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article Quelques portraits     -    publié le 27/04/2006    mis à jour le 23/02/2014

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• Cotton Aimé

Aimé Auguste COTTON est un physicien français dont le nom est associé notamment à des découvertes fondamentales en Optique , à la mesure des champs magnétiques intenses , mais aussi à la création de la nouvelle Université d’Orsay . Pour ses travaux remarquables en optique physique, il compte parmi les grands savants de la première moitié du vingtième siècle. Il a continué l’oeuvre de Michaël Faraday et Pieter Zeeman en magnéto-optique et il est le pionnier de l’optique moléculaire .

Aimé Cotton est né à Bourg-en-Bresse (département de l’Ain) le 29 octobre 1869. Il est le frère du mathématicien et académicien Emile Cotton 1. Son grand-père était directeur de l’Ecole Normale d’Instituteurs de Bourg, et son père, Eugène Cotton, professeur de mathématiques au Collège de Bourg (l’établissement où André Marie Ampère commença sa carrière !).

Il fait d’abord ses études secondaires au lycée de Bourg, puis ses classes préparatoires aux grandes écoles au lycée Blaise Pascal de Clermont-Ferrand, puis quatre ans d’études à l’Ecole Normale Supérieure de la Rue d’Ulm, de 1890 à 1893, où il côtoie d’autres grands savants comme Paul Langevin, Jean Perrin, Pierre Weiss ou Pierre Curie . Il en sort agrégé de Sciences Physiques en 1893. Il prépare ensuite sa thèse au laboratoire de l’Ecole Normale Supérieure, et découvre alors le dichroïsme circulaire2 : il montre que les corps colorés qui possèdent la propriété de polarisation rotatoire (comme la liqueur de Fehling) présentent, dans la région spectrale où se trouvent leurs bandes d’absorption, une absorption inégale pour les deux vibrations circulaires de sens inverses. En 1896, il soutient sa thèse « Recherches sur l’absorption et la dispersion de la lumière par les milieux doués de pouvoir rotatoire », et il est nommé Maître de Conférence à l’Université de Toulouse (où il en profitera pour faire de l’alpinisme dans les Pyrénées). En 1900, il est rappelé à Paris pour succéder à Jules Violle 3 comme Maître de Conférence à l’Ecole Normale Supérieure de Saint-Cloud : « C’est en empruntant des pièces à de vieux appareils ou en transportant dans les poches de son pardessus des ressources imprévues qu’il dote ses cours d’expériences inédites et parfaites. Il veut ainsi montrer à ses élèves tout l’intérêt d’une belle expérience de cours dans la compréhension de la Physique mais aussi la beauté plastique de la recherche ». Ses premiers travaux de recherche, dans le prolongement de sa thèse, concernent alors les propriétés électro-optiques des cristaux et des liquides, dont la propagation de la lumière polarisée dans les milieux matériels absorbants. Il découvre la dispersion rotatoire anormale  : Cette découverte et celle du dichroïsme circulaire apporteront de nouveaux moyens d’investigation des configurations moléculaires.

