L'histoire de la cristallographie

3.19.2014

Page web réalisée à l'occasion de la 19éme édition de la semaine de l'étudiant organisée par la faculté des sciences Semlalia Marrakech

3.18.2014

Introduction

De Gemmarum lapidumque, copie de 1539

S'appuyant sur des sources grecques

et latines il expose « la vertu » propre

à chaque pierre et un supposé usage médical

La cristallographie est la science des cristaux. Elle concerne la forme extérieure, la structure interne, la

croissance et les propriétés physiques des cristaux.

Le mot « cristal » d’origine grecque (krustallas) signifie « solidifié par le froid ».

Les grecs pensaient que le cristal de roche, le quartz, provenait de la transformation par le froid de la glace.

A travers les âges, les êtres humains ont découvert et observé des "cailloux" dont les formes et les couleurs les ont intrigués et ils leur ont attribué des symboliques particulières. Cet observation des cristaux est loin d'être récente. Déjà les Égyptiens connaissaient la turquoise et les gemmes (diamant, saphir, émeraude, rubis) étaient très appréciés au temps de l'antiquité. Strabon invente le mot Krystallos pour désigner le quartz1. Il est évident que les cristaux ont toujours fasciné tant par leur aspect translucide et coloré que par leur forme facettée. Ces deux aspects sont intimement liés aux propriétés physiques propres aux cristaux et au fait qu'ils soient ordonnés. Cependant cet ordre est resté fort longtemps incompris. L'histoire de la cristallographie s'étale principalement sur deux siècles (XIXe et XXe siècles).

À partir de la fin du xviiie siècle, l'approche que l'on va avoir du monde des cristaux va être d'ordre purement géométrique, inspirée en cela par l'extrême rigidité du monde minéral. Domaine réservé tout d'abord aux naturalistes, la cristallographie va prendre son envol en France essentiellement au cours des XIXe et XXe siècles et sera marquée principalement par trois figures : Jean-Baptiste Romé de l'Isle, René Just Haüy et Auguste Bravais.

3.17.2014

1619 - 1665

Johannes Kepler, né le 27 décembre 1571 à Weil
der Stadt, dans le Bade-Wurtemberg et mort le
15 novembre 1630 à Ratisbonne en Bavière,

est un astronome allemand célèbre pour avoir étudié
l’hypothèse héliocentrique de Nicolas Copernic, affirmant
que la Terre tourne autour du Soleil et surtout pour avoir
découvert que les planètes ne tournent pas autour
du Soleil en suivant des trajectoires circulaires
parfaites mais des trajectoires elliptiques.

Depuis très longtemps on pense que l’aspect extérieur des cristaux est lié à un ordonnancement interne régulier de la matière. Les premières indications sur cet ordre interne, se trouvent dans les travaux de Johannes Kepler en 1619, et de Robert Hoocke en 1665, ce dernier a été publier son livre "Micrographie "qui devient immédiatement un grand succès. Le livre présente ses observations réalisées à l'aide de microscopes et de télescopes. Ses très belles gravures sur cuivre sont particulièrement spectaculaires. Ses planches sur les insectes ainsi que le texte contribuent à faire avancer les observations faites à l'aide du nouveau microscope. Les planches sur les insectes sont dépliables et d'un format plus grand que le livre.

Même si ce livre est surtout célèbre pour ses observations faites à l'aide du microscope, Micrographie décrit aussi des corps planétaires lointains.

Robert Hooke, né le 18 juillet 1635 à Freshwater (Île de Wight)

et mort le 3 mars 1703 à Londres, est un des plus grands

scientifiques expérimentaux du xviie siècle et donc une des figures

clés de la révolution scientifique de l'époque moderne.

3.16.2014

1669

Niels Stensen est un anatomiste, géologue et évêque

d'origine danoise, né le 11 janvier 1638 à Copenhague

et mort le 26 novembre 1686 à Schwerin en Allemagne.

La première loi quantitative de la cristallographie (loi sur la constance des angles) a été entrevue en 1669 par

le danois Nils Steensen à partir de mesures des angles entre les faces de cristaux de quartz.

Il démontre que les faces d’un cristal font entre elles des angles dièdres qui sont constants pour une espèce cristalline donnée. Par contre le développement relatif des faces peut varier d’un échantillon à un autre. Les faces d’un cristal sont déterminées en orientation et non en position, ceci conduit à la loi de constance des angles.

