Histoire de la Luminescence

Le XVIIIème siècle : le siècle des lumières est aussi le siècle de la luminescence !

Au XVIIIème siècle, la connaissance évolue rapidement.

Le premier livre de ce siècle traitant de la luminescence est le livre de Francis Hanksbee intitulé « Physico-mechanical Experiments » (1ère édition en 1709 et une autre en 1719) qui aborde la luminescence produite par frottement des flacons sous vide et associée à un champ électrique.
Le 18ème siècle sera d’ailleurs le siècle qui marquera le début de l’étude de l’électricité.
On peut presque comparer l’impact qu’auront les expériences d’Hanksbee sur l’électroluminescence à celui de la découverte de la pierre de Bologne par Casciarolo au 17ème siècle.

En 1715 de Mairan (1678-1771) publie à Paris un essai de 54 pages sous le titre « Dissertation sur la cause de la lumière des phosphores et des noctiluques ». de Mairan était non seulement un scientifique mais également un littéraire, intime de Voltaire. Il publie entre autres les « Lettres de Chine ».
Plus tard en 1733, il s’intéressera et deviendra célèbre grâce à sa théorie sur les aurores boréales publiées dans son « Traité Physique et Historique de l’Aurore Boréale ». Dans cet essai, de Mairan discute de la nature de la lumière et présente les deux théories en vigueur à son époque (ondulatoire et corpusculaire) et opte pour la théorie corpusculaire. Il classe les phosphores en deux catégories : les phosphores naturels (luminescence du diamant, triboluminescence du sucre, aurores boréales, feux de st Elme, bioluminescence des vers luisants, les lucioles, luminescence du bois putrifié etc.) et ceux artificiels crées par l’homme (phosphore de Kunckel, de Balduin, de Homberg, pierre de Bologne et luminescence du mercure dans les baromètres). Il explique leur luminescence par le mouvement et l’agitation des corpuscules qu’ils contiennent à cause d’une « fermentation » ou d’une agitation externe (frottement par exemple)
MAIRAN, Jean Jacques d'Ortous de., Traité Physique et Historique de l'Aurore Boréale. Paris: Imprimerie Royale, 1733.

Large woodcut vignette on title & 15 folding engraved plates. 4 p.l., 281 pp. Large 4to, cont. calf, spine gilt, red morocco lettering piece on spine. Paris: Imprimerie Royale, 1733. First edition of the first exhaustive treatise on the aurora borealis. Mairan attributed the phenomenon to an extension of the sun's atmosphere, which at times enveloped the earth and blended with our atmosphere. "Inquiry into the history and physics of the aurora borealis; the chapter on the relation between the aurora and the magnetic declination is of special interest."Wheeler Gift 382(2nd ed. only). There are many references to Newton, Cassini, Euler, and Descartes. Mairan (1678-1771), while basically a Cartesian, did incorporate some Newtonian ideas in his theories. He was secretary of the Paris Academy of Sciences and belonged to the Royal Societies of London, Edinburgh, and Uppsala, the St. Petersburg Academy, and the Institute of Bologna. Fine copy. Old royal stamp on title. ¤ D.S.B., IX, pp. 33-34. See E. Newton Harvey's A History of Luminescence, pp. 258-59 for an excellent discussion.

$US1250 Jonathan A. Hill, Bookseller Inc.

Fig 16
Une autre monographie de 342 pages est publiée en 1717 à Amsterdam (Amstelodami) par Johan Heinrich Cohausen (1665-1750) sous le titre « Lumen Novum Phosphoris Accensum, sive de causa lucis in phosphoris tam naturalibus, quam artificialibus ».
Le livre contient trois parties, elles-mêmes subdivisées en sections.
La première partie traite des phosphores naturels et comprends deux sections, l’une consacrée aux phosphores de l’air (« de Meteoris Lucidus et Igneis »), de la mer (« De Lumen Maris ») et de la terre (« De Phosphoris Mineralium, Lapidium et Gemmarum ») ; la seconde section parle de la luminescence des animaux et des plantes.
La deuxième partie contient aussi deux section dont la première décrit les phosphores fabriqués par l’homme (Pierre de Bologne, Nocticula Aeria et fulgurante (provenant de l’urine) et le phosphore de balduin) et la seconde des phosphores tirés des plantes et du phosphore mercuriel.
La troisième partie est consacrée principalement au phosphore de Balduin qui faisait la gloire des Allemands.

Charles François de Cisternay Dufay (1698-1739) réalise de nombreuses investigations sur les substances luminescentes et sur les minéraux et les pierres précieuses en particulier. Les résultats de celle-ci sont publiées dans les mémoires de l’académie française des sciences en 1726, 1732 et 1738.
En 1723 il écrit un article sur la luminescence du baromètre.

