Gerhard Herzberg Chimie physique

A remporté le Prix Nobel de Chimie en 1971 pour son utilisation de la spectroscopie afin de découvrir la géométrie interne et les états énergétiques dans les molécules simples, et plus particulièrement la structure et les caractéristiques des radicaux libres.

"Vous ne devriez pas faire de la science juste pour gagner de l’argent — faites de la science pour améliorer la culture humaine, et la connaissance. La vie doit avoir un but plus élevé que de juste survivre."

L'histoire

Gerhard Herzberg se penche sur les piles de papiers recouvrant son grand bureau. Il est complètement dépassé; en tant que directeur du département de Physique Pure du Conseil National de la recherche du Canada, l'automne 1959 est une période très chargée pour lui. Jack Shoesmith, son technicien de recherche, entre dans le bureau inondé de soleil et se dirige vers la fenêtre qui donne sur la rivière Ottawa. Il dit à Gerhard Herzberg, comme en passant : « J’ai un spectre intéressant à vous montrer. » 

Herzberg pense à toutes les rencontres et conférences qu'il doit organiser, l’article qu’il est en train d’écrire, les présentations qu’il prépare et le livre qu’il est en train d’essayer de finir, le troisième volume de sa série, qui comprend Spectre Moléculaire et Structure Moléculaire. « Je n'ai vraiment pas le temps pour ça, » pense t’il. « C’est vraiment intéressant, » insiste Jack.

« Il est bon, » dit Jack.

À contrecœur, Herzberg s'extrait de sa chaise et suit le jeune technicien dans l'escalier, vers le laboratoire situé un étage plus bas. C’est une grande pièce au plafond élevé, mal éclairée et qui dégage une odeur d'ammoniaque et de câbles électriques surchauffés. Il y a une odeur de vapeur d’ozone dans l’air, comme avant un orage. Ils passent le long du spectrographe construit par Shoesmith — un long tube d’acier d'environ 50 centimètres de haut et de 3 mètres de long. Des tuyaux à vide et des câbles électriques s'enroulent autour de la base de l'appareil, mais les pompes et l'électricité ont été coupées. La grande pièce est tranquille, à l’exception d’un petit groupe de gens qui s’est retrouvé dans un coin et qui chuchote.   

Herzberg se dépêche d'aller voir ce qu'ils sont en train de contempler : une longue et mince plaque de verre, couverte de lignes verticales semblant dessinées au hasard  — un spectrogramme — se trouve sur l’écran de visualisation. Herzberg reconnaît tout de suite ce dessin et prend la plaque pour l'examiner de plus près. Instantanément il s'exclame « Oui c'est bien ça ! » et il éclate de rire. « Dix-huit ans,” se dit-il, « ça fait dix-huit ans que je te cherche ! » 

La plaque qu’Herzberg tenait ce jour-là était le premier spectrogramme jamais réalisé d’un produit chimique simple appelé méthylène, une molécule formée d’un atome de carbone et de deux atomes d’hydrogènes, un de chaque côté, désigné par le symbole CH2. Mais pourquoi cette découverte était-elle si spéciale? Le méthylène est une molécule très instable, un radical libre  — une molécule de transition créée brièvement lors d'une réaction chimique, lorsque des molécules se rejoignent et se transforment en quelque chose de nouveau. Les radicaux libres ne vivent que pendant le temps qui est nécessaire aux atomes qui les constituent pour se réarranger avec d’autres molécules, afin de former de nouvelles molécules — quelques millionièmes de seconde — et c’est pourquoi il est extrêmement difficile d’obtenir le spectre d’entités aussi fugaces. Herzberg était ravi, car le spectre du radical libre CH2 était la clé qui permettait de prouver de nombreuses théories exceptionnelles concernant la structure interne et l’état énergétique des molécules. Ce spectre particulier identifié par Herzberg en 1959 finit par lui valoir la récompense du Prix Nobel en 1971.

