Citez

La spectroscopie

Une introduction

par Dimitry Zakharov

Dimitry Zakharov est candidat au doctorat en histoire à l’université de la Saskatchewan, sous la direction de la Dre Erika Dyck. Ses intérêts de recherche sont en histoire de la médecine et de la santé, en histoire de la biologie et en histoire de la philosophie scientifique.

Qu’est-ce que la spectroscopie?

À la base, la spectroscopie est l’étude des réactions de la lumière avec la matière, qu’il s’agisse de matériaux complexes ou d’atomes et de particules subatomiques comme les électrons. Il existe plusieurs types de lumière : la lumière que nous percevons à l’œil nu, mais aussi des formes invisibles telles que les rayons X, les micro-ondes et les ultraviolets. Pour déterminer les propriétés d’un type de matière donné, les spectroscopistes soumettent des matières et molécules à divers types de lumière pour en étudier les interactions. « La spectroscopie est en fait l’étude des matières dans son sens large, qu’il s’agisse de gaz, d’atomes, de molécules, de solides », explique le professeur Alex Moews, titulaire de la chaire de recherche canadienne en sciences des matériaux de l’Université de la Saskatchewan.

L’interaction entre des sources de lumière ou de radiation et une substance crée une sorte « d’empreinte digitale » propose le professeur Moews; le spectromètre détecte ces empreintes pour identifier les caractéristiques uniques de la matière, telles que sa structure moléculaire ou la façon dont elle se lie aux autres molécules. « Les spectroscopistes travaillent avec les empreintes d’absorption ou d’émission de lumière des molécules », explique Robert McKellar, un spectroscopiste moléculaire qui a œuvré auprès du Conseil national de recherches Canada (CNRC) avant de prendre sa retraite. « Il est possible de découvrir énormément d’informations à propos d’une molécule en analysant le patron de lumière qu’elle absorbe ou émet. »

Dans l’ensemble, le domaine de la spectroscopie suit étroitement l’évolution technologique des spectrographes, appareils conçus pour lire et enregistrer les empreintes. « Au fil du temps, ces détecteurs n’ont pas cessé de s’améliorer », indique Eva Hemmer, professeure de chimie des matières à l’Université d’Ottawa. « Grâce à cette évolution, les chercheurs ont pu repousser les limites de leurs études en plongeant dans des détails menus, en profitant de processus encore plus rapides et bien plus. »

Survol de l’histoire de la spectroscopie

Comme il en va pour de nombreuses sciences, la spectroscopie a été érigée sur les bases des découvertes de physiciens et de chimistes, des découvertes qui sont souvent le fruit de l’expérimentation pure, de l’innovation technologique et parfois même de la chance. Herzberg en a fait la remarque dans un discours en 1984 : « L’histoire des sciences regorge d’exemples de découvertes et d’inventions inattendues qui ont changé non seulement le cours de l’évolution des sciences mais de l’histoire de l’humanité. »

Lorsqu’est parue en 1959 la traduction anglaise des ouvrages philosophiques et théoriques de Max Planck, James Franck, lauréat du prix Nobel de physique de 1925 et considéré comme un des fondateurs de la spectroscopie, s’est exprimé sur les relations itératives des progrès dans les domaines scientifiques et les avancées technologiques :

Nous pouvons aisément retracer les origines de la théorie atomique, de la physique nucléaire et de nombreux éléments de l’électrodynamique quantique au développement des tubes sous vide en verre remplis de gaz tels l’hydrogène, l’argon ou le néon. Ces tubes, munis de deux électrodes (une cathode et une anode) à chaque extrémité, sont l’invention de Heinrich Geissler (1815 à 1879), un souffleur de verre qui travaillait à l’Université de Bonn, en Allemagne. Précurseurs des luminaires fluorescents modernes, les « tubes de verre Geissler » produisaient une belle lumière vive lorsque remplis de divers gaz. Ces tubes étaient source de curiosité et témoignaient du progrès scientifique qui faisait rage dans l’Europe au 19^e siècle. De nombreux artisans ont entrepris de créer leurs propres versions et modèles et on pouvait admirer ces tubes Geissler dans les fêtes foraines, les festivals et les marchés. Les gens se les procuraient pour épater leurs amis et leur famille à la maison.[ii]

