Prismes et flamme non lumineuse : la collaboration d’Heidelberg qui a révélé la spectroscopie chimique

En 1859, à l'université d'Heidelberg, le chimiste Robert Bunsen présenta un brûleur à gaz nouvellement conçu au physicien Gustav Kirchhoff. Bunsen avait mis au point ce brûleur afin de produire une flamme non lumineuse qui n'altérait pas les couleurs émises par les échantillons chimiques chauffés. Lorsque Kirchhoff suggéra de faire passer la lumière de cette flamme colorée à travers un prisme en verre pour en séparer les longueurs d'onde composantes, les deux chercheurs créèrent le spectroscope. Selon le Science History Institute, cet instrument transforma l'identification chimique en utilisant la réfraction optique plutôt que les réactions liquides traditionnelles pour révéler les signatures élémentaires.

Deux parcours distincts vers Heidelberg

Avant leur collaboration, les deux scientifiques avaient suivi des parcours de recherche dangereux ou exigeants physiquement à travers l'Europe. Bunsen obtint son doctorat à l'université de Göttingen en 1830 et reçut une bourse de voyage de trois ans qui le conduisit dans de grands établissements, notamment le laboratoire de Joseph Louis Gay-Lussac à Paris. Ses premiers travaux en chimie organique coûtèrent à Bunsen l'usage de son œil droit lorsqu'un échantillon de cyanure de cacodyle explosa. Il mena également des recherches de terrain en géologie, effectuant des mesures de température directes à l'intérieur du Grand Geysir d'Islande juste avant une éruption. Kirchhoff, un physicien prussien formé à Königsberg qui apporta des contributions fondamentales à la théorie des circuits électriques, surmonta un handicap permanent qui l'obligeait à utiliser un fauteuil roulant ou des béquilles. Les deux chercheurs se rencontrèrent en 1851 à l'université de Breslau, et après que Bunsen se fut installé à Heidelberg en 1852, il s'arrangea pour que Kirchhoff l'y rejoigne.

Optique réfractive et raies d'absorption

À Heidelberg, Bunsen se concentra sur les techniques de séparation et de mesure des substances chimiques. Il développa le bec Bunsen spécifiquement pour s'assurer que la flamme du brûleur restait non lumineuse, empêchant sa propre lumière d'obscurcir les couleurs caractéristiques produites par les métaux et les sels chauffés. Kirchhoff comprit qu'en faisant passer ces lumières générées par la flamme à travers un prisme en verre triangulaire, on les décomposait en spectres d'émission distincts. De plus, Kirchhoff démontra que projeter une lumière vive à travers une flamme produisait des raies sombres dans le spectre d'absorption dont les longueurs d'onde précises correspondaient aux raies brillantes et nettes du propre spectre d'émission de la flamme. En associant des longueurs d'onde optiques à des éléments spécifiques, le spectroscope offrait un mécanisme clair pour différencier des substances qui produisaient à l'œil nu des flammes colorées trompeusement similaires.

Déceler l'invisible : le césium et le rubidium

L'instrument optique rendit rapidement incomplètes les méthodes d'isolement traditionnelles. Avant 1860, les 50 premiers éléments découverts au-delà du savoir antique avaient été isolés exclusivement sous forme de produits bruts par des réactions chimiques standard ou par électrolyse. Grâce à leur spectroscope en 1860, Bunsen et Kirchhoff identifièrent deux métaux alcalins jusqu'alors inconnus — le césium et le rubidium — en observant leurs raies spectrales distinctes plutôt qu'en pesant ou en précipitant des rendements bruts. Cette avancée réorienta la chimie, la faisant passer de l'isolement d'éléments à macro-échelle à la détection d'éléments traces à micro-échelle dans des échantillons complexes.

Attirer une nouvelle génération à Heidelberg

L'invention du spectroscope modifia durablement l'analyse chimique en prouvant que d'infimes quantités d'éléments pouvaient être identifiées grâce à des signatures optiques. Bunsen passa quarante ans à Heidelberg, où les nouvelles méthodes d'analyse du laboratoire attirèrent de jeunes chimistes prometteurs venus de toute l'Europe, notamment Dmitri Mendeleïev et Julius Lothar Meyer. Aujourd'hui, le principe fondamental établi par Bunsen et Kirchhoff — identifier la matière par la façon dont elle émet et absorbe la lumière — reste un outil essentiel pour l'analyse chimique dans l'ensemble des disciplines de laboratoire.

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Source: Robert Bunsen and Gustav Kirchhoff