Estimation de la taille d’une molécule unique
Comment Benjamin Franklin et Lord Rayleigh ont calculé la taille des molécules avec seulement de l’huile et de l’eau
- Des décennies avant la découverte des rayons X et l’invention de microscopes puissants, Lord Rayleigh a calculé la taille d’une molécule unique avec seulement de l’huile, de l’eau et un stylo
- Son inspiration venait de Benjamin Franklin
L’expérience de Franklin
- Lors d’une visite à Londres vers 1770, Franklin observa pendant une traversée de l’Atlantique que lorsque de l’huile était jetée à la mer depuis un navire, les vagues se calmaient
- Il mena une expérience en versant une petite quantité d’huile dans l’étang de Clapham Common à Londres
- Il constata que l’huile se répandait rapidement à la surface de l’étang et rendait l’eau lisse
- Franklin répéta l’expérience plusieurs fois et en prit des notes détaillées, mais n’en comprit pas la signification moléculaire
La réinterprétation de Lord Rayleigh
- Lord Rayleigh, universitaire de l’université de Cambridge et physicien renommé, réinterpréta l’expérience de Franklin sous un angle nouveau
- En 1890, Lord Rayleigh déposa sur l’eau une petite quantité d’huile d’olive mesurée avec précision, puis mesura la surface sur laquelle l’huile s’était étalée
- Il estima l’épaisseur du film d’huile en divisant le volume d’huile par la surface
- En supposant que le film d’huile formait une monocouche moléculaire, il calcula l’épaisseur du film comme la longueur d’une molécule
Les résultats de Lord Rayleigh
- Le résultat du calcul de Lord Rayleigh était d’environ 1,63 nanomètre
- La longueur réelle de la molécule de triacylglycérol, principal composant de l’huile d’olive, est d’environ 1,67 nanomètre, ce qui signifie que l’estimation de Lord Rayleigh n’avait qu’une marge d’erreur d’environ 2 %
- Son expérience montre qu’il est possible d’obtenir une intuition scientifique profonde avec des outils simples
Pour aller plus loin
- Le livre de Charles Tanford, "Ben Franklin Stilled the Waves", explore en profondeur l’histoire de cette expérience de la goutte d’huile
Le résumé de GN⁺
- Cet article montre qu’il est possible de réaliser des découvertes scientifiques importantes avec des outils expérimentaux simples
- Les expériences de Benjamin Franklin et de Lord Rayleigh soulignent à quel point la curiosité scientifique et la créativité sont importantes
- Cet article sera utile à celles et ceux qui s’intéressent à l’histoire des sciences et à la méthodologie expérimentale
- Parmi d’autres projets aux objectifs similaires, on peut citer "Science Experiments You Can Do At Home"
1 commentaires
Commentaires sur Hacker News
En 1676, Rømer a estimé la vitesse de la lumière en mesurant les heures de révolution d’Io, un satellite de Jupiter
Lorsque la Terre se rapprochait de Jupiter, Io semblait sortir de derrière Jupiter un peu plus tôt à chaque fois ; lorsqu’elle s’en éloignait, il semblait en sortir un peu plus tard, et l’écart horaire atteignait jusqu’à 22 minutes au cours d’une année
Comme on connaissait la différence entre les deux distances, il a calculé que la lumière parcourait cette distance en 22 minutes, ce qui donnait 227 000 km/s. Quand on pense que la valeur réelle est d’environ 300 000 km/s, c’est plutôt remarquable
J’aime toujours les histoires où une observation très précise, que la plupart auraient pu manquer, révèle une propriété bien plus profonde de l’univers
Le fait qu’Ératosthène ait déterminé la taille de la Terre à quelques pourcents près grâce aux ombres en est un exemple bien connu
https://en.wikipedia.org/wiki/R%C3%B8mer%27s_determination_o...
https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light#First_measureme...
Un autre aspect intéressant de l’utilisation des horaires d’éclipses de satellites est que Galilée avait proposé d’utiliser le système des satellites de Jupiter comme une horloge cosmique pour déterminer l’heure, et donc la longitude
En calculant à l’avance, avec précision, les horaires des éclipses des satellites de Jupiter, puis en les comparant aux observations faites sur terre ou en mer, on pouvait obtenir l’heure locale et la longitude
https://en.wikipedia.org/wiki/Galilean_moons#Determination_o...