À la même époque, les physiciens se sont eux aussi intéressés aux propriétés des tubes Geissler. Julius Plücker (1801 à 1868), professeur de physique à Bonn, a collaboré avec Geissler pour effectuer 294 expériences lors desquelles ils ont mis à l’essai diverses configurations et modifications du modèle des tubes. Plücker a noté qu’il était possible de faire dévier ou d’arquer un faisceau de lumière projeté à l’intérieur du tube à l’aide d’un aimant. Cette observation constitue un moment crucial dans l’histoire de la spectroscopie puisqu’elle a ouvert la voie à une variété de nouvelles problématiques et d’expériences s’articulant autour de l’utilisation de lumière pour l’analyse des substances dans toute l’Europe.[iii]

L’élaboration de diagrammes et d’illustrations pour exprimer les structures atomiques ou subatomiques ainsi que les changements subis par ces particules, est rapidement devenue partie intégrante des sciences physiques. Puisqu’il n’est pas possible d’observer ces particules au microscope, les physiciens les démontraient grâce à des équations mathématiques visant à en décrire la géométrie et la topologie. Les historiens Lorraine Daston et Peter Galison nous font remarquer que ces illustrations, qui font leur apparition au cours de la seconde moitié du 19^e siècle, mettent en lumière des caractéristiques telles que la chance statistique inhérente aux mouvements des particules atomiques et subatomiques et aussi à la nature tridimensionnelle des comportements observés. De ce fait, Daston et Galison affirment que ces diagrammes représentent une toute nouvelle forme d’objectivité scientifique.[iv]

Un des diagrammes les plus connus est sans contredit le modèle atomique de Niels Bohr. Les itérations de mécanique quantique qui allaient suivre ont servi à démontrer l’existence de plus petites particules subatomiques comme les hadrons et les quarks. Le mathématicien et physicien Richard Feynman a représenté, dans des diagrammes publiés dans les années 1950, la diffusion des particules lors de collisions à haute énergie; ces diagrammes ont été adoptés comme la norme pour représenter les processus quantiques.

Or les physiciens qui effectuaient leurs recherches à l’aide de spectrographes représentaient tout autrement les processus atomiques et subatomiques; ils dépeignaient indirectement la composition des molécules, au travers des spectres distincts diffusés par chacune des molécules exposées à la lumière électromagnétique.

Les astronomes se sont également servi des spectrographes : ils les ont utilisés pour analyser la lumière émise par des étoiles, planètes et nuages de gaz lointains. Ces techniques, développées au 19^e siècle par des scientifiques comme William Hyde Wollaston (1766 à 1828), un chimiste britannique, et Joseph von Fraunhofer (1787 à 1826), un physicien et fabricant de lentilles allemand. Fraunhofer a observé des bandes distinctives, qui allaient plus tard être connues sous le terme des raies de Fraunhofer, dans un spectre indiquant des patrons distincts d’absorption ou de réflexion de la lumière du soleil et d’autres étoiles.  

Un siècle plus tard, Otto Struve (1897 à 1963), directeur du laboratoire Yerkes de Chicago, demande la création d’un spectrographe à mise au point automatique pouvant être intégré au télescope de 40 pouces (101 centimètres) du laboratoire. Ce spectrographe ne mesurait que 7 pouces ou 18 centimètres de diamètre et logé dans un tube d’aluminium pouvant être fixé au télescope selon les besoins. D’autres innovations ont suivi puisque les chercheurs ont continué de raffiner les spectrographes afin de capter des informations toujours plus précises.

Les contributions de Herzberg

Les physiciens Max Born, Werner Heisenberg et James Franck ont entre autres fait des percées significatives dans le domaine de la physique quantique au cours des premières décennies du 20^e siècle. Au cours de ses années académiques, Herzberg a assisté à des cours donnés par quelques-uns des plus grands physiciens de l’époque. Il a en fait travaillé avec Born et Franck en 1929 à l’Institut de physique théorique de Göttingen après avoir obtenu son doctorat.[v]

En 1927, Herzberg publie un article dans lequel il décrit le spectre de l’atome d’hydrogène. Dans le spectre électromagnétique, les espaces où la lumière ne traverse pas le gaz d’hydrogène apparaissent sous la forme de raies verticales noires. Puisque les électrons de la molécule ne peuvent absorber qu’une quantité spécifique d’énergie avant de changer d’état ou d’en être arrachés (un procédé appelé « ionisation »), ces diagrammes servent à comprendre les empreintes uniques des molécules qui composent le gaz. En 1934, peu avant leur départ vers Saskatoon, Herzberg et Luise, sa femme, ont élaboré le système de raies de la molécule de nitrure de phosphore, aussi appelée molécule PN, composée de nitrogène et de phosphore. (Dans les années 1980, ce gaz est décelé dans l’atmosphère de planètes comme Jupiter et Saturne.)