A cette époque, il commence une collaboration avec Pierre Weiss 4, pour approfondir l’étude de l’effet Zeeman5,6, de diverses raies spectrales. Pour cela, il met au point la balance électromagnétique qui porte son nom, et qui permet de mesurer l’intensité d’un champ magnétique par comparaison directe de l’intensité d’une force électromagnétique (force de Laplace) à celle de la pesanteur : elle permet de mesurer avec précision l’intensité du champ magnétique appliqué à la source lumineuse. Du dédoublement Zeeman des raies bleues du zinc, Cotton et Weiss déduisent en 1907 une valeur numérique de la charge massique de l’électron : e/m = 1,767.107 u.e.m . Cette valeur est la plus précise mesurée à l’époque. Il s’engage dans l’étude de la structure des colloïdes, après la mise au point d’un modèle perfectionné d’ultramicroscope qui lui permet notamment d’observer le mouvement brownien. Il contribue aussi à l’étude de la symétrie moléculaire. Cherchant toujours à relier la dispersion et l’absorption optique, Aimé Cotton s’intéresse au phénomène de polarisation rotatoire magnétique, ou effet Faraday7 au voisinage des raies d’absorption des corps colorés : C’est avec deux de ses élèves, Scherer et Servant, qu’il arrive à mettre en évidence le dichroïsme circulaire magnétique.
En parallèle, il travaille avec son camarade de promotion Henri Mouton , biologiste à l’Institut Pasteur, sur les propriétés des solutions colloïdales. Il met au point en 1905 une technique d’observation ultramicroscopique pour visualiser des particules colloïdales individuelles d’hydroxyde ferrique, et constate que ces particules s’orientent sous l’action d’un champ magnétique. La solution présente alors une biréfringence magnétique intense avec un axe optique parallèle aux lignes de champ : C’est l’effet Cotton-Mouton , découvert en 1907  : « U n matériau biréfringent dans lequel les vibrations lumineuses circulaires droite et gauche ont des coefficients d’absorption différents, présente un effet de dichroïsme, c’est-à-dire l’apparition de couleurs qui varient suivant l’épaisseur du matériau, et suivant l’orientation de la lumière par rapport aux axes principaux du matériau ».

En 1910, ils vont mettre en évidence ce phénomène de biréfringence magnétique dans un liquide pur : le nitrobenzène (déjà connu pour sa forte biréfringence électrique). Ils vont poursuivre ensemble pendant de longues années l’étude de ce phénomène sur un grand nombre de liquides en faisant varier des paramètres physiques comme l’intensité du champ appliqué, la température ou la longueur d’onde de la lumière utilisée. Très vite, Aimé Cotton se rend compte qu’il lui faut des champs magnétiques de plus en plus intenses, et sur de plus grands volumes, pour étudier cet effet très faible pour certaines substances : il monte alors un projet d’électro-aimant puissant, et réussit à y intéresser l’Académie des Sciences, qui réunit en 1914 une commission "pour examiner les conditions dans lesquelles pourrait être réalisé un grand électro-aimant de recherche d’une puissance exceptionnelle". Mais la guerre vient couper court à ce projet.

En 1913, Aimé Cotton, qui remplace Jean Perrin à l’Ecole Normale Supérieure de Jeunes Filles de Sèvres pour préparer les jeunes étudiantes à l’agrégation, épouse la physicienne Eugénie FEYTIS, alors agrégée-préparatrice dans cette même école, et qui devait plus tard en assumer la direction. Elle est née le 13 octobre 1881en Charentes-maritimes, à Soubise, tout près de Rochefort, au sein d’une famille modeste. En 1901, elle entre à l’Ecole Normale Supérieure de Sèvres, et fait alors la connaissance de Pierre et Marie Curie. En 1904, elle est agrégée de Physique. Elle enseigne d’abord au Collège de Poitiers , puis à l’Ecole Normale Supérieure, sur la recommandation de Marie Curie. Elle collabore à des recherches avec Jean Perrin. Pendant de nombreuses années, elle a une très grande activité scientifique. Aimé et Eugénie Cotton auront trois enfants, dont Eugène qui poursuivra une carrière de Physicien nucléaire au Commissariat à l’Energie Atomique.

En 1914, Aimé Cotton dirige les travaux de thèse de Georges Bruhat 8 sur le dichroïsme circulaire et la dispersion rotatoire. Pendant la première guerre mondiale, trop âgé pour servir sur le front, il contribue malgré tout à la défense nationale en mettant au point avec Pierre Weiss un système de repérage des canons ennemis par une analyse acoustique : c’est le système Cotton-Weiss .