C’est étonnant d’être arrivé aussi près de la véritable vitesse de la lumière avec seulement un télescope et des mesures de temps soigneuses
La vitesse de la lumière est si élevée qu’elle est la valeur la plus précise parmi les constantes physiques connues : 299 792 458 m/s
L’écart avec 300 000 000 m/s étant inférieur à 7/1000, ce n’est vraiment pas un détail dont il faut se soucier
La lumière ne parcourt que 0,3 m en 1 nanoseconde, soit 11,802 pouces
https://www.youtube.com/watch?v=9eyFDBPk4Yw
Cela me rappelle l’expérience de la goutte d’huile de Millikan et Fletcher. Cette expérience mesurait la charge de l’électron
En résumé, ils mesuraient le temps de chute dans l’air de gouttelettes d’huile finement pulvérisées pour en déterminer le volume, puis appliquaient un champ électrique connu afin de maintenir les gouttelettes en suspension
Les charges calculées par molécule se regroupaient autour de multiples d’une valeur plus petite, et cette petite valeur était la charge d’un seul électron
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
Ils avaient d’abord tenté une expérience de la goutte d’eau similaire. L’idée était la même, à ceci près qu’ils utilisaient de l’eau au lieu d’huile
L’échec venait du fait que la lampe brillante utilisée pour voir les gouttes faisait évaporer l’eau trop rapidement. Un échec assez compréhensible
Il y a toujours plus de contexte à cette histoire
https://www.scribd.com/document/661270387/My-Work-with-Milli... Fletcher & Millikan
https://www.youtube.com/watch?v=B-uWaEvXqbA
Comment peut-on être sûr que le résultat n’était pas 2e ou un autre multiple ?
J’aime ce genre d’article. Dans l’enseignement des sciences, les lois et les théories étaient trop souvent présentées comme des choses qu’il fallait simplement mémoriser, alors que la façon dont elles ont été découvertes et résolues à l’origine me semble bien plus intéressante et inspirante
Je me souviens avoir dû apprendre quantité de voies biochimiques, mais j’ai quitté l’école en sachant à peine comment ces voies avaient été mises au jour au départ
Je suis aussi preneur de recommandations d’autres articles ou livres sur la manière dont les théories scientifiques ont été découvertes à l’origine
Je me demande si tu as reçu ton enseignement de physique au lycée ou à l’université. Dans une université américaine, j’ai suivi un seul cours de physique pour ma spécialité : c’était de l’électrodynamique quantique pour l’ingénierie électrique, et le professeur avait écrit lui-même le manuel
Je me souviens qu’il reprenait chaque expérience depuis les bases : les fondements de la compréhension de l’atome, la conception de la lumière à l’époque de Newton, l’expérience des fentes de Young, les équations de Maxwell, l’expérience de Michelson-Morley sur l’éther, la dérivation et la vérification expérimentale de la relativité générale, puis la façon de ramener la relativité générale à la mécanique newtonienne et aux lois de l’électromagnétisme
Le fait que des gens aient découvert tout cela à partir des premiers principes me paraît encore merveilleux
Je ne l’ai pas encore lu, mais j’ai réservé à la bibliothèque un livre que quelqu’un recommandait sur Reddit
How to Make an Apple Pie from Scratch: In Search of the Recipe for Our Universe, from the Origins of Atoms to the Big Bang
https://www.publishersweekly.com/9780385545655
L’histoire de la découverte de la quantification de la charge de l’électron devrait aussi correspondre à tes centres d’intérêt : https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
À l’université, je l’ai fait moi-même avec du courant continu de plusieurs centaines de volts, et même si c’était un peu effrayant, c’était assez amusant de collecter les données puis de les analyser dans Excel et de voir les chiffres tomber juste.
J’ai récemment lu Chasing the Molecule de John Buckingham, et j’ai beaucoup aimé.
Le livre offre un panorama de l’histoire de la chimie moderne à la fois accessible et suffisamment approfondi.
Il raconte aussi très bien les parcours de personnages moins connus qui ont fait énormément avancer la chimie, ainsi que ceux de figures célèbres qui, en s’accrochant à des théories erronées, ont au contraire freiné les progrès.
Le livre est assez court, ce qui le rend encore plus facile à lire.
Les notions souvent enseignées sont présentées comme si elles avaient été données par révélation, certaines et définitives, avec des origines transmises de manière mystérieuse. Ce n’est pas une bonne façon d’aborder la science.
On peut dire que la possibilité même de la science repose sur certains articles de foi, mais les découvertes scientifiques particulières relèvent de la preuve empirique, de l’interprétation de cette preuve, et de l’argumentation fondée sur cette preuve interprétée.
À cela s’ajoutent des hypothèses de travail qui jouent discrètement un rôle majeur, et je pense que cet aspect n’est pas suffisamment traité.
Cela soutient aussi l’idée qu’une grande partie de l’activité scientifique est mue davantage par des motivations et des habitudes pratiques que par des motivations théoriques.