Nous connaissons désormais la grande majorité des empreintes des molécules, or il important de noter que Herzberg et ses contemporains ont établi les bases de cette science lors des années 1920 et 1930. Ils ont utilisé la spectroscopie pour étudier le monde naturel un atome et une molécule à la fois. « Au tout début, explique le professeur McKellar, Herzberg étudiait les atomes, mais il a assez vite changé de cap pour s’intéresser à la spectroscopie des molécules. C’était en fait un défi plus attrayant et d’une grande nouveauté à l’époque. »

En 1948, lorsque Herzberg est devenu directeur du département de physique du Conseil national de recherche, il n’a pas tardé à monter une équipe de chercheurs et d’équiper son laboratoire de différents modèles de spectrographes. Il était possible pour lui de se procurer des spectrographes commerciaux, mais « tout laboratoire voulant mener des recherches de pointe en matière de spectroscopie haute résolution des gaz se voyait dans l’obligation de construire ses propres instruments ».[vi] Herzberg et Alex Douglas, son adjoint principal, ont commencé par construire un spectrographe à réseau concave de 7 mètres, semblable à celui qu’il avait construit pendant son mandat à l’Université de la Saskatchewan. (On reconnaît un spectrographe à réseau concave aux fines lignes gravées sur la surface en miroir en forme de bol et qui diffracte la lumière sans toutefois l’envoyer nécessairement vers le point focal.) Puisqu’il en coûte cher et qu’il est ardu de se procurer un réseau de diffraction de grande qualité, Herzberg a emprunté le réseau de l’Université de la Saskatchewan afin que son équipe et lui puissent commencer à utiliser le spectrographe dans les plus brefs délais.[vii]

Dès le début de sa charge au Conseil national de recherche, Herzberg et son groupe de spectroscopie entreprennent d’étudier les mystérieux « radicaux libres ». Difficiles à détecter, ces molécules hautement volatiles se « détachent » de molécules pour ensuite former rapidement des liens avec de nouvelles molécules. Herzberg concentre ses efforts sur le radical libre du CH₂, un gaz inodore aussi connu sous le nom méthylène. La difficulté de l’étude des radicaux libres vient du fait qu’ils n’existent que pendant un très court laps de temps.

« L’importance des radicaux libres est capitale puisqu’ils sont, en quelque sorte, la réaction chimique intermédiaire qui sépare la réaction de deux molécules à la création de deux autres molécules », explique le professeur McKellar. « Puisque nous ne connaissons pas vraiment la structure exacte des radicaux libres, appliquer la spectroscopie nous permet de le faire. »

Le comportement d’un radical libre s’apparente à celui des particules subatomiques exotiques qui font l’objet d’études au Grand collisionneur de hadrons de la CERN en Suisse. Tout comme les hadrons et les bosons qui n’existent que pendant un millionième de seconde avant de disparaître, le défi pour étudier les radicaux libres est de créer les conditions pour les faire apparaître et de concevoir ensuite l’équipement scientifique qui permettra de les observer pendant leurs très courtes périodes d’existence.

Le groupe de spectroscopie de Herzberg a développé une technique qu’ils ont nommé « décharge éclair » pour étudier les radicaux libres. Pour y arriver, il faut remplir un long tube de verre de gaz, de deutérium aussi appelé hydrogène lourd, et ensuite le soumettre à des décharges lumineuses puissantes synchronisées avec précision à un courant électrique acheminé par le gaz contenu dans le tube. La lumière générée par ce processus est dirigée vers un spectromètre pour fins d’analyse.

C’est au même moment que Herzberg mène ses recherches sur les radicaux libres que des progrès technologiques marquent l’évolution des senseurs et les débuts de l’informatique; ces innovations motivent d’autres groupes de recherche à développer des techniques similaires. Selon le professeur McKellar, Donald Allan Ramsey, un des compatriotes postdoctoraux de Herzberg, a joué un rôle clé dans le développement de la technique de décharge éclair au Conseil national de recherche. À peu près au même moment, une équipe de l’Université Cambridge dirigée par le professeur George Porter (lauréat du prix Nobel de chimie de 1967) développe un processus similaire, la photolyse-éclair, pour étudier les radicaux libres. Le développement de ces techniques contribue à une meilleure compréhension du radical libre CH₂, qui a servi à établir la présence du radical libre C₃ provenant d’une comète.[viii] Cette découverte s’ajoute aux succès qui ont mérité le prix Nobel à Herzberg en 1971.

Récompensé pour ses travaux de chimie, Herzberg fait également avancer des recherches en sciences physiques. En effet, la physique et la chimie se confondent au niveau de complexité des problèmes sur lesquels Herzberg se penche. Il a mis en lumière la compréhension de problèmes moléculaires selon les principes quantiques, c’est à dire à des niveaux préalablement inexplorés.

