Analyse spectrale 1859
Robert Bunsen (1811-1899) et Gustav Robert Kirchhoff (1824 - 1887)
Robert Wilhelm Bunsen est né le 30 mars 1811 à Göttingen. Il est le plus jeune des quatre fils du professeur et bibliothécaire Christian Bunsen et de son épouse Auguste Friederike.
Après avoir fréquenté l'école primaire et le lycée, Robert, doté d'un sens de l'observation exceptionnel, commence à étudier la chimie à l'université de Göttingen à l'âge de 17 ans seulement. Parallèlement, le jeune étudiant intéressé par les sciences naturelles suit également des cours de physique et de mathématiques, de minéralogie et de géologie. Trois ans plus tard seulement, Bunsen obtient son doctorat avec une thèse sur les hygromètres (mesure de l'humidité de l'air). Grâce à une bourse, il entreprend ensuite un voyage de formation d'un an en Autriche, en Suisse et en France, au cours duquel il fait la connaissance de nombreux chimistes importants, comme Justus Liebig.
De retour de ce voyage d'études, il obtient son habilitation à l'université de Göttingen en 1834 et commence à faire des recherches expérimentales sur la solubilité des sels métalliques de l'acide arsénique. Il découvre alors, en collaboration avec le médecin Adolph Arnold Berthold, l'efficacité de l'hydroxyde de fer comme antidote en cas d'empoisonnement à l'arsenic.
En 1836, Bunsen devient professeur à l'école supérieure des arts et métiers de Kassel où il étudie le composé organique de l'arsenic, facilement inflammable à l'air, appelé "cacodyl" en raison de son odeur nauséabonde. Lors d'une explosion dans son laboratoire, son œil droit est blessé, ce qui entraîne une perte de vision permanente.
À Kassel, Bunsen s'intéresse également à l'efficacité thermique des hauts fourneaux et se rend compte que l'analyse des gaz produits lors de la fusion donne des informations sur les processus chimiques en cours. Il découvre que le pouvoir calorifique du charbon n'est utilisé que dans une faible mesure et peut ainsi améliorer les techniques de combustion.
En automne 1839, l'université de Marburg le nomme professeur de chimie. Les étudiants aiment assister à ses cours, non seulement en raison de ses méthodes d'enseignement, mais aussi parce qu'il est aimable avec eux.
Afin de doter son laboratoire d'une source d'électricité bon marché mais néanmoins puissante, Bunsen perfectionne une pile à combustible simple déjà construite par Christian Friedrich Schönbein et améliorée par Sir William Grove, en remplaçant l'électrode de platine coûteuse par une électrode de carbone nettement moins chère. Cette pile zinc-carbone contenant de l'acide nitrique, appelée "élément Bunsen", fournit une tension électrique d'environ 1,9 V et est la source d'électricité la plus utilisée jusqu'à la découverte du principe électrodynamique par Werner von Siemens.
En 1850, Bunsen est nommé à l'université de Breslau, où il fait la connaissance du physicien Gustav Robert Kirchhoff, de 13 ans son cadet.
Né le 12 mars 1824, il y a donc 200 ans, à Königsberg, l'actuelle Kaliningrad, en Prusse orientale, Gustav, le plus jeune des trois fils du conseiller juridique Carl Friedrich Kirchhoff et de son épouse Johanna, fréquente le lycée Kneiphöfische et étudie les mathématiques et la physique à l'université de Königsberg après avoir obtenu son baccalauréat en 1842. Il s'intéresse surtout à la théorie de l'électricité.
Après que Carl Friedrich Gauss a découvert en 1833, lors d'expériences, qu'il existe des relations entre les courants, les tensions et les résistances dans les circuits électriques, Kirchhoff peut formuler 12 ans plus tard, alors qu'il n'a que 21 ans et qu'il est étudiant, les lois de la dérivation du courant (et des tensions) dans les réseaux électriques et les publier en 1845 dans les Annalen für Physik und Chemie. Ces règles de Kirchhoff permettent de calculer les courants, les tensions et les résistances dans les circuits électriques.
En 1848, un an seulement après avoir obtenu son doctorat à l'université Albertus de Königsberg, Kirchhoff obtient son habilitation à Berlin et, deux ans plus tard, à l'âge de 26 ans seulement, il est nommé professeur extraordinaire à l'université de Breslau, où il donne des cours de physique expérimentale. Peu de temps après, Robert Wilhelm Bunsen arrive à Breslau et les deux chercheurs se lient d'amitié pour la vie.
