1891, la tension superficielle d’Agnès Pockels

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Agnès Pockels [A]
L’expérience du poivre et du savon sur un film d’eau est un émerveillement sans cesse renouvelé pour les tout petits. Au collège, on apprend à caractériser les mélanges, et en particulier le mélange de l’eau et de l’huile. Arrivé au lycée, en classe de seconde, une des expériences les plus visuelles qu’on fait faire est l’expérience dite de Franklin (1706-1790). Elle permet avec quelques simples mesures et quelques calculs pas bien méchants de déterminer la longueur d’une molécule d’huile. Cependant, ce magnifique travail sur le film monomoléculaire n’est pas l’œuvre de Franklin[1] mais plutôt d’un lord anglais et d’une femme allemande, isolée et seule dans sa cuisine : Agnès Pockels (1862-1935).Son travail insolite fut publié avec l’amabilité de Lord Rayleigh (1842-1919), futur prix Nobel de Physique, et les articles qu’elle publia ensuite inspirèrent Langmuir (1881-1957) qui obtînt un prix Nobel de Chimie en 1932. La même année, en 1932, elle fut  récompensée du titre de docteur de l’Université de Brunswick[2], ville où elle résidait.

La cuisine est un laboratoire

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Friedrich Pockels [B]
Agnès Pockels est la grande sœur (de trois ans) de Friedrich Carl Alwin Pockels (1865-1913) qui a laissé son nom à un effet optique appelé effet Pockels[3]. Mais Agnès ne goutera pas les joies de la vie universitaire comme son frère qui enseignera à l’université de Göttingen[4]. Il lui procurera livres, cours et publications qui permettront à la jeune femme de faire sa propre éducation scientifique. Car à cause de parents malades, elle doit rester au foyer et s’occuper d’eux. Entre 1880 et 1883, dans la cuisine familiale, elle se rend compte du comportement anormal de l’eau en contact avec des surfaces solides : c’est ce qu’on appelle aujourd’hui la tension superficielle. Elle invente un petit dispositif avec un disque en liège et un système de poids pour mesurer la masse nécessaire pour élever ce petit disque de 6mm de diamètre posé à la surface du liquide. A partir de ce dispositif primaire, elle va faire toute une série d’observations et d’interprétations qui vont rester lettre morte pendant une dizaine d’années du fait de son isolement[5]. Par son frère, elle essayera bien de proposer ses résultats à l’Université de Göttingen mais sans succès. Elle se tourne alors vers Lord Rayleigh à qui elle envoie une lettre le 10 janvier 1891[6].

My lord, Will you kindly excuse my venturing to trouble you with a German letter on a scientific subject?

Pourquoi lord Rayleigh?

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Lord Rayleigh [C]
Si Agnès se tourne vers Lord Rayleigh, c’est que celui-ci vient de publier deux articles dans la revue Proceeding Royal Society  autour de la tension superficielle. Un de ces articles permet même de mesurer l’épaisseur d’une couche d’huile à la surface de l’eau. Jean Perrin, dans un article intitulé « Les hypothèses moléculaires »[7], rapporte que :

Lord Rayleigh a eu la curiosité de rechercher quelle épaisseur d’huile suffisait pour empêcher les mouvements du camphre. Il employait pour cela un grand bassin contenant l’eau sur laquelle on observait les mouvements ; il put alors s’assurer que, pour arrêter les mouvements en tous les points de la surface, il suffisait de déposer sur l’eau une goutte d’huile de poids si faible qu’une fois étendue à la surface de l’eau, elle ne pouvait avoir une épaisseur supérieure à deux millièmes de micron.

L’article de Lord Rayleigh publié en 1889[8] est très proche de la démarche qui est proposée au lycée.

Amusé et vivement intéressé par le début de la lettre, l’anglais demande à sa femme de traduire la lettre d’Agnès Pockels et il envoie dès le 2 mars un courrier à la revue scientifique hebdomadaire internationale : Nature. Dans le courrier qu’il adresse à Nature, Lord Rayleigh incite le Journal à publier les travaux d’Agnès Pockels dont il pense que l’intérêt est grand[9] :

Je vous serais reconnaissant de publier cette intéressante lettre que j’ai reçue d’une jeune femme allemande qui est parvenue à de très beaux résultats sur la tension superficielle avec un matériel élémentaire. Dans le début du courrier, les travaux de Miss Pockels recoupent les miens et dans la dernière partie elle semble suggérer, si elle n’y répond pas complètement, d’importantes questions. J’espère bientôt pouvoir reproduire les expériences de mademoiselle Pockels.

