Chasseurs de fantômes

On ne voit pas assez souvent des questionnaires du genre « Quel est votre physicien préféré ? » (et c’est bien dommage). En tout cas celui que je mettrais en n°1, c’est sans hésitation Lord Rayleigh.

John William Strutt, 3e baron Rayleigh, a laissé son empreinte dans tous les domaines de la physique de la fin du XIXe siècle, et son nom à tellement de choses d’une incroyable modernité que j’en garderai la liste pour plus tard. Un chiffre seulement: la compilation de ses articles occupe plus de 3 500 pages ! Pourtant la première ligne de toutes ses biographies, c’est toujours son prix Nobel de physique (1904). Puisque son œuvre était alors plutôt derrière lui, peut-être était-ce un salut à l’ensemble de sa carrière… mais officiellement ce prix récompensait une découverte qui passerait presque inaperçue dans son interminable curriculum[1].

Donc, évidemment, c’est de celle-ci qu’on va parler.

Une atmosphère centenaire

1894: la date est symbolique, c’est le 100e anniversaire de la mort d’Antoine Lavoisier. Celui qui nomma les deux principaux composants de l’air ambiant: l’azote et l’oxygène, et étudia aussi le dioxyde de carbone Un siècle plus tard, donc, il y a longtemps qu’on est fixés sur les gaz qui composent l’atmosphère: diazote, dioxygène, dioxyde de carbone et, suivant le taux d’humidité, plus ou moins de vapeur d’eau.

À cette date, Lord Rayleigh, qui fut un temps le successeur de Maxwell à Cambridge[2], est maintenant celui de Faraday à la Royal Institution de Londres. C’est un touche-à-tout, et depuis bientôt 6 ou 7 ans, il se préoccupe de peser les gaz[3]. Son premier résultat, c’était le poids atomique de l’oxygène par rapport à celui de l’hydrogène (à peu près 16). Il ne lui reste plus qu’à faire pareil avec les autres gaz. L’azote, par exemple, ne devrait pas poser plus de difficultés. Pourtant, en avril 1894 Rayleigh arrive devant ses  collègues de la Royal Society avec une énigme insoluble.

Le gaz fantôme

Pour multiplier les pesées et réduire les sources d’erreur, il a décidé de comparer plusieurs mesures, et même de fabriquer différents échantillons d’azote. Soit par diverses réactions chimiques (par exemple, on peut en obtenir à partir de l’urée). Soit, plus simplement, en ôtant la vapeur d’eau, l’oxygène et le gaz carbonique de l’air ambiant. Et voilà le problème: l’azote « atmosphérique » est plus lourd que l’azote « synthétique ». Un tout petit peu plus lourd: +0,5%. Que se passe-t-il ?

La première hypothèse de Rayleigh, c’est qu’il n’a pas réussi à vraiment enlever tout l’oxygène de l’air.  Mais il n’a pas de mal à la réfuter[4]. La seule alternative, il la qualifie de formidable (au sens premier): il y a autre chose qui contamine l’azote de l’air.  Un gaz plus léger que l’azote, donc: mais si c’était de l’hydrogène, de l’ammoniac, de l’eau ou même du méthane, il devrait pouvoir l’identifier d’une façon ou d’une autre ! Quel est donc ce gaz fantôme, encore plus invisible que les autres, et qui hante l’air que nous respirons tous les jours ?

Un chimiste à la rescousse

Dans l’assistance ce jour-là, il y avait le chimiste William Ramsay, professeur à University College. Il est motivé pour continuer les manips, et il va réaliser 5 synthèses différentes de l’azote… toujours la même anomalie. Reste donc à isoler le mystérieux intrus. Passons les détails, mais notons que Ramsay reprend une technique qu’avait expérimentée Henry Cavendish 100 ans plus tôt — à une époque où oxygène et azote s’appelaient encore « air déphlogistiqué » et « air phlogistiqué ». Et il se trouve que Cavendish, lui aussi, avait repéré un petit « résidu » de moins de 1%. Repéré, mais négligé de s’y attarder.

Ramsay et Rayleigh, eux, s’obstinent à ne pas y voir une erreur, et finissent par mettre la main sur l’intrus. Ils déterminent que ce nouveau gaz est mono-atomique, et sa masse atomique est 20. Mais ils ont beau essayer de le faire réagir avec tout ce qui leur tombe sous la main, peine perdue ! Rien ne semble vouloir perturber ou interagir avec ce gaz. Voilà pourquoi, alors qu’il représente quand même 1% de l’air ambiant, il est resté indétectable depuis plus d’un siècle. Ses découvreurs le baptisent donc « argon »: en grec, paresseux, inerte.

La huitième colonne

Ramsay et Rayleigh viennent de découvrir le premier élément qui viendra se ranger dans la toute dernière colonne de la table de Mendeleïev, celle des gaz rares[5], ou nobles. Les deux découvreurs le devinent, et on le confirmera plus tard: c’est leur structure électronique (avec une dernière couche d’électrons complète) qui rend ces éléments aussi inertes les uns que les autres.

