En Cristallographie, pour sonder la matière, on peut utiliser des rayons X, des neutrons et des électrons : ils ont un comportement ondulatoire : les particules sont des ondes et inversement. Elles sont diffractés...
X ? Vous avez dit X ? Quel est cet inconnu ?
Wilhelm Conrad Roentgen tenant dans sa main un tube cathodique qui, en fonctionnement, émet des rayons X.
28 décembre 1895, un tournant dans l'histoire des sciences
Le 28 décembre 1895, en Allemagne, Wilhelm Conrad Röntgen annonce qu'il vient de découvrir des rayons ... invisibles. Rayonnement électromagnétique comme la lumière visible ou particules comme les électrons ? Röntgen penche pour la première hypothèse mais ne parvient pas à la confirmer expérimentalement : l'inefficacité des lentilles pour focaliser ces rayons et des miroirs pour les réfléchir ne lui permet pas de lever le doute. De guerre lasse, il les baptise "Rayons X".
Le mystère qui entoure ces rayons s'accompagne de magie puisqu'ils permettent de voir à l'intérieur des objets, comme les sacs ou les valises... et quand on interpose la main, ce sont les os qui apparaissent !
Partout dans le monde, la médecine s'empare sans tarder de cette découverte qui peut la faire considérablement progresser. En France, trois semaines après la découverte de Röntgen, les docteurs Barthélémy et Oudin réalisent les premières radiographies médicales françaises. Henri Poincaré les présente à l'Académie des Sciences le 20 janvier 1896. Lors de cette séance, il suggère à Henri Becquerel d'explorer les relations entre phosphorescence et émission de rayons X. Un mois plus tard, le 26 février 1896, travaillant sur la fluorescence des sels d'uranium, Becquerel découvre fortuitement la radioactivité… et c'est un autre (très grand) chapitre qui s'ouvre avec Pierre et Marie Curie, Ernest Rutherford et bien d'autres. Cette étonnante accélération de l'histoire scientifique a une explication : Röntgen n'a déposé aucun brevet. Il préférait sans doute permettre aux scientifiques, quelle que soit leur nationalité, de trouver des applications plutôt que d'assurer sa propre sécurité financière…
Une utilisation sans précaution
Les utilisateurs de rayons X manipulent leur appareil sans précaution: ils ignorent, à l'époque, le danger des rayons X. Prenons les pionniers de la radiologie. D'un examen à l'autre, ils cumulent des expositions d'autant plus importantes que leurs patients doivent garder la pose de longues minutes. Beaucoup de radiologues sont victimes de radiodermites, qui conduisent à des amputations et même à la mort.
Après leur découverte, les rayons X ont fait l’objet de nombreuses applications futiles,
toutes interdites aujourd’hui.
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Les rayons X vont être utilisés pendant 16 ans sans qu'on en connaisse la nature ! Dans de nombreux pays, de 1896 à 1912, des milliers de personnes vont utiliser les rayons X en ignorant tout d'eux. Et pas seulement les médecins. Comme aucune réglementation n'existe à cette époque, des photographes, des patrons de grands magasins, des forains, des magiciens s'équipent (aisément) du matériel nécessaire. Il suffit de disposer d'un générateur de haute tension qui envoie le courant dans un tube à vide. Côté réglementation, il faudra attendre 1928 (soit 32 ans) pour que d'éminents radiologues européens réunis à Stockholm décident de créer une "Commission Internationale de Protection contre les Rayons X et le Radium". |
Des rayons qui suscitent des multiples recherches
S'engage après la découverte de Röntgen un travail acharné pour comprendre la nature des rayons X. Certains scientifiques sont persuadés qu'il s'agit d'une onde. Les travaux de Röntgen montrent que ce rayonnement possède une énergie élevée. Entre 1912 et 1914, des avancées majeures sont réalisées : on comprend ce que sont les rayons X grâce aux cristaux et ce que sont les cristaux grâce aux rayons X !
Connaître les rayons X grâce aux cristaux… et réciproquement
Le physicien allemand Max von Laue persuadé du caractère ondulatoire des rayons X, imagine que ces rayons peuvent être diffractés par l’arrangement périodique interne des cristaux. En avril 1912, sur la suggestion de Laue, Walter Friedrich et Paul Knipping irradient avec des rayons X un cristal et observent quelques taches sur la plaque photographique placée derrière celui-ci. Laue interprète ces taches comme étant dues à des interférences : c’est la diffraction des rayons X par le réseau régulier périodique des atomes présents au sein du cristal. Laue obtient en 1914 le prix Nobel de physique pour cette découverte qui démontre que les rayons X sont des ondes, comme la lumière, mais avec une longueur d’onde mille fois plus petite (de l’ordre des distances entre atomes). Il est possible de faire l'inverse, c'est-à-dire de déterminer les distances entre les atomes, et leurs positions, grâce aux rayons X. C'est William Henry Bragg et son fils William Lawrence qui formalisent la méthode d'étude des cristaux par diffraction des rayons X. les Bragg père et fils obtiennent la prix Nobel de physique en 1915. La cristallographie moderne est née.