Conclusion

Au cours du dernier siècle, la spectroscopie, technique permettent d’étudier la matière, a servi dans une très vaste gamme d’applications.

La montée de l’astrophysique est sans contredit une des plus importantes. « Nous pratiquons l’astrophysique à partir d’un point de vue restreint, notre planète, grâce à des télescopes construits à même le sol ou en orbite, explique James Di Francesco, un astrophysicien de l’Institut Herzberg d’astrophysique. C’est pourquoi nous disposons de ressources limitées pour percevoir et comprendre l’univers, dont l’ordre de grandeur dépasse nos capacités d’exploration et d’échantillonnage. En effet, la lumière est la principale source d’étude que l’astronomie met à profit pour y arriver. Les étoiles émettent de la lumière, le soleil émet de la lumière, les planètes reflètent la lumière. Nous accueillons la lumière comme la messagère des mystères des espaces sidéraux. La spectroscopie s’impose, dans ce sens, comme une technique extrêmement puissante pour nous permettre de comprendre l’univers. »

Il existe également de nombreuses autres applications terrestres, de la médecine à la sécurité des aliments, à l’agriculture, à l’informatique quantique et même la criminalistique. Les historiens de l’art utilisent la spectroscopie infrarouge pour déceler les contrefaçons; elle leur permet d’analyser les structures chimiques de la peinture.  

L’équipe de chercheurs du professeur Moews à l’Université de la Saskatchewan utilise des sources lumineuses ultra sophistiquées, telles que les synchrotrons, ainsi que des approches analytiques comme la « spectroscopie d’émission » qui étudie les longueurs d’ondes de la lumière émise par les atomes ou les molécules lors de leur transition à un état à haute énergie à une forme plus stable, afin de développer de meilleures matières lumineuses, des matériaux moins corrosifs ou des supraconducteurs. « Ces méthodes permettront peut-être de découvrir une nouvelle matière dotée de propriétés qui n’ont jamais existé auparavant, affirme-t-il. La gamme des applications est en quelque sorte illimitée. »

Il en va souvent de même pour les découvertes scientifiques : cet outil analytique d’une grande versatilité provient de la façon dont Herzberg et d’autres scientifiques se sont attaqués aux types de problèmes techniques auxquels ils ont été confrontés aux cours de leurs recherches. Thomas S. Kuhn, physicien et philosophe des sciences, clame que la résolution de problèmes occupe une place centrale dans les rouages internes des sciences modernes. Il explique que tous les domaines scientifiques sont régis par des règles conceptuelles et méthodologiques. L’acte de résoudre des nouveaux problèmes ne mènent pas nécessairement à de nouvelles découvertes. Mais ces réflexions intellectuelles peuvent servir à clarifier davantage et valider des concepts connus.

Les travaux de Herzberg relèvent à la fois de l’innovation technologique que des études scientifiques audacieuses. Il a publié 274 articles sur le spectre et la structure des molécules. Comme l’a écrit Max Planck, un des mentors de Herzberg : « [l’]objectif [du chercheur] est de parfaire la totalité et l’intégralité du système de la physique théorique… pas seulement en ce qui a trait aux particularités du système, mais en considération des physiciens de l’histoire, toutes époques et cultures confondues. Dans ce sens, le système de la physique théorique exige d’être validé, non pas uniquement pour les habitants de notre Terre, mais aussi pour les habitants des autres planètes. »[ix]

[i] James Franck, “Introduction” de The New Science de Max Planck, traduction de James Murphy, (New York: Meridian Books, 1959): xvii.   

[ii] William H. Brock, William Crookes (1832–1919) and the Commercialization of Science, (New York: Routledge, 2012).

[iii] George Sarton, “The Discovery of X-Rays,” magazine Isis 26 numéro 2 (1935) : pages 349 à 369.

[iv] Lorraine Daston et Peter Galison, Objectivity, (New York: Zone Books, 2007) : pages 253 et 254.

[v] Boris Stoicheff, Gerhard Herzberg: An Illustrious Life In Science, (Ottawa: National Research Council Press, 2002) : page 43.

[vi] Stoicheff, page 224.

[vii] Stoicheff, page 232

[viii] Herzberg, The Spectra and Structure of Simple Free Radicals, (Ithaca, New York: Cornel University Press, 1971) : page 13.

[ix] Max Planck, Acht Vorlesungen uber Theoretische Physik: Gerhalten an der Columbia University in the City of New York im Fruhjahr 1909 (Leipzig: Hirzel, 1910) : page 6.