Mais après seulement trois semestres, Bunsen répond à un appel de l'université Ruprecht-Karls à Heidelberg. Il y reçoit non seulement un salaire élevé et un laboratoire de chimie moderne dans le nouvel institut de chimie de l'Akademiestraße, mais aussi un logement de fonction au coin de la rue. Deux ans plus tard, Kirchhoff se rend lui aussi à Heidelberg lorsque, sur recommandation de Bunsen, on lui propose un poste de professeur de physique.
Dans les années qui suivent, Kirchhoff et Bunsen font des recherches ensemble et rédigent de nombreux écrits scientifiques. Les recherches de Bunsen sur l'analyse exacte des gaz, commencées vingt ans plus tôt à Kassel, sont d'une grande importance. Il les poursuit à Heidelberg et les publie en 1857 dans son livre "Gasometrische Methoden". Il y décrit notamment des procédés pour déterminer les substances contenues dans les gaz. Sur la base de l'analyse des gaz qu'il a développée, il est encore possible aujourd'hui de prédire les éruptions volcaniques.
Alors que Bunsen reste célibataire jusqu'à la fin de sa vie, Kirchhoff se marie en août 1857 avec Clara Richelot, la fille de son ancien professeur de Königsberg Friedrich Julius Richelot, avec qui il a cinq enfants.
Un feu d'artifice coloré au château de Heidelberg aurait incité Bunsen à analyser la composition chimique des sels qui produisent les différentes couleurs lumineuses des feux d'artifice.
La lumière visible est produite dans les enveloppes électroniques des atomes lorsque les électrons sont temporairement placés dans un état d'énergie supérieure par un apport d'énergie. Lorsqu'ils quittent cet état excité, ils émettent l'énergie reçue en portions bien définies sous forme de photons, c'est-à-dire de quanta de lumière d'une longueur d'onde bien précise et caractéristique du type d'atome concerné. Nous percevons les différentes longueurs d'onde de la lumière comme des couleurs différentes. Le sodium, que nous connaissons comme composant de la molécule de chlorure de sodium ou de sel de cuisine, émet une lumière jaune d'une longueur d'onde de 590 nm ; les sels de baryum brillent en vert, les sels de potassium en violet et les sels de strontium en rouge.
Pour ses recherches, Bunsen a besoin d'un brûleur à gaz dont la température est la plus élevée possible. Mais le brûleur de Michael Faraday, qui fonctionne avec un mélange de gaz de ville et d'oxygène, ne peut pas être régulé avec précision. C'est pourquoi, après plusieurs expériences, Bunsen construit une soupape (Bunsen valve) qui permet de réguler l'arrivée d'air du brûleur à gaz et de produire une flamme sans suie, même à haute température.
Le "bec Bunsen", utilisé jusqu'à aujourd'hui dans chaque laboratoire de chimie, fournit une flamme avec une faible luminosité propre, mais à une température suffisamment élevée pour que Bunsen puisse l'utiliser pour vaporiser les sels et observer leurs différentes colorations de flamme. Cependant, il ne parvient pas à identifier les différents éléments chimiques à partir de la seule couleur de la flamme. Kirchhoff propose alors de décomposer la lumière de la flamme en ses composantes colorées à l'aide d'un prisme.
Dans le palais municipal "Haus zum Riesen" dans la rue principale de Heidelberg, les deux hommes mettent au point le premier appareil spectral : une boîte trapézoïdale A reposant sur trois pieds porte les deux télescopes B et C. La boîte A est équipée d'une plaque de verre et d'une plaque de verre. Les lentilles oculaires du tube B sont remplacées par une plaque avec une fente placée au foyer de la lentille de l'objectif. L'échantillon de sel fixé à l'extrémité recourbée d'un fil de platine très fin est chauffé par la flamme du bec Bunsen jusqu'à ce qu'il brille et la lumière est dirigée à travers la fente vers un prisme placé entre les objectifs des tubes binoculaires B et C. La lumière émise par les atomes du gaz est alors décomposée en ses différentes couleurs, comme dans un arc-en-ciel. Le prisme, qui repose sur une plaque de laiton, peut tourner autour d'un axe vertical. En dessous se trouve un miroir G. A travers une lunette dirigée vers le miroir, on peut voir le reflet d'une échelle horizontale placée à faible distance. En faisant tourner le prisme, on peut faire passer le spectre de la flamme devant la lunette C et mesurer ainsi les raies contenues dans les spectres.