Le jeune scientifique...

Lorsqu’il avait 12 ans et qu’il habitait à Hambourg en Allemagne, Herzberg et un ami appelé Alfred Schulz construisirent eux-mêmes un télescope. Ils polirent patiemment les lentilles de verre, et les placèrent dans des fixations faites à la main, dans un tube de métal. Lorsque les nuits étaient claires, ils prenaient le tramway pour aller dans le parc de la ville et installer leur télescope, afin de regarder la lune et les planètes. 

En 1933, Herzberg travaillait comme maître de conférences à l’université de Darmstadt en Allemagne quand les nazis promulguèrent une loi empêchant les hommes mariés à des femmes juives d’enseigner à l’université. Comme Herzberg avait épousé une femme juive en 1929 — Luise Oettinger, une spectroscopiste qui avait collaboré avec Herzberg lors de certaines de ses premières expériences — il commença à faire des projets pour quitter l'Allemagne vers la fin de 1933. Cette année-là il avait travaillé avec un physicien et chimiste de l’Université du Saskatchewan et qui était en visite en Allemagne. Spinks aida Herzberg à trouver un emploi à l’université de Saskatoon. Il était très difficile pour les scientifiques allemands de trouver un emploi à l’extérieur de l’Allemagne; des milliers d’entre-eux émigraient afin d’échapper aux nazis, et ils étaient tous en même temps à la recherche d’un emploi. Quand Herzberg et sa femme quittèrent l’Allemagne 1935, les nazis leurs permirent seulement de prendre l’équivalent de $2.50 chacun, ainsi que leurs affaires personnelles. Heureusement, avant de partir, Herzberg eut la possibilité d’acheter un excellent équipement de spectroscopie allemand, afin de l’emporter avec lui à Saskatoon. À cette époque il était impossible d’acheter un tel équipement au Canada.

Quitter l'Allemagne fut très douloureux pour les Herzberg, et ils n’avaient aucune idée de ce qui les attendait à Saskatoon. Mais le Saskatchewan s’avéra être une bonne expérience pour eux, bien que ce fut très différent de l’Allemagne. Durant les 10 années où ils y habitèrent, Herzberg enseigna la physique et écrivit son célèbre livre Spectre moléculaire. Ses enfants sont nés à Saskatoon. 

Après avoir vécu à Chicago pendant quelques années, Herzberg accepta un emploi au sein du Conseil National du Canada pour la Recherche à Ottawa, où il fut directeur du département de physique de 1949 à 1969. Durant cette période il effectua les découvertes en spectroscopie moléculaire qui lui valurent le Prix Nobel. Il travailla au Conseil National de la Recherche comme scientifique et chercheur émérite jusqu’à sa mort à l’âge de 94 ans le 4 mars 1999.

La science

Herzberg était physicien mais ses découvertes sont aussi importantes pour les chimistes, car elles concernent la géométrie interne et les états énergétiques des molécules. Rappelez-vous : au moment de la naissance de Herzberg, le concept d’électron commençait tout juste à faire son apparition. Lorsqu’il termina ses études universitaires on n’avait toujours pas découvert comment les atomes se combinent pour former des molécules ; toutes ces théories étaient nouvelles et très peu de choses avaient encore été prouvées.

 

En essayant de démontrer toutes ces idées excitantes, Herzberg devint un pionnier dans le domaine de la spectroscopie moléculaire, l’étude de la façon dont les atomes et les molécules émettent ou absorbent la lumière. En analysant des spectrogrammes — une espèce de photographie montrant comment une molécule émet et absorbe de la lumière  — il put apprendre beaucoup sur les molécules. En mesurant par exemple la distance entre les lignes d’un spectrogramme et en comptant combien de lignes il y avait, il fut capable d’appliquer certaines formules mathématiques qui décrivent les niveaux d'énergie et les locations probables des électrons dans la molécule. Tout ceci fut très utile aux chimistes, car ces connaissances nouvelles les aidaient à imaginer de nouvelles manières de combiner les produits chimiques afin de créer des substances nouvelles. 