Dés 1917, il participe à la création de l’Institut d’Optique théorique et appliquée, et de l’Ecole Supérieure d’Optique, où il enseigne. En 1921, il est nommé professeur à la Sorbonne, où il crée la chaire de physique théorique et de physique céleste (qui devient ensuite la chaire de spectroscopie et de physique céleste, transformée ultérieurement en chaire de spectronomie), puis il occupe en 1922 la chaire de physique expérimentale, succédant à Gabriel Lippman 9 (Il y restera jusqu’à la retraite en 1941, où il sera remplacé par Jean Cabannes 10). Le nom d’A. Cotton est alors associé à la mesure des champs magnétiques intenses. En 1923, il est élu membre de l’Académie des Sciences (section de physique générale), en remplacement de Jules Violle. Il en deviendra vice-président en 1937, et Président en 1938, succédant à Emmanuel Leclainche 11.

En 1924, l’Académie des Sciences nomme une nouvelle commission en vue de la réalisation d’un grand électro-aimant de recherche, et décide de consacrer un financement à sa construction. Aimé Cotton (initiateur du projet depuis 1914) contribue à la réalisation de cette machine de 120 tonnes, dans le laboratoire du Service des recherches et inventions de Bellevue, qui deviendra ensuite le laboratoire du magnétisme de Meudon-Bellevue, puis le laboratoire Aimé Cotton (LAC). L’achèvement de ce travail est annoncé en séance publique de l’Académie des Sciences le 9 juillet 1928. La puissance dépensée pour l’excitation de cet électro-aimant est d’environs 100 kW (400 A sous 240 V) ; il permet d’obtenir des champs magnétiques intenses (jusqu’à 7 teslas). Grâce à Aimé Cotton, la France possède alors l’un des plus puissants appareils de physique du monde : En 1928, les premières expériences sur l’instrument commencent, et une installation de liquéfacteurs pour l’obtention de très basses températures vient compléter l’appareil, qui restera en service pendant plus de 40 ans, jusqu’en 1970, avant de devenir une pièce de musée. Il sera utilisé pour de nombreuses expérimentations et découvertes ; de nombreuses équipes venues du monde entier vont se succéder sur l’électro-aimant pour obtenir des résultats scientifiques remarquables : S. Rosenblum, pour la structure fine des rayons α de radioactivité, en 1929, Simon, Kurti et Lainé pour le refroidissement par désaimantation adiabatique, en 1935, ou Bizette pour le premier exemple d’antiferromagnétisme, en 1946.

Eugénie Cotton, elle, est très engagée, sur le plan pédagogique, sur le plan du féminisme, et sur le plan politique. En 1936, elle est nommée par le ministre Jean Zay directrice de l’Ecole Normale Supérieure de Sèvres. Elle y élève le niveau de l’enseignement des sciences, et y développe le laboratoire et les recherches. Elle fait rattacher Sèvres à l’enseignement Supérieur. Elle adhère à l’Association des françaises diplômées des Universités, dés sa fondation : Avoir le soutien de la directrice de l’Ecole Normale Supérieure était capital pour l’association. Elle apporte son aide aux anti-fascistes allemands réfugiés en France depuis 1933, puis espagnols traqués par Franco. Proche du parti communiste, elle est d’abord contrainte, pendant la seconde guerre mondiale, de quitter son poste et, en 1941, mise à la retraite d’office par le gouvernement de Vichy. De son côté, Aimé Cotton, qui proteste contre la montée du fascisme en Europe depuis 1936, est arrêté deux fois : En 1941, alors qu’il prend sa retraite de professeur et qu’il continue à venir travailler au laboratoire de Bellevue, il est arrêté par les allemands, et passe un mois et demi en prison à Fresnes. Il sera de nouveau arrêté en 1942 avec son fils Eugène.

En 1944, Eugénie Cotton entre à l’Union des femmes françaises, puis contribue, à la création, le 1er décembre 1945, de la Fédération démocratique internationale des femmes. Elle assure ensuite la présidence de ces deux associations, jusqu’à sa mort. Elle est également membre du Conseil Mondial de la Paix, de l’association d’amitié France-URSS, et y développe une importante activité jusqu’à sa mort, le 16 juin 1967.

