Edmond Becquerel : la lumière et ses effets

Un symposium intitulé « Edmond Becquerel, une passion pour la lumière » a réhabilité les travaux précurseurs du physicien à l’occasion du bicentenaire de sa naissance.

Dans la famille Becquerel, vous connaissez sans doute Henri (1852-1908) pour sa découverte de la radioactivité et le prix Nobel de Physique qu’il partagea avec Marie et Pierre Curie en 1903. Mais de son grand-père Antoine (1788-1878) à son fils Jean (1878-1953), ce sont quatre générations de scientifiques qui se succèderont à la chaire de physique du Museum d’histoire naturelle de Paris.

À l’occasion du bicentenaire de sa naissance, la lumière a été mise sur les travaux du père d’Henri, Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Initialement programmé le 24 mars 2020, précisément à la date anniversaire, le symposium a été reporté et a eu lieu entièrement en ligne le 7 décembre. L’occasion de réhabiliter les découvertes importantes de ce grand expérimentateur.

Effet photovoltaïque

Le symposium mit beaucoup l’accent sur cette découverte relativement méconnue d’Edmond Becquerel, qu’il publia en 1839, la mettant en regard des performances et développements actuels dans le domaine. Il faut dire que le dispositif proposé par Becquerel n’a pas grand-chose à voir avec nos panneaux photovoltaïques en silicium. L’objectif de Becquerel n’est d’ailleurs pas de transformer l’énergie solaire en énergie électrique mais de pouvoir mesurer les effets de la lumière et son intensité par l’intermédiaire de courants électriques. Il n’a que 19 ans quand il conçoit ce qu’il appelle un actinomètre électrochimique. Deux plaques photosensibles recouvertes d’une couche de chlorure d’argent sont placées dans deux compartiments remplis d’eau acidifiée. Une plaque est exposée à la lumière tandis que la seconde est dans l’obscurité. Un galvanomètre permet de mesurer un faible courant électrique dû à l’exposition de la première plaque à la lumière : c’est l’effet photovoltaïque.

En utilisant son actinomètre électrochimique, Becquerel est le premier à montrer que des raies sombres du spectre solaire se trouvent au-delà du violet : la lumière ultraviolette (ce que l’on appelait alors les « rayons chimiques ») est de même nature que la lumière visible.

Photographie couleur

Inventé en 1839, le daguerréotype connait un succès immédiat. Edmond Becquerel s’intéresse alors à la photographie car il y voit un outil pour détecter et caractériser les spectres lumineux. Bertrand Lavédrine, professeur au Muséum national d’histoire naturelle présente les recherches du physicien dans ce domaine.

Conférence « Edmond Becquerel et la photographie », par Bertrand Lavédrine

En 1848, il propose ce que l’on considère comme les premières photographies couleur. Ses « images photochromatiques » sont obtenues par exposition d’une plaque de cuivre argenté sensibilisée avec du chlorure d’argent. Longs temps d’exposition, impossibilité de reproduction des photos, nécessité de conservation à l’obscurité…. Les défauts du procédé sont trop nombreux pour connaitre un succès commercial. Néanmoins, les résultats de ce procédé photographique direct sont saisissants. Soutenue en décembre 2018, la thèse de Victor de Seauve a permis de comprendre le principe physique, jusqu’ici inexpliqué, de la formation des couleurs.

Phosphorescence

Becquerel étudia en détail les phénomènes de photoluminescence. Il développa un appareil très ingénieux, appelé phosphoroscope, pour mesurer le temps de vie de fluorescence. Il s’agit de deux disques ajourés solidaires mais dont les ouvertures sont disjointes de telle sorte que la lumière incidente excitatrice n’est jamais transmise.

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Gravures du phosphoroscope de l’école Polytechnique © Collections École polytechnique (Palaiseau)

Le corps phosphorescent est placé entre les deux disques et une manivelle permet de faire tourner par le biais d’engrenages les disques jusqu’à 3000 tours par seconde. Lorsque la vitesse est trop lente, l’effet de phosphorescence est trop court pour que la lumière traverse l’ouverture du deuxième disque. La lumière de fluorescence est transmise au-delà d’une certaine vitesse de rotation qui permet de remonter au temps de déclin de fluorescence.

Lampe fluorescente

Ce symposium fut aussi l’occasion de vérifier la contribution d’Edmond Becquerel à l’histoire de l’éclairage. C’est Christine Blondel, historienne des sciences et également intervenante durant la conférence, qui me transmit la référence : Annales de chimie et de physique, 1859, t. 55, p. 92-97.

Dans ces quelques pages, Becquerel décrit « une nouvelle disposition pour étudier les phénomènes de phosphorescence dus à l’action de la lumière électrique ». Après avoir étudié des substances fluorescentes à l’aide de son phosphoroscope, il a en effet l’idée de les introduire « soit en fragment, soit en poudre » dans une lampe à décharge dans de « l’air raréfié » (c’est-à-dire à basse pression). Un schéma rudimentaire ressemblant étrangement à nos tubes fluorescents est proposé. Le tube est posé horizontalement avec les électrodes en platine aux deux extrémités ; les substances fluorescentes introduites reposent sur la paroi inférieure. La décharge électrique émet des rayonnements violets, caractéristiques de la luminescence de l’azote, qui vont eux-mêmes exciter les substances fluorescentes offrant une variété de couleurs.

Pour obtenir un tube fluorescent actuel, il aura fallu maitriser la décharge dans un gaz émettant suffisamment d’ultraviolets (le mercure), fixer les luminophores sur toute la paroi interne du tube, et surtout trouver des substances offrant de bons rendements de fluorescence et une lumière blanche de qualité acceptable. Près de 80 ans plus tard, les premiers tubes fluorescents seront commercialisés !

Dans tous ces domaines, Edmond Becquerel aura fait preuve d’une capacité d’innovation étonnante au service de la connaissance scientifique sur les effets de la lumière.

Approfondir le sujet

• Le meilleur des tubes fluorescents
• Domaine visible des couleurs de la lumière
• Louis et Auguste Lumière, pionniers du cinéma et de la photographie
• Symposium Edmond Becquerel, programme, 7 décembre 2020, Paris
• Philippe Jaussaud, Les Becquerel, des polytechniciens au service de la lumière. Seconde partie, Bibliothèque Diderot de Lyon, Interfaces, Fonds Anciens de la BU Lyon 1, Hypothèses, 10 octobre 2015

Dessin en tête de l’article : émission de phosphorescence des sulfures in E. Becquerel, La lumière, ses causes et ses effets (Fig.32) Paris: Didot, 1867.