« Ces » éléments ? Oui, parce que Ramsay ne compte pas s’arrêter en si bon chemin: il a lu que les géologues observaient un dégagement gazeux en attaquant de la pechblende (un oxyde d’uranium) à l’acide. Dès 1895, il isole ce gaz, et reconnaît un élément qu’on avait déjà « vu », mais jamais rencontré: c’est l’hélium[6] (hélium, parce qu’on avait trouvé sa signature dans le spectre lumineux du Soleil). Voilà de quoi cocher la case juste au-dessus de l’argon.

Pourquoi s’arrêter là ? L’hélium et l’argon cachent-ils encore d’autres fantômes ? Ramsay, infatigable et maintenant assisté de Morris Travers, va chercher les gaz rares aux 4 coins du monde: dans les sources chaudes à Bath, à Cauterets, en Islande. Dans tous les minerais radioactifs qui lui tombent sous la main. Dans les météorites des réserves du British Museum, ou celles que lui envoient ses collègues américains. Après quelques années d’efforts, c’est le jackpot ! En 1898, après avoir patiemment isolé des litres de gaz rares, dans les résidus des résidus, ils finissent par isoler coup sur coup 3 autres gaz nobles: le néon (le nouveau gaz), le krypton (le gaz caché) et le xénon (le gaz inconnu). Tous aussi fantomatiques que l’argon.

La même année 1898, Marie et Pierre Curie ont découvert le radium. Friedrich Dorn et Ernest Rutherford découvrent ensuite que cet élément radioactif, en se désintégrant, émet un gaz (lui aussi radioactif). Et c’est encore Ramsay qui va l’isoler et le ranger dans la colonne des gaz nobles, où il prendra le numéro 86 et le nom de radon. Tout ça en 1904… juste avant de recevoir, en même temps que Rayleigh en physique, le prix Nobel de chimie.

De l’utilité des fantômes

Il aura donc fallu un siècle d’attente, puis 20 ans de travail acharné pour mettre la main sur tous les éléments « transparents » de l’atmosphère. Mais beaucoup moins de temps pour trouver à ces gaz inertes des dizaines d’applications: dans les ampoules à incandescence d’abord, puis très vite dans lampes en forme de tube. Et puis pour les dirigeables, la réfrigération, les lasers pour les codes barres, les écrans plasma, les extincteurs, les doubles vitrages, les anesthésiants, et on en passe. Avant qu’il ne soit remplacé par une LED, la prochaine fois que vous taperez sur le néon de la salle de bains qui ne veut pas s’arrêter de clignoter, ayez une pensée pour l’obstination des deux « seigneurs » britanniques.


Aller plus loin

  • Il aura fallu attendre encore très, très longtemps avant de pouvoir ajouter une case de plus à la dernière colonne de la table de Mendeleïev: en 2002 et 2005, deux équipes russe et américaine réussissent à produire l’élément numéro 118 qui complète la 7ème ligne, et qu’ils baptiseront oganesson. On n’a pas réussi à en produire beaucoup, mais il semble qu’il soit bizarrement plus réactif que ses petits frères.
  • Si jamais vous passez par Bristol, faites un détour pour aller visiter les magnifiques thermes romains de Bath.
  • Rayleigh raconte la quête de l’argon et Ramsay celle de l’hélium et des autres gaz nobles dans leurs discours de réception du prix Nobel en 1904 [en anglais]. Les articles sur l’anomalie de densité de l’azote et la découverte de l’argon sont dans les tomes III et IV des articles compilés de Rayleigh [en anglais aussi]. Et il y a vraiment de belles illustrations dans les articles d’époque:
  • Pour finir, attention de ne pas confondre notre chimiste Sir William Ramsay, né à Glasgow en 1852, avec l’archéologue Sir William Mitchell Ramsay, né à Glasgow en 1851, mais spécialiste de l’Asie mineure et des études bibliques !
  • Allez, pour la route.

[1] Et personnellement je ne dirais pas que c’est ce qu’il y a de plus éblouissant dans son œuvre. 
[2] Au poste prestigieux de « professeur Cavendish », du nom du fondateur du grand laboratoire de physique. 
[3] Évidemment pour ça, il faut une balance très précise, comme celle de Joseph Black.
[4] D’abord la différence de poids voudrait dire qu’il reste vraiment beaucoup d’oxygène. Et ensuite il a tenté de mélanger son gaz avec de l’hydrogène: aucune réaction.
[5] L’adjectif « rare » allait bien quand on se référait à la concentration d’argon dans l’atmosphère. Mais l’hélium étant le deuxième élément le plus abondant dans l’univers, ça n’est pas une nomenclature idéale. Rayleigh proteste déjà contre cette dénomination dans son discours Nobel.
[6] Cet hélium est produit par la désintégration alpha de l’uranium, et se retrouve piégé dans la roche jusqu’à ce qu’on l’attaque à l’acide.

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2 réflexions sur “Chasseurs de fantômes

  1. Pingback: Une histoire très superficielle | La Forêt des Sciences

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