Aimé Cotton participe encore à la création de la nouvelle Université d’Orsay : il y crée un laboratoire de Physique atomique qui se révèlera une pépinière de grands scientifiques français, comme, par exemple, Pierre Jacquinot 12. En plus de son talent de physicien, il est un profond humaniste. Il s’intéresse toute sa vie au progrès et à la diffusion de l’Esperanto, dans un souci de meilleure compréhension entre les hommes et particulièrement entre les savants.

Il est plusieurs fois lauréat de l’Académie des Sciences, avec les prix Pierson-Perrin, en 1907 (notamment pour ses études des milieux colloïdaux), La Caze, en 1918, le prix Albert 1er de Monaco, en 1928, et le prix Villemot en 1936. En 1946, il est élu membre du Bureau des Longitudes.
Aimé Cotton appréciait la bonne cuisine : Il aimait dire que «  la chimie, ce n’est pas de la cuisine, mais que la cuisine, c’est de la chimie  »…
Il meurt à Sèvres le 15 Avril 1951, âgé de 81 ans, épuisé par une trachéite grave et des problèmes circulatoires. Il laisse une oeuvre scientifique remarquable, et l’image d’un homme aux grandes qualités de caractère.


Principales publications d’Aimé Cotton :

  • Phénomène de Zeemann (1899)
  • Les ultramicroscopes et les objets ultramicroscopiques (avec Henri Mouton, 1906)
  • Les progrès de la physique et de la physique moléculaire (avec Henri Mouton, 1917)
  • Œuvres scientifiques d’Aimé Cotton (éditions du CNRS, 1956)



Documentation :

(1) Emile Cotton  : Mathématicien français (1872-1950) : Il est l’auteur de travaux de géométrie différentielle et de mécanique (Membre de l’Académie des sciences en 1943).

(2) Le dichroïsme, ou pléochroïsme, ou polychroïsme, est la propriété de certaines substances d’offrir des colorations diverses selon les circonstances d’observation : Dans un corps isotrope, l’absorption de la lumière ne dépend que de l’épaisseur. Dans un milieu biréfringent, par contre, les vibrations lumineuses parallèles aux différentes directions sont inégalement absorbées : l’intensité et la nature de la lumière transmise varient non seulement avec l’épaisseur, mais encore selon l’orientation suivant laquelle on la regarde. Par exemple, le zircon (cristal uniaxe) est brun dans le sens de l’axe, et gris bleuâtre dans une direction perpendiculaire. Dans les cristaux biaxes, on peut rencontrer des colorations plus complexes.

(3) Jules Violle  : Physicien français (1841-1923) : Il fait ses études à l’Ecole normale Supérieure de Paris, d’où il sort docteur ès sciences en 1870, sa thèse portant sur la mesure de l’équivalent mécanique de la calorie, en utilisant l’élévation de température produite par les courants de Foucault induits dans une masse métallique en mouvement dans un champ magnétique. Le jury était présidé par Paul Desains (13). A partir de 1865, il enseigne à Besançon puis à Dijon. En 1875, il est professeur à la Faculté des sciences de Grenoble, puis à la Faculté des sciences de Lyon (en 1883), puis Maître de Conférences à l’Ecole Normale Supérieure (en 1884), puis au Conservatoire National des Arts et Métiers, en 1891. En 1897, il est élu membre de l’Académie des sciences, en remplacement d’Hippolyte Fizeau. Les recherches de Jules Violle concernent principalement la radiométrie, la photométrie et la calorimétrie. Dans la continuité des travaux effectués par Claude Pouillet vers 1835, il réalise, en 1875, au mont Blanc, les premières déterminations de la constante solaire. En 1881, il propose un étalon d’intensité lumineuse indépendant des propriétés de l’émetteur de lumière (Etalon Violle), correspondant à la lumière émise par 1 cm2 de platine en fusion (L’unité SI est le candela : 1 violle = 20,17 Cd…) Jules Violle perfectionne et invente plusieurs appareils de mesure du rayonnement, dont un actinomètre. En 1882, il invente encore le calorimètre à refroidissement, principe de base de certaines bouteilles isolantes. On lui doit encore une théorie de la formation des geysers, des recherches sur l’origine de la grêle, et les moyens de la combattre. Il est enfin l’un des premiers à proposer l’exploration de l’atmosphère par ballons-sondes. De 1906 à 1908, il préside la société française de photographie (succédant à Aimé Laussedat). Il est également l’un des fondateurs de l’institut d’optique théorique et appliquée, et de l’Ecole Supérieure d’Optique.

