Joseph von Fraunhofer

Joseph von Fraunhofer (6 mars 1787 – 7 juin 1826) était un opticien allemand qui fut le premier étudier et classer les lignes sombres qui apparaissent dans les spectres du soleil. De son vivant, il était connu comme le fabricant des meilleurs télescopes à lunette d’Europe. Il perfectionna également l’utilisation de réseaux fins, connus sous le nom de réseaux de diffraction, pour produire et analyser des spectres de lumière.

Biographie

Fraunhofer est né à Straubling, en Bavière, fils de Franz Xaver Fraunhofer et de Maria Anna Fröhlich. Le père de Fraunhofer était un artisan produisant du verre décoratif fin. À l’âge de 11 ans, Fraunhofer avait perdu ses deux parents et était apprenti chez Philipp Anton Weichelsberger, un fabricant de miroirs et de verres décoratifs. Bien que Fraunhofer ait dû apprendre beaucoup de choses sur la verrerie pendant son apprentissage, l’environnement était généralement oppressant et il n’était même pas autorisé à assister aux cours du dimanche réservés aux apprentis.

Un événement s’est produit en 1801 qui allait changer la vie de Fraunhofer et l’histoire de la science. Le complexe de Weichelsberger, qui abritait à la fois l’atelier de verre et les logements, a subi un effondrement, et Fraunhofer et la femme de Weichelsberger ont été piégés par les décombres. Mme Weichelsberger a perdu la vie dans l’incident, mais Fraunhofer, protégé par une forte traverse, a survécu.

La mort imminente et le sauvetage du jeune Fraunhofer ont attiré l’attention de Maximilien IV Joseph, prince électeur de Bavière, qui aurait été impliqué dans l’effort de sauvetage. Maximilien a invité Fraunhofer dans son château et a pu lui apporter un soutien financier. Maximilien fait également pression sur Weichelsberger pour permettre à Fraunhofer d’assister aux cours le dimanche et le confie à Joseph von Utzschneider, un avocat aux tendances entrepreneuriales.

Peu de temps après la rencontre de Fraunhofer et Utzschneider, ce dernier s’associa à Georg Reichenbach et J. Leibherr pour ouvrir l’Institut de mécanique mathématique Reichenbach Utzschneider Liebherr, consacré à la fabrication d’instruments d’arpentage nécessitant des lentilles de haute qualité pour leur fabrication.

D’apprenti à gestionnaire

En 1804, Fraunhofer, avec l’aide d’une subvention de Maximilien, tenta de créer sa propre entreprise, mais ne pouvait pas gagner assez pour subvenir à ses besoins et fut contraint de retourner chez son ancien employeur. Mais en 1806, Utzschneider offrit à Fraunhofer un poste à l’Institut, qui était maintenant situé à l’abbaye de Benediktbeuern, autrefois aux mains de l’ordre bénédictin. C’est là qu’il apprend l’art de la verrerie auprès de Pierre Guinand, qui avait déjà perfectionné certaines de ses propres innovations.

À partir de ce moment, Faunhofer a commencé à montrer sa valeur. En 1809, Fraunhofer se vit offrir un associé junior dans l’entreprise et fut chargé de ses opérations quotidiennes, ce qui, deux ans plus tard, signifiait la gestion d’un personnel de plus de 40 personnes. En 1812, Fraunhofer produisait des lentilles de réfraction de qualité d’un diamètre de sept pouces, une taille respectable pour une lentille télescopique à l’époque.

Fraunhofer voulait résoudre le problème de la coloration fantôme dans les images des télescopes et autres instruments optiques. Pour accomplir cette tâche, il a décidé d’analyser la lumière du soleil et le spectre des différentes couleurs qu’il produisait lorsqu’il traversait un prisme de verre. Afin d’examiner cet effet plus précisément, il a examiné le spectre de la lumière solaire à l’aide d’un télescope, et a ainsi inventé le premier spectroscope. Il a été surpris de trouver dispersés dans tout le spectre, des lignes sombres dont la position n’a pas changé. William Hyde Wollaston a observé quelques-unes des mêmes lignes en 1802, mais n’a tiré aucune conclusion forte du phénomène.

Lignes de Fraunhofer

En 1814, dans un mémoire intitulé « Traité des Pouvoirs de Réfraction et de dispersion des Différents Types de Verre », Fraunhofer publie les résultats de ses recherches sur les lignes sombres qu’il trouve non seulement dans les spectres du Soleil, mais aussi de la Lune, des étoiles et des flammes. Il a mesuré l’indice de réfraction pour les différentes raies, qui, parce qu’elles se trouvaient toujours au même endroit dans le spectre, étaient une indication de la manière dont les rayons d’une couleur particulière étaient réfractés. Il a utilisé les résultats de ses recherches pour atténuer les effets de la dispersion optique, qui est la source de coloration fantôme qui nuit aux images optiques claires.

En 1821, Fraunhofer a utilisé un treillis métallique pour explorer les effets de dispersion des petites fentes et a constaté que son treillis produisait un spectre de la lumière qu’il observait. Il a utilisé ce réseau de fils régulièrement espacés, deux millièmes de pouce d’épaisseur et espacés de quatre millièmes de pouce, pour calculer la longueur d’onde de la lumière d’une couleur particulière, un exploit accompli pour la première fois par Thomas Young en 1802.