En Italie, un groupe de chercheurs dirigé par Jacopo Bartoloméo Beccari (1682-1766) réalise de nombreuses expériences sur les matériaux luminescents minéraux et organiques et publie entre 1731 et 1747 de nombreux articles dans les « Commentarii de Bonanensi », le journal officiel de l’Institut des Sciences et des arts de bologne fondé par le Compte Marsigli en 1711.

Dans ce groupe on retrouve Domenico Maria Gusmano Galeati (1686- 1775), Guiseppe Monti (1682-1760) et Francesco Zanotti (1692-1777).
Ces expériences augmentent considérablement le nombre de substances connues pour être luminescentes ; ils testent le papier, des extraits de plantes etc.
Dans deux articles publiés en 1744 et 1747, Beccari va également définir une classification de la luminescence très proche de la classification moderne basée sur le type d’excitation.
Beccari et son équipe parviennent à conserver la bioluminescence du Pholas dactylus en formant une pâte par mélange de l’animal et de miel ou de farine. Cette pâte pouvait être conservée un an et une fois mouillée émettait une luminescence.

Les encyclopédies du 18ème siècle :

Dans les nombreuses encyclopédies du 18ème siècle, on retrouve souvent une présentation de la luminescence dans les articles consacrés aux phosphores, à la lumière ou au feu.
Les mots luminescence et phosphorescence n’apparaîtront que dans les ouvrages beaucoup plus récents.

Chambers encyclopedia

La Chambers encyclopedia de Ephraïm Chambers publiée en 1728 contient un inventaire des différents types de phosphores tirés de l’urine :
Le premier inventé par Kraft appellé « consistent » ou « gummous Nocticula » ou encore « Constant nocticula » ou « Solid Phosphorus »
Le second également inventé par Kraft est liquide et est une dissolution du premier dans de l’huile de girofle avec du camphre
Le troisième préparé par boyle, a besoin du contact avec l’air pour être lumineux. Ce n’est pas la substance elle-même mais ses effluves qui sont lumineuses d’où son nom d’ « Aerial Noctiluca ».
Une dernière forme fabriquée par boyle est dénomée « Icy Noctiluca » et se présente comme de petits cristaux.

L’encyclopédie Diderot-d’Alembert

L’encyclopédie publiée en France entre 1777 et 1779 sous la direction de Denis Diderot (1712-1784) et de Jean-Baptiste le Rond D’Alembert (1717- 1783) comporte 39 volumes. Son titre complet est « Encyclopédie ou dictionnaire raisonné des sciences, des arts et des métiers par un société de gens de lettres » ; la luminescence y est traitée sous la rubrique phosphore et feu électrique pour ce qui est de l’électroluminescence ; elle s’inspire de l’encyclopédie d’Ephraïm Chambers.

On y découvre que le phosphore de Kunckel est parfois appelé « Phosphore d’urine » ou « soufre phosphorique ».

Traités de chimie et de physique

Les livres de chimie et de physique du 18ème siècle font également une plac eà la luminescence.
A côté du livre de Lémery dont on a déjà parlé,
Dans la seconde traduction en 1741 par Shaw du livre du hollandais Herman Boerhaave (1668-1738) Elementa Chemixe (1724) traduction intitulée A New Method of Chemistry on parle des phosphori.

Johan Christian Wiegleb ( ?) (1732-1800) publie un traité de chimie intitulé « handbuch der allgemeinen Chemie » (Berlin 1781 ; deuxième édition en 1796).
Ce livre contient une partie importante consacrée à la luminescence ; la première édition sera traduite en anglais par CR Hopson sous le titre « A system of Chemistry ».
Bien que l’on ne trouve dans l’original comme dans la traduction aucune découverte originale, on y découvre une foule de renseignements sur la luminescence des matières organiques et minérales ; des phénomènes assez rarement décrits comme par exemple la luminescence pouvant durer plusieurs jours du sublimé corrosif (HgCl2) après sublimation et broyage dans l’obscurité ou la thermoluminescence de la Blende de Scharfenburg.

Le livre de physique le plus célèbre du début du 18ème siècle a pour titre « Elementa Physicae » ; son auteur, le hollandais Pieter Van Musschenbroek (1692-1761) est fortement influencé par le travail de newton. Les Pays-Bas étaient en effet un pays très actif au niveau des sciences au début du 18ème siècle. Son auteur est aussi associé à la découverte de la bouteille de Leyden.
La première édition, en latin, est publiée en 1734 ; en 1744, John Colson en fait une traduction anglaise, « Elements of Natural Philosophy » en deux volumes. Une version en français sera éditée en 1751 et 1769.
Van Musschenbroek cite de nombreuses matières luminescentes après calcination ou dissolution par un acide et calcination. On y trouve bien sûr la Pierre de Bologne mais aussi les os des animaux, les cendres de plantes, les bélémnites, la topaze et le gypse.
Il explique également que certaines substances perdent leur lumière quand on les chauffe en citant comme exemple l’émeraude qu’il confond sans doute avec de la fluorine verte qui effectivement peut être thermoluminescente.
Il parle aussi de la thermoluminescence du diamant chauffé dans une cuillère en argent ou plongé dans de l’eau chaude.