Lors de leurs expériences, ils reconnaissent également dans les spectres des lignes claires sur un fond sombre et observent que les lignes d'absorption sombres trouvées par Joseph Fraunhofer en 1814 dans le spectre solaire deviennent soit plus claires soit plus sombres en fonction de l'intensité de la lumière correspondante. Ils découvrent que chaque élément chimique à l'état gazeux émet de la lumière d'une longueur d'onde bien précise et que des lignes spectrales caractéristiques apparaissent dans quelques zones de couleur étroites. Mais lorsque la lumière traverse des masses gazeuses plus froides, les atomes qui s'y trouvent absorbent la luminosité qui les caractérise et les lignes sombres de Fraunhofer apparaissent.
Les recherches de Kirchhoff l'amènent à constater que la température d'un corps absorbant le rayonnement augmente et que, par conséquent, son émission augmente également jusqu'à ce qu'un équilibre de rayonnement soit atteint, et il formule en 1859 la loi du rayonnement qui porte son nom. Selon cette loi, le rapport entre la capacité d'absorption et d'émission de tous les corps ne dépend que de la température et de la longueur d'onde, et non des propriétés du matériau. Selon cette loi, chaque corps lumineux absorbe les lignes spectrales qu'il émet également.
Kirchhoff a non seulement trouvé l'explication des raies de Fraunhofer, mais il s'est également rendu compte que leurs longueurs d'onde coïncidaient avec les raies d'émission d'éléments chimiques connus, ce qui permet désormais d'analyser la matière des corps célestes, même situés à des millions d'années-lumière, uniquement à travers la lumière qu'ils émettent.
Avec l'analyse spectrale, Kirchhoff et Bunsen créent l'un des instruments les plus importants de l'astronomie, encore aujourd'hui. L'astronomie, qui se limitait auparavant à l'observation des astres, évolue avec l'analyse spectrale vers l'astrophysique. Bunsen reconnaît immédiatement son importance considérable lorsqu'il écrit "Ces recherches nous ont causé des nuits blanches, car la méthode peut révéler la composition du soleil et des étoiles avec la même fiabilité que les méthodes chimiques l'ont fait pour les substances terrestres". Plus tard, l'analyse spectrale constitue la base de la théorie des atomes et des molécules et conduit au développement de la physique quantique.
En 1860, Kirchhoff et Bunsen publient les bases de l'analyse spectrale dans leur livre "Chemische Analyse durch Spektralbeobachtungen". Le spectromètre qu'ils ont développé et les premiers spectres enregistrés y sont également représentés. En haut, le spectre solaire avec les lignes de Fraunhofer, en dessous les spectres du potassium, du sodium, du lithium, du strontium, du calcium et du baryum.
La même année, Kirchhoff commence une analyse approfondie du spectre solaire et déduit de sa connaissance du rayonnement des corps que le Soleil est une boule de feu avec un noyau extrêmement dense et chaud d'environ 20 millions de degrés. Au cours de ces recherches, ses yeux sont très affectés.
La même année, Kirchhoff commence une analyse approfondie du spectre solaire et déduit de sa connaissance du rayonnement des corps que le Soleil est une boule de feu avec un noyau extrêmement dense et chaud d'environ 20 millions de degrés. Au cours de ces recherches, ses yeux sont très affectés.
Mais bientôt, Bunsen et Kirchhoff découvrent, par analyse spectrale, deux nouveaux éléments chimiques dans l'eau minérale de la source Max de Bad Dürkheim, nouvellement exploitée : le césium en 1860 et le rubidium l'année suivante. Bunsen peut désormais ajouter le césium et le rubidium au crayon dans le tableau périodique qui comprend alors 60 éléments et Kirchhoff peut également publier leurs spectres (en haut, le spectre solaire, en dessous, les spectres du potassium et des nouveaux éléments, le rubidium et le césium).
L'analyse spectrale permet de découvrir de nouveaux éléments non seulement en laboratoire, mais aussi dans les enveloppes gazeuses des étoiles, comme l'hélium dans le Soleil, que Kirchhoff parvient à détecter dans le spectre solaire en 1868. Aujourd'hui encore, l'analyse des spectres d'objets cosmiques peut fournir des informations sur leur composition chimique, leur température et leur pression. Le déplacement des lignes contenues dans les spectres permet même de calculer la vitesse à laquelle les objets se rapprochent ou s'éloignent de nous.