L’article sera publié le 12 mars 1891 sous le titre « Surface Tension »[10].

L’œuvre fondatrice de Pockels

Dans cet article, Agnès commence par exposer son dispositif :

J’utilise un récipient de 70 cm de long, 5 de large, 2 de haut, rempli à ras bord, et une bande métallique d’environ 1,5 cm de largeur, posée en travers d’un récipient de façon que sa face inférieure soit en contact avec la surface de l’eau, ainsi divisée en deux parties de surfaces ajustables. […] Je mesure la tension superficielle de l’eau en ajustant le poids d’une petite balance romaine de façon à décoller un petit disque (6 mm de diamètre) attaché à un fil et posé sur l’eau.

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La balance d’Agnès Pockels [D]
Avec son matériel de cuisine, elle établit un lien entre la surface en contact et la tension superficielle. Elle observe un maximum pour la tension superficielle même quand la surface augmente. Elle répète ses expériences sur différents liquides, comme l’huile et l’alcool. Elle étudie l’amortissement des vaguelettes qu’elle produit dans le bassin en fonction des impuretés qu’elle met dans l’eau. Elle étudie aussi l’influence de substances solides mises dans l’eau comme la farine ou le camphre sur la tension superficielle. Elle soumet que la température doit influer sur la tension superficielle mais ne réalise pas de recherches. Elle réalise que les substances dissoutes augmentent la tension superficielle de l’eau, alors que lorsqu’on ajoute à la surface de l’eau ces même substances (elle travaille avec du sucre et des pastilles de soude), la tension superficielle diminue drastiquement.
Agnès Pockels finit sa lettre en espérant ne pas avoir importuné le physicien qu’est Lord Rayleigh et s’excuse de son audace.
Dans cette étude, tout indique que ce sont les molécules déposées à la surface qui font varier la tension superficielle. A la suite de cet article, les recherches d’Agnès Pockels se poursuivent et elle publiera encore dans Nature, s’intéressant aux anomalies de la tension superficielle par des couches minces[11], à l’extension des huiles[12] etc. En tout ce sont 14 articles qu’elle publiera.

De la cuisine au prix Nobel

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Irving Langmuir [E]
A la suite de la publication de Rayleigh, Pockels proposera une méthode plus précise pour mesurer l’épaisseur d’un film monomoléculaire et obtiendra une valeur de 13 x 10-10 m[13]. Les travaux sur la tension superficielle, les couches monomoléculaires et les lames minces[14] vont s’intensifier. Notons que la diffraction X, qui permettra de mesurer les longueurs moléculaires n’apparaitra qu’en 1912[15]. Langmuir retrouvera le résultat de Pockels en 1917 seulement. Ce même Langmuir qui poursuivra l’œuvre d’Agnès Pockels jusqu’au prix Nobel, avec la complicité d’une autre femme oubliée… Ce sera une autre histoire.

Sources :
[1] Étienne BOLMONT , « L’expérience de Franklin », encore… BUP, n°833, avril 2001
[2] Technische Universität Braunschweig
[3] Pour les furieux : cours sur l’effet Pockels de l’ENS Cachan
[4] Wikipedia, Friedrich Carl Alwin Pockels
[5] Contributions of 20th Century Women to Physics
[6] Contributions of 20th Century Women to Physics
[7] Jean Perrin, Les hypothèses moléculaires, Revue scientifique, 15, 1901, p. 449-461
[8] Lord Rayleigh, Measurements of the Amount of Oil Necessary in Order to Check the Motions of Camphor upon Water, Proc. R. Soc. Lond. January 1, 1889 47 364-367
[9] Contributions of 20th Century Women to Physics
[10] Agnes Pockels, « Surface Tension », Nature, vol. 43,‎ 12 mars 1891, p. 437-439
[11] Agnes Pockels. Nature, 46 (sept. 1892).
[12] Agnes Pockels. Nature, 50 (1894), p. 223.
[13] Optics & Photonics news, Lord Rayleigh, a scientific life
[14] H.E. Devaux. Les lames très minces et leurs propriétés physiques. J. Phys. Radium, 1931, 2 (8), pp.237-272.
[15] J. De Vries. Historique de la diffraction et de la fluorescence des rayons X. Journal de Physique IV Colloque, 1996, 06 (C4), pp.C4-695-C4-701.


Sources images :
[A] Agnès Pockels – Technische Universität Braunschweig
[B] Friedrich Carl Alwin Pockels – Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices
[C] John William Strutt Rayleigh – Wikipedia
[D] La balance d’Agnès Pockels – Technische Universität Braunschweig
[E] Irving Langmuir – Wikipedia

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