Le mathématicien français Jacques Ozanam (1640-1717) est un écrivain méconnu de la physique. Il publie en 1694 ses « Récréations Mathématiques et Physiques » qui connaîtront de nombreuses rééditions même après sa mort. Le quatrième volume de l’édition publiée à Paris en 1735 est intitulé « Des Phosphores et des lampes perpétuelles » et couvre en 270 pages les phosphores naturels et artificiels, organiques et inorganiques. Dans les phosphores artificiels, aux côtés des classiques (Bologne, Balduin, Homberg…) on trouve le phosphore de Lyonnet, de Nuguet aussi appelé « phosphore de verre » (du mercure secoué dans un tube où l’on a fait le vide) et de du Tol (Baromètre lumineux).
Tous ces phosphores sont décrits avec beaucoup de détails.

En 1752, Benjamin Franklin explique la luminescence des éclairs par une décharge électrique à travers l’air.

En 1775, Wilson découvre que seuls les rayons les plus réfrangibles agissent sur les différents « Solar Phosphori ». Environ au même moment, Beccaria par ses propres expériences arrive à la même conclusion.
En 1802, Engefield redécouvre que les rayons bleus du spectre solaire agissent plus fort que n’importe quels autres rayons. Son expérience sera reprise et confirmée par Ritter, Goethe et Seebeck.

The earliest man-made luminescent material is thought to have been synthesized by ancient Ro- mans, who formed calcium sulfide phosphors as early as 186 B.C. by heating sulfur with chalk, lime, or oyster shells. [1]
[2] Some consider this discovery to be the origin of inorganic phosphors. Later phosphor developments occur in 1768 when Canton obtained CaS and then in 1866

The Discovery of the Invisible Rays of the Solar Spectrum
The article deals with the discovery of the invisible rays of the solar spectrum. In the years 1775-1777, some natural philosophers carried out investigations on the thermal and chemical properties of different kinds of rays. Independently, Landriani and Rochon decomposed a ray of sunlight by a prism and found that different rises in temperature were produced at different places of the spectrum. In 1777, Scheele published the results of his research on the chemical reactions of light on silver chloride. All these scientists failed to extend their investigations to the invisible regions beyond the red and the violet ends of the spectrum. The invisible heat rays in the solar spectrum were discovered by Herschel in 1800. In 1801, Ritter found the ultraviolet rays. Strongly influenced by the philosophical views of Romanticism and Naturphilosophie, he believed in the principle of polarity in nature, and after Herschel’s discovery, he hypothesized a possible polarity in the spectrum and successfully looked for invisible radiation beyond the violet. The reception of this discovery was hindered by Ritter’s abstruse style and his tendency to mix speculations with scientific observations

In 1713, sailors thought that the glowing plankton was whale seed spread over the surface of the waters. Yet some scientists, in 1717, believed that it was due to sulfur released from surrounding materials. Benjamin Franklin first thought that bioluminescence was due to electricity. He thought that there were extremely small creatures that were too tiny to be seen even with strong glasses, but were still capable of emitting visible light. But finally in 1834, a man named C.G. Ehrenberg, an eminent protozoologist, isolated an organism, which we now know to be a dinoflagelate, and caused it to emit light by the addition of acid to its environment. This was the first real step towards studying bioluminescence

Explication de la luminescence au 18ème siècle

Au courant du 18ème siècle, on explique la luminescence comme la théorie de la combustion par la doctrine du Phlogiston de Joachim Becker (1635-1682) et Georg Ernst Stahl (1660-1734).
Selon cette doctrine, le phlogiston est un composé chimique fondamental, un élément, qui s’échappe de la substance quand elle brûle ou s’oxyde. C’est donc le phlogiston qui est responsable des flammes et de la chaleur.
Le soufre était considéré comme pratiquement exclusivement constitué de phlogiston parce qu’il ne laissait aucun résidu lors de sa combustion.
Le bois ou le charbon étaient sensés être constitués de phlogiston combiné aux cendres qu’ils laissaient en brûlant, les métaux de phlogiston et de chaux (oxyde métallique) etc.
Cependant, il est vite apparu que le métal pur était plus léger que l’oxyde (chaux) qu’il produisait lors de sa combustion. Comment expliquer qu’en combinant le phlogiston à la chaux pour former le métal on en diminuait le poids ? Une théorie du poids négatif a bien été tentée, mais vite abandonnée.
Les études de Lavoisier en 1774 sur les variations de poids du soufre, du phosphore et des métaux lors de leur combustion et sa découverte en 1777 de l’oxygène et de l’azote de l’air ainsi que de la similarité entre la production de CO2 lors de la respiration et une combustion fûrent une véritable révolution et sonnèrent la fin de cette doctrine et le début d’une nouvelle ère en chimie confirmée par les travaux de Cavendish, Priestley et Scheele sur la combustion.

Conclusion sur le 18ème siècle