Tout à fait. Les grands enseignants de sciences comprennent la force du récit des découvertes scientifiques.
Cosmos de Carl Sagan et certaines des excellentes conférences de Richard Feynman me viennent à l’esprit comme exemples parmi les plus mémorables.
Je suis convaincu que les bons enseignants y mêlent les dimensions historiques et humaines, ce qui apporte même aux sujets arides un point de vue essentiel et des points d’ancrage naturels pour la mémoire.
« Rayleigh a estimé l’épaisseur du film d’huile en divisant le volume d’huile par la surface qu’elle recouvrait. En supposant que l’huile formait une couche d’une seule molécule, c’est-à-dire une monocouche, l’épaisseur du film d’huile était égale à la longueur d’une molécule d’huile.
C’est ainsi que Lord Rayleigh est devenu le premier à déterminer la taille d’une molécule individuelle, bien avant que quiconque puisse voir de telles molécules. »
C’est intéressant, mais l’hypothèse selon laquelle l’huile s’étale jusqu’à une épaisseur minimale d’une seule molécule n’était-elle pas encore assez spéculative ?
N’y avait-il pas lieu de soupçonner qu’elle pouvait rester plus épaisse à cause de la tension de surface ? Ou bien existait-il d’autres indices suggérant qu’il s’agissait effectivement d’une monocouche ?
Elles tendent toutes à aller vers le point le plus bas, et la résistance à l’étalement de l’huile pourrait être relativement bien plus faible que la gravité qui tend à l’aplatir.
Cet effet changerait lorsque la couche passe, en moyenne, d’une épaisseur supérieure à une molécule à une épaisseur inférieure.
Il est très possible qu’en repérant expérimentalement ce point de transition, on ait pu obtenir l’épaisseur de la couche moléculaire à partir du volume d’huile.
Il n’y a pas de raison évidente pour que le volume occupé par chaque molécule d’huile lorsqu’elle est entourée de molécules d’huile de tous côtés soit le même que lorsqu’elle a de l’air au-dessus et de l’eau au-dessous.
Quelqu’un saurait-il expliquer pourquoi cela tient ?
Par exemple, une cuillère à café d’huile peut s’étaler sur 1 m², 2 m² ou n m², et à un certain point l’épaisseur du film passera de m à 1, puis à moins de 1.
« En supposant que l’huile formait une couche d’une seule molécule, c’est-à-dire une monocouche, l’épaisseur du film d’huile était égale à la longueur d’une molécule d’huile. »
Comment savait-il que ce film d’huile avait une seule molécule d’épaisseur ?
Cela ressemble à une énorme hypothèse, mais cet article de blog a peut-être omis quelque chose.
L’article de blog semble avoir sauté ce point, mais l’article original en lien est assez court : https://www.damtp.cam.ac.uk/user/gold/pdfs/teaching/old_lite...
L’expérience de Rayleigh visait en réalité à déterminer l’épaisseur minimale d’huile nécessaire pour empêcher des morceaux de camphre de se déplacer à la surface de l’eau.
Ce n’est pas dit explicitement, mais l’hypothèse semble être que l’épaisseur minimale qui arrête le mouvement des morceaux correspond à l’état où le volume d’huile recouvre « tout juste » la surface, autrement dit où il y a partout une épaisseur d’une molécule, empêchant les morceaux de toucher l’eau.
Il semble y avoir là une idée un peu plus subtile liée à la tension de surface, mais cette partie dépasse un peu ma compréhension.
Si l’on répète l’expérience plusieurs fois avec des gouttes de tailles différentes, on constate que la couche d’huile a toujours à peu près la même épaisseur.
C’est une observation intéressante qui demande une explication, et l’hypothèse selon laquelle l’épaisseur de la couche d’huile correspond à la longueur d’une molécule est probablement l’explication la plus naturelle et la plus plausible.
Bien sûr, il faut ensuite chercher des confirmations. Historiquement, qu’est-ce qui l’a confirmé par la suite ?
Il y a une intuition selon laquelle un fluide mince posé sur une surface à faible frottement, par exemple sur de l’eau, finira après suffisamment de temps par s’étaler « autant que possible ».
Il peut y avoir des facteurs perturbateurs, mais comme hypothèse dans le raisonnement, cela semble raisonnable.
Il n’était pas nécessaire de le « savoir » ; une hypothèse est acceptable, et celle-ci ne me paraît pas si énorme.
Oui. Cette expérience donne en réalité plutôt une borne supérieure de la taille des molécules dans une direction donnée.
Cela reste un résultat très utile.