Une fois que le spectre d’une molécule est connu, les astronomes peuvent également l’utiliser afin de caractériser la composition des étoiles lointaines et des nébuleuses, en pointant vers elles des spectrographes par l’intermédiaire de télescopes. C’est pratique si vous souhaitez savoir de quoi sont faites les étoiles, c’est aussi une manière d’apprendre ce qui se trouve dans l’espace, à des millions d’années lumières, sans devoir faire un voyage d'une longueur impossible pour visiter un endroit et y prélever des échantillons. C'est une des choses qui intéressaient véritablement Herzberg, car cela le rapprochait de son amour de jeunesse pour l'astronomie.

Un spectrogramme est réalisé à l’aide d’un appareil appelé spectrographe. L’appareil capture un rayon de lumière qui est créé par combustion du produit chimique particulier que l’on souhaite étudier. La lumière est concentrée par une lentille, puis passée au travers d'un prisme et décomposée dans les différentes parties qui la composent, comme un arc-en-ciel. Mais cet arc-en-ciel est très précis et apparaît sous la forme de lignes verticales claires et sombres qu’il est possible de mesurer.

Un spectrogramme est une longue feuille de verre recouverte de produits chimiques photographiques. Une fois exposées dans un spectrographe et développées, les feuilles portent des lignes verticales sombres. En mesurant l’espacement et l’épaisseur des lignes, les physiciens peuvent appliquer des formules mathématiques et déterminer certains des états d’énergie des molécules dont la lumière a produit le spectrogramme.

La distance entre les lignes les plus larges du spectre est proportionnelle à l’énergie « vibrationnelle » de la molécule. Les petits groupes de lignes concentrés autour des lignes principales représentent l’énergie “rationnelle” de la molécule. Ces lignes et leurs relations mathématiques sont appelées lignes de Balmer, d’après le nom du professeur de lycée suisse qui les a étudiées en 1885.

Le méthylène (CH2) est un radical libre, ce qui signifie qu’il possède une paire d’électrons supplémentaire qu’il essaye de partager avec une autre molécule. Ces électrons supplémentaires rendent le radical libre très réactif, ce qui signifie qu’il s’associera très vite, habituellement en quelques millionièmes de secondes, avec une autre molécule.

Mystère

Bien que cela puisse paraître bizarre Herzberg aimait, à la fin de sa vie, rappeler aux gens qu'ils ne devraient pas faire de la science afin de faire quelque chose d'utile. « Je ne l’ai pas fait pour être utile, » disait-il. « Les scientifiques se demandent comment certaines choses fonctionnent, ils essayent sans cesse de comprendre comment et pourquoi. Ils ne sont pas intéressés par les applications utiles de leurs recherches, car ils ne peuvent pas les voir. Si vous faites de la science pour faire quelque chose d’utile, alors vos chances de vraiment découvrir quelque chose d’utile sont bien moindres que si vous vous concentrez pour essayer de découvrir quelque chose d’essentiel. » D’après Herzberg, un vrai scientifique essaye des comprendre les mystères de la nature dans le seul but de faire avancer la connaissance humaine. L’utilité de cette connaissance devient évidente d'elle-même, une fois découverte. Des exemples primordiaux sont les rayons X et les rayons lasers, tous les deux ont été découverts par des physiciens qui n’avaient aucune idée à quel point leurs découvertes deviendraient utiles plus tard.

Pour continuer l’exploration

Gerhard Herzberg, Atomic Spectra and Atomic Structure, Dover, 1944.

J. Michael Hollas, Basic Atomic and Molecular Spectroscopy, Wiley-RSC, 2002.

Boris Stoicheff, Gerhard Herzberg: An Illustrious Life in Science, NRC Press, McGill-Queen’s University Press, 2003.