Les sections droites du prisme de deux cristaux de quartz et

les normales aux faces du prisme. Pour tous les échantillons

de quartz étudiés on trouve que l’angle dièdre entre deux

faces successives est toujours rigoureusement égal à 120◦.

3.15.2014

1690

Christian Huygens, né le 14 avril 1629,

à La Haye et mort le 8 juillet 1695 dans

la même ville, est un mathématicien,

un astronome et un physicien néerlandais.

Il est le fils de Constantin Huygens.

À partir d’une étude sur la biréfringence de la calcite, Christian Huyghens a suggéré en 1690 que ces

propriétés optiques pourraient s’expliquer par des règles d’arrangement interne au sein du cristal.

Pour expliquer ce phénomène, Huygens supposa qu’en plus d’une onde sphérique primaire une onde secondaire ellipsoïdale se propageait dans le cristal de calcite. C’est au cours de cette étude que Huygens fit la découverte fondamentale de la polarisation des ondes lumineuses. Il observa que chacun des deux rayons lumineux réfractés par la calcite peut être éteint en le faisant passer à travers un second cristal de calcite, lorsque ce dernier cristal tourne autour de la direction du rayon lumineux émergent. Huygens fut ainsi le premier à suggérer que la lumière n’était pas une quantité scalaire.

3.14.2014

1772

Jean-Baptiste Louis Romé de L'Isle est un

minéralogiste français considéré comme l'un

des créateurs de la cristallographie moderne.

Il nait à Gray (Haute-Saône) le 26 août 1736

et meurt à Paris le 7 mars 1790.

C'est ainsi qu'en 1772 paraît l'Essai de cristallographie de Jean-Baptiste Louis Romé de L'Isle, qui orné de dix planches sur lesquelles sont gravées les formes de 175 cristaux. Il se peut que Romé ait écrit son livre pour essayer d'obtenir une reconnaissance et surtout une position à l'Académie. La même année en effet, il pose sa candidature au poste d'adjoint chimiste laissé vacant par Lavoisier, lui-même nommé associé auprès de l'Académie des sciences. Ce poste était manifestement très recherché, et il n'y eut pas moins de neuf candidats : outre Romé, Baumé, Bucquet, Veilard, Laborie, Mitouard et Demachy "ainsi que Mrs Rouelle et Darcet (Jean d'Arcet) en addition". Ce fut Antoine Baumé, Maître-Apothicaire qui fut nommé le 25 décembre 1772.

Dans sa Cristallographie, Romé définit de nombreuses espèces nouvelles : les minéraux qu'il a rapportés de ses voyages lointains, l'axinite de Bourg-d'Oisans, etc. Il y introduit de nouveaux termes tels que dièdres ou cristaux maclés, troncatures, qui resteront dans la littérature.

Shématisation de Jean-Baptiste Louis Romé de L'Isle: Le Cube ou l'Hexaèdre et ses modification

3.13.2014

1774

L'abbé René Just Haüy, né le 28 février 1743

à Saint-Just-en-Chaussée dans l'Oise et mort le 3 juin 1822

à Paris, est un minéralogiste français, fondateur, avec

Jean-Baptiste Romé de L'Isle, de la cristallographie géométrique.

La seconde loi (loi des indices rationnels ou des troncatures simples) a été énoncée en 1774 par l’abbé Réné-Just Haüy. Il avait remarqué que lors du clivage de cristaux de calcite, il obtenait des morceaux dont la forme était rigoureusement semblable à celle du cristal initial. Il a admis que les cristaux étaient constitués de parallélépipèdes identiques qu’il nommait « molécules intégrantes ». De cette proposition il découle que la position de chaque face d’un cristal peut être repérée dans l’espace par trois nombres entiers.

Les thèses de Haüy furent affinées par W. H. Miller qui introduisit les méthodes de la géométrie analytique en cristallographie et qui proposa un système de notation toujours utilisé actuellement.

Planches splendides utilisant les méthodes de projection de Monge et illustrant

la théorie physique des couches de décroissement, qu'il fait parfaitement

comprendre notamment à partir du rhombododécaèdre et du scalénoèdre de calcite.

Les couches de décroissement conduisent à la cristallisation du rhombododécaèdre

de pyrite et au scalénoèdre de calcite (Haüy : Traité de minéralogie).