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Cherchez l'intrus
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Les rayons X dans le spectre électromagnétique
Dans le spectre électromagnétique, les rayons X se situent entre les ultraviolets et les rayons gamma. Ils vont de 10 nm à 0,01 nm sur l'échelle des longueurs d'onde, de 100 eV à 100 keV sur l'échelle des énergies. On distingue les rayons X mous et les rayons X durs (de plus faible longueur d'onde et donc associés à des photons de plus grande énergie), la frontière conventionnelle se situant aux alentours de 0,5 nm soit 3 keV.
Réponse à la question de Mr Cristallo :
L'intrus est la cryptographie.
La cryptographie est une discipline qui s'attache à protéger les messages (mots de passe, cryptage des textes, etc.). Toutes les autres disciplines ont en commun d'utiliser (non exclusivement) les rayons X. En médecine, la tomodensitométrie ou CT-scan (CT : computed tomography) est un terme très employé par les radiologues pour parler du scanner X.
Les neutrons
Découvert en 1932 par James Chadwick, qui reçut le Prix Nobel de physique en 1935 pour cette découverte, le neutron est l'une des particules élémentaires qui constituent le noyau atomique, d'une masse 1800 fois plus grande que celle d'un électron, sans charge électrique, dotée d'un moment magnétique.
Comme son nom l'indique, le neutron est neutre, ce qui lui confère un fort pouvoir de pénétration et permet l'utilisation d'environnements d'échantillon lourds.
Un neutron peut être décrit à la fois comme une particule et comme une onde.
Interaction des neutrons avec la matière
Le neutron interagit avec les noyaux des atomes :
- il peut « voir » aussi bien les atomes légers que les atomes lourds ;
- il peut distinguer les isotopes d'un même élément ; la substitution H/D est par exemple beaucoup utilisée, l'Hydrogène et son isotope le Deutérium diffusant les neutrons avec des intensités très différentes (indiquées par la taille relative des sphères dans le tableau ci-contre).
Le neutron possède un moment magnétique et peut être vu comme une petite boussole qui permet de sonder à l'échelle microscopique les matériaux magnétiques. L'analyse de la diffraction magnétique des neutrons par l'échantillon est une technique très puissante pour obtenir des informations sur l'organisation des moments magnétiques dans un matériau.
Les longueurs d'onde des neutrons thermiques sont du même ordre de grandeur que les distances interatomiques dans la matière condensée (~Å), ce qui permet de déterminer la position des atomes. D'autre part, les énergies des neutrons (~MeV), sont comparables aux excitations dans les solides et les liquides : la diffusion neutronique renseigne donc aussi sur la dynamique des atomes.
Au moment de la découverte du neutron en 1932, la cristallographie par diffraction des rayons X était déjà une science reconnue. La diffusion neutronique a connu un rapide essor à partir de la construction du premier réacteur nucléaire à Oak Ridge (1943) capable de fournir des faisceaux de neutrons suffisamment intenses pour étudier la matière condensée. C'est là que les premiers diagrammes de diffraction de neutrons sur poudre ont été enregistrés. Le prix Nobel de physique de 1994 récompensa Bertram N. Brockhouse et Clifford G. Shull pour leurs contributions au développement des techniques de diffusion neutronique.
Les travaux de Bertram N. Brockhouse et Clifford G. Shull ont permis des percées importantes dans l'étude de la matière condensée autant pour leurs propriétés structurales (diffraction des neutrons) que pour leurs propriétés dynamiques (spectroscopie de diffusion des neutrons).
Le premier diagramme de diffraction neutronique, présenté par C. G. Shull, lors de la réception de son Prix Nobel, a été enregistré sur une poudre de NaCl par E. O. Wollan et R. B. Sawyer en 1946.
Les électrons
L’électron est une particule élémentaire qui fut découverte par Joseph John Thomson (1856-1940) en 1897. Il possède une charge négative et c’est l’un des composants de l'atome, avec le neutron et le proton.
Le principe de dualité onde-corpuscule de Louis de Broglie (1892-1987) implique que l’électron présente aussi un caractère ondulatoire, caractère qui permet d’expliquer la diffraction de cette particule par la matière, comme celle des rayons X...
La diffraction électronique
Dans un microscope électronique en transmission, il est possible d’observer l’image de la zone illuminée (l’image de l’objet grossie sous le microscope) ou la diffraction associée. C’est la diffraction électronique qui a permis de découvrir les quasicristaux et leurs symétries « interdites » !