(4) Pierre Weiss  : Physicien français (1865-1940) : A l’université de Strasbourg, il crée un grand centre du magnétisme, où il accueille Louis Néel comme étudiant. Il a découvert le phénomène magnétocalorique, et élaboré en 1907 une théorie du ferromagnétisme , qu’il interprète dans le prolongement de celle du paramagnétisme de Paul Langevin, mais fondée pour une large part sur ses propres résultats expérimentaux. Il introduit un champ fictif, dit « moléculaire » afin de prendre en compte les interactions magnétiques entre deux atomes voisins. Ce modèle théorique prévoit l’existence du point de Curie, température au-delà de laquelle le ferromagnétisme disparaît pour laisser place au paramagnétisme. (Pierre Weiss est membre de l’Académie des Sciences en 1926).

(5) Pieter Zeeman  : Physicien néerlandais (1865-1943) : Sa renommée est étroitement liée à la découverte de l’effet qui porte son nom. Cette découverte, tout en confirmant la théorie électronique, a eu des développements très fructueux en Optique et en Astrophysique. De 1915 à 1918, Zeeman a étudié la propagation de la lumière dans les milieux en mouvement, pour vérifier le phénomène de Doppler-Fizeau ; les résultats de ces recherches ont confirmé les théories relativistes. Zeeman a été lauréat du prix Nobel de Physique en 1902, avec Lorentz.

(6) Effet Zeeman  : C’est une perturbation des niveaux d’énergie des électrons d’un atome sous l’action d’un champ magnétique, qui se traduit par une modification du spectre de raies d’émission du corps considéré : En analysant le spectre de raies émises par de la vapeur de sodium, Zeeman s’aperçoit, en 1896, que certaines d’entre elles sont démultipliées lorsque l’ampoule contenant la vapeur est placée dans un champ magnétique. Cette démultiplication des raies correspond à une « levée » de la dégénérescence propre aux niveaux excités de l’atome, en l’absence de champ magnétique. Dans ce cas, en effet, l’énergie d’un électron dans un atome ne dépend pas de l’ orientation de son moment angulaire (seule la norme du vecteur intervient dans l’expression de l’énergie de l’électron, ce qui traduit les propriétés d’isotropie de l’espace, c’est-à-dire l’invariance du système par rotation). Il n’en est plus de même lorsque l’atome se trouve placé dans un champ magnétique : le vecteur moment angulaire s’oriente dans une direction privilégiée, l’invariance du système par rotation autour de lui-même n’est plus vraie, et l’énergie de l’électron dépend alors de l’angle entre les vecteurs champ magnétique et moment angulaire.

(7) Effet Faraday : Il peut être considéré comme la combinaison d’un effet dispersif, la biréfringence magnétique circulaire (les vitesses des lumières polarisées circulairement droite et gauche sont différentes), et d’un effet d’absorption, le dichroïsme magnétique circulaire.

(8) Georges Bruhat  : Physicien français (1887-1944) : Ancien élève de l’Ecole Normale Supérieure, il est d’abord professeur à la Faculté des Sciences de Lille en 1921, puis en 1927, il est titulaire de la chaire de Physique céleste à la Sorbonne, et de celle d’enseignement de la physique à l’Ecole Normale Supérieure, dont il devient directeur adjoint. Ses travaux portent sur l’Optique physique (propagation de la lumière dans les milieux transparents, et polarimétrie , notamment dans l’ultra-violet), et sur la Thermodynamique (Etude théorique des fluides au voisinage du point critique, électrostriction dans les liquides isolants, etc…). Il est l’auteur d’un Cours de Physique Générale qui a fait autorité, publié en 4 volumes de 1923 à 1943, et de livres de vulgarisation sur le Soleil, la lune et les étoiles. S’étant offert en otage à la Gestapo à la place d’un élève résistant, il est mort en déportation, à Buchenwald.

