 1893, Sir Oliver J. Lodge propose d’étudier les effets de la rotation de la Terre avec un grand interféromètre. Puis, en 1897, il suggère d’utiliser des interféromètres sur un disque en rotation [Sagnac13b]. L’effet a été prédit par Albert A. Michelson en 1904 dans le cadre de la physique classique et vérifié par Sagnac en 1913 en utilisant un interféromètre en rotation rapide. Il s’agit du premier résultat expérimental rapporté de ce qui sera nommé l’effet Sagnac. En physique classique (au sens « non relativiste »), l’effet Sagnac est interprétable comme une asymétrie de la vitesse des signaux lumineux par rapport à la circonférence du disque en rotation. En physique relativiste, l’effet correspond à l’impossibilité de synchroniser des horloges sur une courbe fermée soumise à la gravitation ou à une accélération (en cas de rotation). En 1925, Michelson et Gale mesurent la rotation de la Terre grâce à un grand interféromètre en utilisant l’effet Sagnac [Michelson25]. Cependant, Sagnac voit dans cet effet une preuve de l’existence de l’éther lumineux… Grave erreur !

Sagnac s’égare entre la radioactivité et la gravitation…

19On peut lire dans l’ouvrage La Physique Moderne de Lucien Poincaré [Poincaré11] : « M. Sagnac a entrepris des expériences curieuses pour étudier les lois de la chute d’un morceau de radium, elles sont fort délicates et ce très adroit et très ingénieux physicien n’a pu encore les achever [En réalité M. Sagnac opérait d’une façon inverse : il prenait deux poids égaux d’un sel de baryum qu’il faisait osciller successivement dans une balance de torsion. Si les durées d’oscillation étaient différentes, on devrait conclure que les masses mécaniques ne sont pas les mêmes pour le radium que pour le baryum.] ; supposons qu’il parvienne à démontrer que l’intensité de la pesanteur est plus petite pour le radium que pour le cuivre, avec lequel on fait d’ordinaire les pendules qui servent à vérifier la loi de Newton, il serait loisible de continuer à penser que les lois de l’attraction universelle sont parfaitement exactes pour les astres, que la pesanteur est bien un cas particulier de l’attraction universelle, mais que cependant, dans le cas des corps radioactifs, une partie de l’énergie gravifique se transforme quand elle évolue et apparaît sous la forme du rayonnement actif.

20Mais cette explication aurait évidemment besoin, pour être admise, d’être appuyée sur de très nombreux faits ; il apparaît sans doute encore plus vraisemblable que l’énergie empruntée par le radium au milieu extérieur est quelqu’une de celles qui sont encore inconnues, parce qu’elles n’agissent pas sur nos sens, mais dont un vague instinct nous fait soupçonner l’existence autour de nous. Il est incontestable, d’ailleurs, que des radiations actives sillonnent de toutes parts l’atmosphère ; celles du radium pourraient être des radiations secondaires renvoyées par une sorte de phénomène de résonance.

21Des expériences de MM. Elser et Guitel ne sont pas cependant favorables à cette manière de voir. Si l’on entoure un corps actif par une enceinte radioactive, on devrait former un écran qui empêcherait ce corps de recevoir l’impression de l’extérieur, et, cependant, on n’aperçoit aucune diminution dans l’activité que présente une certaine quantité de radium lorsqu’on s’enfonce, à une profondeur de 800 m au-dessous du sol, dans une région renfermant une quantité notable de pechblende. Ces résultats négatifs sont, en revanche, autant de succès pour les partisans de l’explication de la radioactivité par l’énergie atomique. »

22Ainsi, cet épisode de la carrière de Sagnac, s’il peut faire sourire aujourd’hui, nous rappelle que même les plus grands savants peuvent se tromper, et qu’intuitions malheureuses et erreurs d’interprétation font partie du cheminement scientifique.

Conclusion

23C’est à la Sorbonne que Georges Sagnac découvre, en décembre 1896, le rayonnement de fluorescence X, dont le premier spectre sera mesuré par dispersion de longueur d’onde par Maurice de Broglie en mai 1914 dans son laboratoire privé parisien. Sagnac a également mis en évidence les premiers photoélectrons, inventé un interféromètre et découvert un effet important en relativité. Son cheminement de chercheur est intéressant, par les avancées scientifiques majeures dont il est un acteur très important, mais aussi pour les fausses pistes qu’il a explorées. Le parcours de Sagnac est également teinté de mystère ; il n’avait pas peur, contrairement à la grande majorité des scientifiques de cette époque qui s’échinaient plutôt à devenir des « mandarins » dans leur domaine, de changer de sujet de recherche fréquemment. Cette volonté de ne pas « s’installer » dans une thématique témoigne de son éclectisme scientifique, mais explique aussi peut-être qu’il ne soit pas aussi célèbre qu’il le devrait…

Effet Sagnac :

Lien entre la gravitation et la radioactivité :

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[Poincaré11] L. Poincaré, « La physique moderne – son évolution », Bibliothèque de philosophie scientifique, Ernest Flammarion, Paris, 1911.

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Table des illustrations

Légende Georges Sagnac, 1869-1928 (D.R.)
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/5164/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 52k
Légende Principe de la fluorescence X (raie ). Un électron de la couche K (nombre quantique principal n =1) est « arraché » à l’atome sous l’effet du rayonnement incident (primaire) d’énergie  et un électron de la couche L (n =2), plus précisément de la sous-couche 2p, se désexcite vers la couche K. Cette désexcitation s’accompagne de l’émission de rayonnement secondaire d’énergie .
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/5164/img-2.jpg
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URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/5164/img-3.png
Fichier image/png, 487 octets
Légende Henry Moseley (1887-1915) dans le laboratoire d’Ernest Rutherford à Manchester (D.R).
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/5164/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 100k
Légende Charles Glover Barkla, 1877-1944 (D.R.).
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/5164/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 8,0k
Légende Orbites de Bohr (couches électroniques) et premières raies (α et β) des séries K et L (D.R.).
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Pour citer cet article

Référence papier

Jean-Christophe Pain, « Georges Sagnac : de la découverte de la fluorescence X à la relativité »Histoire de la recherche contemporaine, Tome IX - n°2 | 2021, 180-188.

Référence électronique

Jean-Christophe Pain, « Georges Sagnac : de la découverte de la fluorescence X à la relativité »Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome IX - n°2 | 2021, mis en ligne le 15 juillet 2021, consulté le 20 octobre 2021. URL : http://journals.openedition.org/hrc/5164 ; DOI : https://doi.org/10.4000/hrc.5164

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Auteur

Jean-Christophe Pain

Ancien élève de l’École normale supérieure de Lyon, agrégé de physique, docteur en physique, chercheur en physique atomique des plasmas au CEA (Laboratoire de physique atomique des plasmas, CEA, DAM, DIF, F-91297 Arpajon). jean-christophe.pain@cea.fr

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Droits d’auteur

© Comité pour l’histoire du CNRS

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