En 1863, Kirchhoff déménage avec sa famille dans le nouvel institut de sciences naturelles de l'université de Heidelberg et y passe encore des moments heureux jusqu'à ce qu'il se blesse tellement le pied en tombant dans un escalier en 1868 qu'il a besoin d'un fauteuil roulant pendant un certain temps et de béquilles encore cinq ans plus tard. Il ne peut plus donner ses cours d'expérimentation, très appréciés et toujours très fréquentés, et ne peut plus faire d'expériences. Il se consacre donc désormais entièrement à la physique théorique.
Un an plus tard, sa femme Clara meurt d'une pneumonie à l'âge de 35 ans seulement. Ses deux fils peuvent rester avec lui. Ses deux petites filles sont placées chez sa belle-mère à Königsberg. En décembre 1872, Kirchhoff épouse Luise Brömmel, une supérieure travaillant à la clinique ophtalmologique de Heidelberg, qui s'occupe de lui avec amour.
Après 21 ans, la période fructueuse de Kirchhoff à Heidelberg touche à sa fin. Après avoir refusé à trois reprises d'être appelé par d'autres universités, il décide tout de même de s'installer à Berlin fin 1874 et devient le premier professeur ordinaire de physique théorique de l'université. En avril 1875, il s'installe à Berlin et commence immédiatement à donner des cours. Parmi ses étudiants, il compte notamment Heinrich Hertz et Max Planck. Mais lui et sa femme ont du mal à s'habituer à la vie dans la grande ville et pensent souvent à Heidelberg.
Certes, sa blessure au pied guérit enfin à Berlin, mais sa santé ne tarde pas à se dégrader, ce qu'il dissimule toutefois avec la sérénité qui le caractérise. Même si les cours continuent à lui procurer un grand plaisir, ils lui demandent de plus en plus d'efforts physiques. En 1884, suite à des malaises, Kirchhoff interrompt ses cours sur conseil médical, mais les reprend brièvement au semestre d'hiver 1885/86, jusqu'à ce que les vertiges et la fièvre provoqués par une tumeur au cerveau l'obligent à mettre fin à son activité d'enseignant.
Après des souffrances patiemment endurées, Gustav Robert Kirchhoff meurt le matin du 17 octobre 1887 à l'âge de 63 ans et est enterré au cimetière Saint-Matthäus à Berlin-Schöneberg. Sa tombe s'y trouve encore aujourd'hui.
Bunsen reste à Heidelberg et continue à enseigner à de nombreux étudiants dont la formation pratique lui tient à cœur. Ils apprécient beaucoup les cours clairs de leur professeur. Chaque semestre, Bunsen propose un cours de "chimie expérimentale générale" et est l'un des premiers à associer enseignement et recherche. Le manuscrit du semestre d'hiver 1879/1880, rédigé par un assistant pour le cours de "chimie expérimentale", traite des différents types de flammes et de leur composition ainsi que de l'analyse des gaz.
Ce n'est qu'à l'âge de 78 ans que Bunsen prend sa retraite à Pâques 1889 et s'installe au 12 de la Luisenstraße, qui sera rebaptisée "Bunsenstraße" en 1893. Il peut désormais voyager, faire de longues promenades dans la nature et se consacrer à son hobby, la géologie.
Il survit de 12 ans à son ami Kirchhoff. Robert Bunsen meurt le 16 août 1899 à l'âge de 88 ans et est enterré dans le cimetière de montagne de Heidelberg. Le monument inauguré en 1908 devant le Friedrichsbau dans la Hauptstraße de Heidelberg rappelle encore aujourd'hui le souvenir de cet éminent chimiste.
La méthode de travail interdisciplinaire du physicien Kirchhoff et du chimiste Bunsen pose la première pierre pour que Heidelberg devienne l'un des centres les plus importants pour les sciences naturelles, en particulier pour l'astronomie, avec un grand nombre d'instituts de recherche.
L'Institut Max Planck pour l'astronomie, la Maison de l'astronomie, le Centre de calcul astronomique, l'Observatoire national sur le Königsstuhl, mais aussi le Laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL), le Centre allemand de recherche sur le cancer ou le Centre de biologie moléculaire de l'Université de Heidelberg attirent des scientifiques du monde entier.