An introduction to spectroscopy on the NASA Goddard Space Flight Center website.

Carrière

Alors comme ça vous souhaitez devenir physicien

Quand Herzberg eut fini ses études secondaires à l’âge de 19 ans, il voulait absolument devenir astronome. A cette époque, il existait un bureau de conseil à Hambourg où les jeunes gens pouvaient aller pour obtenir des conseils sur leur carrière à venir. Herzberg s’y rendit et demanda à un conseiller : « Comment puis-je devenir astronome ? » Sa demande fut envoyée jusqu’au directeur du plus important observatoire de Hambourg, mais la réponse fut décevante : on lui expliqua qu’il devrait être riche afin de pouvoir subvenir à ses besoins en tant qu'astronome, car il était impossible de gagner sa vie en effectuant ce métier. On lui conseilla d’aller à l’université pour étudier la physique à la place.

Il n’avait toujours pas les moyens de payer ses études supérieures, mais il écrivit à l’une des plus importantes sociétés de constructions navales de l’époque, Hugo Stinnes Lines, et il eut la chance d’obtenir une bourse qui lui suffit à survivre en suivant ses cours à l’université, prélude d’une vie et d’une carrière entièrement consacrée à la physique.

La personne

Date de naissance
25 décembre 1904
Lieu de naissance
Hambourg, Allemagne
Date de la mort
4 mars 1999
Endroit de la mort
Ottawa, Ontario
Résidence
Ottawa, Ontario
Membres de famille
  • Père : Albin H. Herzberg
  • Mère : Ella Biber
  • Épouse : Monika Tenthoff
  • Enfants : Paul, Agnes
Personnalité
Jovial, modeste
Musique préférée
Le quatuor pour flûte, violon, alto et violoncelle de Mozart
D'autres intérêts
Chanter, musique, randonnées en montagne
Titre
Scientifique distingué de recherches
Bureau
Institut de Herzberg de l'astrophysique, NRC, Ottawa
Situation
Deceased
diplomes
  • Diplôme d’ingénieur, Institut de technologie de Darmstadt, 1927
  • PhD, Institut de technologie de Darmstadt, 1928
  • Privatdozent (post doctorat), Université de Göttingen, 1929
  • Diplômes honoraires des universités d’Oxford, de Cambridge, de Chicago te nombreuses autres
Recompenses
  • Médaille H. M. Tory (Société Royale du Canada), 1953
  • Médaille d’or Joy Kissen Mookerjee (Association Indienne pour le développement de la science), 1954
  • Médaille d’or (Association Canadienne des physiciens), 1957
  • Médaille de la Société de spectroscopie appliquée, 1959
  • Médaille Frederic Ives (Société Optique d’Amérique), 1964
  • Médaille Willard Gibbs (Société de chimie d’Amérique), 1969
  • Médaille Faraday (Société de chimie de Londres), 1970
  • Médaille Royale (Société Royale de Londres), 1971
  • Médaille Linus Pauling (Société américaine de chimie), 1971
  • Prix Nobel de chimie (Académie royale suédoise des sciences), 1971
  • Médaille de l’Institut de Chimie du Canada, 1972
  • Prix Earle K. Plyler (Société Américaine de physique), 1985
  • Médaille Jan Marcus Marci Memorial (Société tchécoslovaque de Spectroscopie), 1987
  • Planète mineure 3316-1984 CN1 officiellement nommée “Herzberg,” 1987
Mentor
Hans Rau, son conseiller de thèse à l’Institut de technologie de Darmstadt en Allemagne, qui a inspiré Herzberg à trouver un problème particulier à étudier, puis a soutenu ses études précoces de spectroscopie moléculaire et l’a envoyé rencontrer Erwin Schrödinger, le brillant physicien viennois.
Dernier mis à jour
10 mars 2011
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