(9) Gabriel Lippmann  : Physicien français (1845-1921) : Il prévoit notamment la réversibilité de la piézoélectricité du quartz, qui sera vérifiée par Pierre et Jacques Curie en 1880. Il invente le coelestat, qui est un système d’entraînement d’un téléscope permettant d’observer la même région du ciel sur une longue période. La découverte qui l’a rendu célèbre en 1891 est celle de la photographie en couleurs par une méthode interférentielle : l’enregistrement des ondes stationnaires dans l’épaisseur de l’émulsion photographique lui permet de séparer les différentes couleurs. Ce procédé peu commode n’a pas été industrialisé, car il a été dépassé par d’autres méthodes. Il reçoit le prix Nobel de Physique en 1908.

(10) Jean Cabannes  : Physicien français (1885-1959) : En 1937, il est professeur à la Faculté des Sciences de Paris, puis doyen et directeur du laboratoire de recherches physiques de la Sorbonne (en 1941). Il est membre de l’Académie des Sciences en 1946. Il a étudié l’optique physique, et ses applications à la physique moléculaire. On lui doit des recherches sur le phénomène de Kerr, la diffusion de la lumière par les liquides et les cristaux, la détermination de structures moléculaires, le dosage de l’ozone atmosphérique, la spectrographie de la lumière du ciel nocturne.

(11) Emmanuel Leclainche  : Eminent vétérinaire et microbiologiste français (1861-1953) : d’abord professeur à l’Ecole vétérinaire de Toulouse (1891), il devient inspecteur général et chef des services et des écoles vétérinaires en 1913, puis membre de l’Académie des Sciences en 1917. Spécialiste des maladies infectieuses et de l’épidémiologie, on lui doit plusieurs découvertes sur le traitement des maladies animales. Il a réorganisé les services vétérinaires sanitaires officiels (1911), réformé l’enseignement vétérinaire par l’institution du doctorat et de l’agrégation vétérinaires, et créé l’office international des épizooties, dont il a été directeur jusqu’en 1949.

(12) Pierre Jacquinot  : physicien français (1910-2002) : Il étudie à la Faculté des Sciences de Nancy, et est reçu premier au concours de l’Agrégation. Il prépare ensuite une thèse de doctorat au Laboratoire du grand électro-aimant, sous la direction d’Aimé Cotton, intitulée Recherches sur le phénomène de Zeeman dans les champs magnétiques intenses, et devient docteur en 1937. En 1938, il est nommé chargé de recherche à la Caisse de recherche, puis Maître de Conférences en 1942, et professeur à la Faculté des Sciences de Clermont-Ferrand. En 1946, il devient Maître de Conférences à la Faculté des Sciences de Paris, puis professeur en 1950, titulaire de la chaire de spectronomie créée pour Aimé Cotton. Il retourne alors dans son ancien laboratoire, qui devient le laboratoire Aimé Cotton (LAC) après qu’il en soit devenu le directeur en 1951. Ses recherches se concentrent alors sur la spectrométrie par transformée de Fourier. De 1962 à 1969, il est directeur général du CNRS., puis il devient président de l’Institut d’Optique théorique et appliquée, succédant à Alfred Kastler. En 1966, il est élu membre de l’Académie des Sciences (division des académiciens libres) Il en devient président de 1980 à 1982. En 1978, il obtient la Médaille d’or du CNRS.
(13) Quentin Paul Desains  : Physicien français (1817-1885), auteur d’un Traité de Physique (1855-1859), et d’un Rapport sur les progrès de la théorie de la chaleur (en 1868).

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