La transmutation est l’action de changer une substance, tangible ou intangible, d’une forme ou d’un état à un autre. Pour les alchimistes d’autrefois, cela signifiait la conversion d’une substance physique en une autre, en particulier les métaux vils comme le plomb en argent et en or précieux. Pour les scientifiques modernes, cela signifie la transformation d’un élément en un autre par une ou une série de désintégrations ou de réactions nucléaires.
Bien que les gens travaillaient avec de l’or, de l’argent, du cuivre, du fer, de l’étain, du plomb, du carbone, du soufre et du mercure dans l’Antiquité, ils comprenaient peu la chimie et pouvaient écrire peu de choses à son sujet. À cette époque, la chimie était un art et non une science. Les Égyptiens ont été les premiers à produire une documentation écrite étendue sur les procédures chimiques, au début de l’ère chrétienne, et l’Égypte est généralement identifiée comme le lieu de naissance de la chimie. Ces écrits indiquent que le développement de méthodes permettant de transformer une substance en une autre était l’un des principaux objectifs de leurs recherches. Au cours des centaines d’années qui ont suivi ces écrits, les alchimistes ont tenté de mettre au point des schémas pour transformer les métaux de base en or et en argent grâce à diverses manipulations chimiques de mélanges et de distillations. Les alchimistes ont été stimulés par ce qui semblait être un certain succès – par exemple, la production de très petites quantités d’or à partir de minerai de plomb par leurs procédures chimiques. (Cet or était sans aucun doute présent à l’état de traces dans les minerais d’origine et n’a pas été produit par transmutation). La folie ultime des alchimistes s’est manifestée au cours du Moyen Âge avec la recherche de la pierre philosophale, une substance qui pouvait être mélangée aux métaux de base et, par purification, les convertir en or. Elle n’a jamais été trouvée.
Comme chaque élément possède un nombre différent mais fixe de protons dans le noyau de l’atome, qui est le numéro atomique, la transmutation d’un élément chimique en un autre implique de changer ce nombre. Une telle réaction nucléaire nécessite des millions de fois plus d’énergie que celle disponible par les réactions chimiques. Ainsi, le rêve de l’alchimiste de transmuter le plomb en or n’a jamais été chimiquement réalisable.
Bien que les alchimistes n’aient pas réussi à trouver une méthode de transmutation des métaux de base en métaux précieux, un certain nombre de processus chimiques importants ont résulté de leurs efforts. Par exemple, ils ont extrait les métaux des minerais, produit un certain nombre d’acides et de bases inorganiques qui ont ensuite acquis une importance commerciale, et développé les techniques de fusion, de calcination, de mise en solution, de filtration, de cristallisation, de sublimation et, surtout, de distillation. Au cours du Moyen Âge, ils ont commencé à essayer de systématiser les résultats de leurs expériences primitives et leurs fragments d’information afin d’expliquer ou de prévoir les réactions chimiques entre les substances. C’est ainsi qu’apparurent l’idée d’éléments chimiques et les premières formes primitives du tableau périodique chimique.
Ironiquement, des transmutations nucléaires avaient lieu pratiquement sous le nez des alchimistes (ou sous leurs pieds), mais ils n’avaient ni les méthodes pour détecter ni les connaissances pour utiliser ces événements. La découverte du processus de transmutation nucléaire est étroitement liée à la découverte de la radioactivité par Henri Becquerel en 1896. Les transmutations nucléaires se produisent lors de la désintégration radioactive spontanée du thorium et de l’uranium naturels (numéros atomiques 90 et 92, respectivement) et de la
produits filles de leur désintégration, à savoir la série de désintégration naturelle. À titre d’exemple, la série de désintégration du 232 Th est illustrée à la figure 1. L’exposant 232 représente la masse atomique, c’est-à-dire le nombre total de protons et de neutrons dans le noyau de l’atome. Dans cette série de désintégration, un noyau de 232 Th commence le processus en émettant spontanément une particule α (un noyau de He contenant deux protons et deux neutrons). Cette réaction transmute le noyau Th en un noyau comportant deux protons et deux neutrons de moins, à savoir 228 Ra. Ensuite, le noyau 228 Ra émet spontanément une particule β (un électron), qui transforme un neutron du noyau en proton, augmentant ainsi le numéro atomique du noyau résultant d’une unité sans changement de la masse atomique, ce qui donne 228 Ac. Cette séquence de désintégrations α et β successives se poursuit d’un élément à l’autre jusqu’à l’obtention du noyau stable 208 Pb (voir figure 1). Il existe également deux autres chaînes de désintégration naturelles, l’une commençant avec 235 U (série de l’actinium) et l’autre avec 238 U (série de l’uranium). En plus de ces trois séries de désintégration, quatorze autres isotopes radioactifs existent dans la nature, allant de 40 K à 190 Pt, qui se transmutent par désintégration en éléments stables.
L’idée de transmutation des éléments dans les chaînes de désintégration naturelle n’a pas accompagné la découverte de la radioactivité par Becquerel. Cependant, Marie et Pierre Curie ont prolongé les investigations de Becquerel en utilisant une variété de
Minéraux d’U et ont constaté que les propriétés radioactives n’étaient pas une fonction des formes physiques ou chimiques de l’uranium, mais des propriétés de l’élément lui-même. En utilisant des méthodes de séparation chimique, ils ont isolé deux nouvelles substances radioactives associées aux minéraux d’U en 1898 et les ont nommées polonium et radium. En 1902, Ernest Rutherford et Frederick Soddy expliquent la nature du processus qui se produit dans les chaînes de désintégration naturelle comme les désintégrations radioactives de l’U et du Th pour produire de nouvelles substances par transmutation.
Lord Rutherford et son groupe de scientifiques ont été les premières personnes à produire et détecter des transmutations nucléaires artificielles en 1919. Il a bombardé de l’azote dans l’air avec les particules α – émises lors de la désintégration de 214 Po. La réaction de transmutation impliquait l’absorption d’une particule α -par les 14 noyaux N pour produire 17 O et un proton (un noyau d’hydrogène). Cette réaction peut s’écrire comme suit
14 N + 4 He → 17 O + 1 H
Lord Rutherford a pu détecter et identifier les protons produits dans cette réaction nucléaire et ainsi démontrer le processus de transmutation.
Jusqu’en 1934, seuls les éléments radioactifs d’origine naturelle pouvaient être étudiés. Cependant, en janvier de cette année-là, Irène Curie (fille de Marie Curie) et Frédéric Joliot rapportent que des échantillons de bore et d’aluminium ont été rendus radioactifs en les bombardant avec des particules α – du polonium pour produire les deux nouveaux produits radioactifs, 13 N et 30 P respectivement. Cette découverte a établi les nouveaux domaines de la chimie nucléaire et de la radiochimie et a déclenché leur croissance rapide.
Avec le développement des réacteurs nucléaires et des accélérateurs de particules chargées (communément appelés « atom smashers ») au cours de la seconde moitié du vingtième siècle, la transmutation d’un élément en un autre est devenue monnaie courante. En fait, quelque deux douzaines d’éléments synthétiques de numéro atomique supérieur à celui de l’uranium naturel ont été produits par des réactions de transmutation nucléaire. Ainsi, en principe, il est possible de réaliser le rêve de l’alchimiste de transmuter le plomb en or, mais le coût de production via les réactions de transmutation nucléaire dépasserait de loin la valeur de l’or.