3.12.2014

1782

1782 l'année de la découvert de la goniomètre par Arnould Carangeot le naturaliste et minéralogiste français qui né en 1742.

En radiocristallographie, le goniomètre est la partie du diffractomètre qui sert à déterminer les angles. Les mouvements sont motorisés.

Dans la majeure partie des cas, les angles sont déterminés par les ordres donnés aux moteurs (moteurs pas à pas) : lors de l'initialisation, l'appareil établit son zéro (par rapport à un point de référence, par exemple une encoche sur le goniomètre) ; l'angle correspondant au zéro du moteur est déterminé par une procédure d'alignement.

Dans le cas d'une mesure à haute résolution, il devient très long de stabiliser la position exacte des moteurs (la boucle de rétroaction génère des oscillations qui se réduisent au fur et à mesure). Dans ce cas, il est plus intéressant (gain de temps) de laisser le moteur se placer approximativement, puis de mesurer l'angle (mesure automatique, par exemple à l'aide d'un capteur optique).

Un goniomètre est un appareil ou un capteur servant à mesurer les angles

3.11.2014

1849

Auguste Bravais, né à Annonay le 23 août 1811

et mort au Chesnay, près de Versailles,

le 30 mars 1863, est un astronome et physicien,

minéralogiste et géologue français réputé pour

ses travaux fondamentaux en cristallographie,

en particulier les réseaux de Bravais et les lois

de Bravais

La contribution de Auguste Bravais à la cristallographie est particulièrement importante.

Dans son ouvrage de 1849, « Structure réticulaire des cristaux », il a énoncé le postulat suivant qui constitue la base de la cristallographie :

POSTULAT DE BRAVAIS :

Étant donné un point P, quelconque dans un cristal, il existe dans le milieu, une infinité discrète, illimitée dans les trois directions de l’espace de points, autour desquels l’arrangement de la matière est le même qu’autour du point P.

De ce postulat résulte la notion de réseau tridimensionnel cristallin et tous les problèmes de symétrie qui en découlent. Bravais a également introduit en cristallographie, la notion fondamentale de réseau réciproque (l’espace dual des mathématiciens).

Le postulat Bravais résulte la notion de réseau
tridimensionnel cristallin

3.10.2014

1895 : Découvert de Rayon X

Wilhelm Conrad Röntgen (27 mars 1845 à Lennep (de),

aujourd'hui un quartier de Remscheid, Allemagne - 10 février 1923

à Munich) est un physicien allemand. Il a découvert les rayons X,

ce qui lui a valu de recevoir le premier prix Nobel de physique en 19011.

Il a reçu la médaille Rumford en 1896.

À la fin du XIXe siècle, Wilhelm Röntgen, comme de nombreux physiciens de l'époque, se passionne pour

les rayons cathodiques qui ont été découverts par Hittorf en 1869 ; ces nouveaux rayons avaient été étudiés par Crookes2. À cette époque, tous les physiciens savent reproduire l'expérience de Crookes mais personne n'a eu d'idée d'application de ces rayonnements.

En 1895, Wilhelm Röntgen reproduit l'expérience à de nombreuses reprises en modifiant ses paramètres expérimentaux (types de cibles, tensions différentes, etc.). Le 8 novembre 1895, il parvient à rendre luminescent un écran de platinocyanure de baryum. Röntgen décide alors de faire l'expérience dans l'obscurité en plongeant son tube de Crookes dans un caisson opaque. Le résultat est identique à la situation normale. Röntgen place ensuite différents objets de différentes densités entre l'anode et l'écran fluorescent, et en déduit que le rayonnement traverse la matière d'autant plus facilement que celle-ci est peu dense et peu épaisse. Lorsqu'il place des objets métalliques entre le tube et une plaque photographique, il parvient à visualiser l'ombre de l'objet sur le négatif.

Röntgen en déduit que les rayons sont produits dans la direction des électrons du tube et que ce rayonnement est invisible et très pénétrant.

Comme il ne trouve pas de dénomination adéquate, Röntgen les baptise « Rayons X ». Ce rayonnement est encore souvent appelé Röntgenstrahlung (littéralement : « rayons de Röntgen ») en Allemagne, et que l'autre nom de la radiologie est encore aujourd'hui la röntgenologie.