Fraunhofer a ensuite utilisé des lignes gravées sur une plaque de verre recouverte de feuilles d’or pour produire le même effet que le treillis métallique. Un tel arrangement est appelé réseau de diffraction, et ses propriétés ont été examinées pour la première fois par l’astronome américain David Rittenhouse en 1786. Ritterhouse, cependant, n’a tiré aucune conclusion de sa découverte. Fraunhofer a publié ses découvertes en 1821 dans un mémoire intitulé « Nouvelle Modification de la Lumière par l’Influence Mutuelle et la Diffraction des Rayons, et les Lois de cette Modification. »

En tout, Fraunhofer a cartographié plus de 570 lignes, et a désigné les principales caractéristiques avec les lettres A à K, et les lignes plus faibles avec d’autres lettres.

Il a été découvert plus tard par Gustav Kirchhoff et Robert Bunsen que les lignes sombres sont dues à la présence d’éléments dans un] ou de vapeur à travers lesquels la lumière passe avant que son spectre ne soit analysé. Ces scientifiques ont découvert que certaines des lignes du soleil pouvaient être reproduites en faisant passer la lumière à travers la vapeur de sodium produite par la combustion du chlorure de sodium dans une flamme. Cela les a amenés à la conclusion que le sodium est présent dans le Soleil et que les raies de Fraunhofer dans le spectre solaire sont produites parce que la lumière du Soleil traverse sa propre atmosphère.

Certaines des raies de Fraunhofer dans la lumière du soleil sont dues à l’absorption par les éléments de l’atmosphère terrestre.

Les années suivantes

En 1820, Fraunhofer fut nommé associé à part entière de son cabinet et directeur de l’institut. Grâce aux beaux instruments optiques qu’il avait développés, la Bavière a dépassé l’Angleterre en tant que centre de l’industrie de l’optique. Même Michael Faraday était incapable de produire du verre qui pourrait rivaliser avec celui de Fraunhofer.

Son illustre carrière lui valut finalement un doctorat honorifique de l’Université d’Erlangen en 1822 et, la même année, il fut nommé gardien du musée de l’Académie royale des sciences de Munich. En 1824, le Roi de Bavière lui décerne l’Ordre du Mérite civil. Comme beaucoup de verriers de son époque empoisonnés par des vapeurs de métaux lourds, Fraunhofer meurt jeune, en 1826, à l’âge de 39 ans. On pense que ses recettes de verrerie les plus précieuses sont allées dans la tombe avec lui.

Lentilles de télescope

L’entreprise de Fraunhofer a équipé de nombreux observatoires respectables d’Europe de télescopes. Un télescope de réfraction de près de dix pouces de diamètre a été acheté par le gouvernement russe pour son observatoire à Dorpat. On dit que Fraunhofer avait l’intention d’exécuter une lentille de télescope de 18 pouces.

Legacy

Fraunhofer a inventé le spectroscope et a découvert 574 raies sombres apparaissant dans le spectre solaire. Il a également été très proche d’une découverte faite 40 ans plus tard qui reliait les motifs formés par ces lignes sombres à la composition chimique de la source lumineuse.

Fraunhofer a inventé le réseau de diffraction et, ce faisant, a transformé la spectroscopie d’un art qualitatif à une science quantitative en démontrant comment on pouvait mesurer la longueur d’onde de la lumière avec précision. Il a découvert que les spectres de Sirius et d’autres étoiles de première magnitude différaient les uns des autres et du soleil, fondant ainsi la spectroscopie stellaire.

En fin de compte, cependant, sa passion première restait l’optique pratique.

Bien que Fraunhofer ait étudié les raies sombres du spectre dans le but pratique d’améliorer l’optique, il était conscient de certaines des implications théoriques intéressantes de sa découverte. Il restait aux autres à révéler l’impact du travail de Fraunhofer. Une grande partie de la mécanique quantique, qui clarifie la relation entre les particules et les ondes, est basée sur une analyse des raies spectrales.

Malheureusement, Fraunhofer n’a pas laissé de détails sur la façon dont il fabriquait ses réseaux de diffraction, et ses résultats étaient difficiles à dupliquer en raison du temps nécessaire et de l’équipement coûteux impliqué. C’est peut-être pour cette raison que 40 ans se sont écoulés avant que des progrès appréciables ne soient réalisés sur son travail de pionnier.

Dans le domaine pratique, ses travaux ont résolu de nombreux problèmes auxquels les opticiens étaient aux prises concernant la distorsion chromatique qui sévissait dans les systèmes optiques. Les concepteurs ultérieurs de télescopes et de microscopes se sont appuyés sur ses succès.

Voir aussi

• Verre
• Gustav Kirchhoff
• Optique
• Robert Bunsen
• Spectroscopie
• Télescope

• Aller, Lawrence H. 1991. Atomes, Étoiles et Nébuleuses. 3e éd. Cambridge : Presses universitaires de Cambridge. ISBN 0-521-32512-9
• Anonyme. 1827. Pouvoirs réfractifs et dispersifs du verre. Revue trimestrielle étrangère. 1:424-434.
• Roi, Henry C. 2003. L’histoire du télescope. Mineola, New York: Douvres Publications. Il s’agit de la première édition de la série. 2000. Le Commandement de la Lumière: L’École de physique de Rowland et le Spectre. Philadelphie: Société philosophique américaine. ISBN 0871692384

Tous les liens récupérés le 8 juin 2018.

• Article de l’Encyclopédie catholique sur Joseph von Fraunhofer