Les scientifiques doivent souvent formuler des hypothèses pour avancer.
Un exemple célèbre est Darwin : sans connaître la nature physique de l’ADN ni avoir de notion de la manière dont les gènes changent — par exemple comment des mutations de l’ADN produisent des adaptations et rendent les organismes mieux adaptés —, il a tout de même compris que les caractères se transmettent par sélection naturelle et que cela constitue le moteur de l’évolution.
J’aurais aimé qu’il y ait à l’école une matière du type conception d’expériences scientifiques.
Un cours qui expliquerait le déroulement des grandes expériences historiques depuis l’Antiquité, et qui poserait sans cesse aux élèves des questions de ce genre : « Dans ces contraintes, comment concevriez-vous et mèneriez-vous une expérience pour estimer la taille de la Terre ? Comment réfuteriez-vous le phlogistique et l’éther luminifère ? Comment mesureriez-vous la vitesse de la lumière ? »
C’était vraiment un travail héroïque, et Michelson était un génie.
J’ai fait cette expérience huile/eau en TP de physique ou de chimie de première année : elle a été menée à toute vitesse, tout le monde s’est contenté du minimum, et les enseignants sont passés à la suite avec très peu d’explications.
Pour faire fonctionner correctement une expérience de physique, il faut être obsessionnel dans la consignation des détails et avoir aussi une forte intuition.
Comme on ne connaît pas la bonne réponse, il faut concevoir l’expérience de façon à pouvoir distinguer « l’hypothèse est fausse » de « l’équipement ne fonctionne pas ».
Par exemple, lorsque LIGO a été mis en marche pour la première fois, il a capté presque immédiatement un excellent événement, mais personne n’a lancé une fête sur-le-champ.
Au début, ils ont supposé qu’il y avait un problème avec la machine et l’ont ignoré ; ce n’est qu’après une analyse a posteriori substantielle et des vérifications de corrélation qu’ils ont conclu qu’il s’agissait d’un événement réel.
Le titre de ce fil semble incorrect. L’article original dit : « la petite expérience menée par Rayleigh en 1890, directement inspirée des observations de Franklin, est beaucoup moins connue ».
Donc Rayleigh a calculé la taille des molécules en 1890, et non en 1870. En 1870, Rayleigh était encore jeune et n’était pas connu pour des travaux originaux.
Il est exact que Rayleigh a conçu une nouvelle méthode pour déterminer la taille des molécules, mais il est aussi important de rappeler que le premier à avoir déterminé avec succès la taille et la masse des molécules fut Johann Josef Loschmidt, en 1865.
https://en.wikipedia.org/wiki/Johann_Josef_Loschmidt
La publication par Loschmidt de la masse et de la taille des molécules d’air est l’un des jalons les plus importants de l’histoire de la physique.
Avant 1865, la théorie atomique remise au goût du jour par Dalton pouvait encore être considérée comme un modèle hypothétique expliquant les réactions chimiques et certains aspects de la thermodynamique, avec la possibilité qu’elle soit fausse ou remplacée par un meilleur modèle.
À partir de ce moment, les atomes et les molécules pouvaient être pesés et comptés, et leur réalité n’était plus mise en doute.
Le seul fait que Loschmidt ait déterminé la taille et la masse des molécules d’air permettait, à partir des masses atomiques relatives déjà connues et obtenues via les réactions chimiques, de déterminer la taille et la masse d’autres atomes et molécules connus.
Quelques années plus tard, en 1874, George Johnstone Stoney utilisa les résultats de Loschmidt ainsi que la théorie de l’existence d’une charge élémentaire publiée par Maxwell en 1873 pour calculer la valeur de la charge élémentaire.
Stoney donna ensuite à cette charge élémentaire le nom d’« electron », qui est devenu la racine de nombreux mots de la science et de la technologie modernes, d’electronics à hadron.
J’ai reproduit cette expérience dans l’un de mes cours de physique à l’université.
Cela demandait pas mal de travail, et les résultats n’étaient pas aussi bons que dans l’expérience originale, mais c’était très instructif et intéressant.
Les exigences en matière d’équipement restaient tout à fait raisonnables pour un laboratoire de physique de premier cycle ; si vous en avez la possibilité, je recommande vivement de l’essayer vous-même.
https://www.atomsonly.news/p/franklin-oil
La raison pour laquelle ce domaine a été suspendu : depuis janvier 2014, tous les bureaux d’enregistrement accrédités par l’ICANN, comme Namecheap, doivent vérifier les coordonnées des clients qui enregistrent un domaine, c’est-à-dire le Registrant Whois.
Cela inclut aussi les modifications des coordonnées.