I. — LUMIERE BLANCHE

151. Décomposition de la lumière blanche. — ExpéHence fondamentale, -— Par une petite ouverture 0 (fig. 127) pratiquée au volet d'une chambre noire, ou par un diaphragme étroit placé sur le tube

Fig. 127.

du porte-lumière, laissons pénétrer les rayons solaires; ils iront former, sur un écran blanc placé vis-à-vis, une tache B blanche, ronde; c'est une image du soleil (6).

Sur le trajet du faisceau lumineux, interposons un prisme P dont la section principale soit parallèle à Taxe du faisceau; les rayons seront déviés du côté opposé à l'angle réfringent et produiront main-

tenant une tache VR, irisée et allongée dans le plan de la section principale; on lui donne le nom de s/ïec^re. L'extrémité la plus déviée de ce spectre est violette, Tautre rouge ; entre les deux, les couleurs se fondent insensiblement les unes dans les autres; on y distingue, comme termes principaux, les couleurs suivantes :

Violet, indigo, bleu, vert, jaune, orangé, rouge.

Newton, qui fit le premier cette expérience, supposa, pour l'expliquer, qu'un rayon de soleil était formé par la superposition d'une infinité de rayons de diverses couleurs et qu'à ces divers rayons correspondaient, pour une substance réfringente déterminée, des indices de réfraction différents; ces rayons étaient dès lors inégalement déviés par la réfraction et sortaient d'un prisme séparés les uns des autres ou dispersés.

La bande colorée obtenue dans l'expérience précédente se forme, d'après cela, de la manière suivante. Les rayons rouges, par exemple, superposés aux autres rayons colorés dans le faisceau direct primitif, tombent sur le prisme sous des incidences à peu près égales et sont

Fig. 128.

tous déviés, par conséquent, à peu près de la même quantité, de sorte que l'image rouge du soleil, qu'ils eussent d'abord formée en B, s'ils avaient été seuls, se trouve déviée et transportée en R. L'image orangée, formée par des rayons plus fortement réfractés que les rayons rouges, ou, comme on dit, plus réfrangibles^ est plus déviée que la précédente, mais ne s'en sépare pas complètement et lui reste partiellement superposée ; de même les images correspondant aux rayons jaunes, verts, etc. Le spectre ainsi obtenu n'est donc, dans l'hypothèse faite, qu'une série (limages solaires de diverses couleurs, empiétant les unes sur les autres. Cette bande ne peut donc

pas nous montrer à Tétat de pureté les couleurs simples dont la lumière blanche du soleil doit être composée, puisqu'en un même point, nous trouvons superposés des rayons de diverses couleurs.

152. Règle pour obtenir un spectre pur, — Pour obtenir un spectre plus pur, il faut diminuer la largeur des taches lumineuses produites sur l'écran par les diverses couleurs. A cet eflfet, on met au portelumière une fente verticale très étroite projetée en 0 sur le plan, supposé horizontal, de la figure 128. Les. rayons solaires qui pénètrent par cette fente sont reçus sur une lentille L qui produit sur un écran placé à une distance convenable une image B, réelle et blanche, de ]a fente ; on a ainsi substitué à Timage solaire de l'expérience précédente une ligne lumineuse qu'on peut rendre aussi fine qu'on veut. Les rayons réfractés par la lentille sont interceptés ensuite par un prisme P. Chacune des images monochromatiques qui constituent l'image blanche B joue, par rapport au prisme, le rôle d'un objet virtuel dont l'image ne sera nette que si le prisme est au minimum de déviation (97). Le prisme ne peut être au minimum de déviation simultanément pour toutes les couleurs ; on l'y mettra pour une cou- Jeur moyenne, et la netteté des images extrêmes sera encore sensiblement conservée. Enfin ces images, R,..., V, et, par conséquent, le spectre qu'elles constituent sont à une distance du prisme égale à celle de l'objet virtuel B. La pureté de ce spectre peut être définie par le rapport de la distance de deux images déterminées à la largeur de ces images, car les couleurs seront d'autant mieux séparées que ce rapport sera plus grand; seulement, le spectre sera d'autant moins lumineux que, pour une dispersion donnée, la fente sera plus étroite.

153. Expérience du polyprisme . — On appelle dispersion l'angle que font, après leur réfraction dans un prisme, deux rayons déterminés, provenant de la décomposition d'un même rayon de lumière blanche, et pris vers les extrémités du spectre.

Cette dispersion dépend de l'angle d'incidence, et, si l'on produit un spectre en donnant d'abord à l'incidence la plus grande valeur possible, puis la faisant décroître, on voit d'abord la longueur du spectre diminuer en même temps que la déviation moyenne, prendre sa plus petite valeur quand le milieu du spectre est à peu près au minimum de déviation, puis augmenter de nouveau. On considère généralement la dispersion correspondant au minimum de déviation du rayon moyen du spectre.

La dispersion dépend encore de l'angle du prisme et de la substance dont il est formé. On montre l'influence de la substance à l'aide d'un prisme formé de plusieurs autres superposés; en substituant ce polyprisme à un prisme unique, on obtient plusieurs spectres qui.

non seulement sont inégalement déviés, mais encore ont des longueurs différentes. De plus, on ne remarque aucune relation évidente a priori entre les dispersions des divers spectres et leurs déviations moyennes.

154. Conservation de la couleur et de la réfrangibilité d'un rayon. — Si la dispersion ne fait, comme le suppose New^ton, que séparer des rayons préexistant dans la lumière blanche et ayant chacun ses propriétés distinctives, ces- rayons devront, après la dispersion, conserver ces propriétés telles que couleur, réfrangibilité, etc. C'est ce que montre Texpérience suivante.

A l'aide d'un premier prisme P (fig. 129), on produit sur un écran

FiR. 129.

un spectre VR aussi pur que possible; cet écran est percé d'une ouverture étroite, J, qui laisse passer un mince pinceau de rayons; ce pinceau est reçu sur un second prisme P', puis sur un second écran J'. On constate d'abord que ces rayons ont conservé leur couleur après leur seconde réfraction. Puis, en faisant tourner le prisme P, on fait en sorte que les divers rayons du spectre passent, chacun à son tour, au travers de l'ouverture et tombent tous sur le second prisme sous la même incidence ; or, on constate qu'ils sont inégalement déviés par le second prisme, et qu'ils y sont d'autant plus réfractés qu'ils le sont déjà davantage par le premier.

155. Expérience des prismes croisés. — Les conclusions de l'expérience précédente peuvent encore s'établir de la manière suivante.

Ayant mis au porte-lumière un diaphragme circulaire, on en projette, à l'aide d'une lentille, l'image B (fig. 130) sur un écran placé normalement aux rayons incidents. A l'aide d'un premier prisme Pj à arêtes verticales et dont l'angle réfringent est petit, on intercepte la moitié du faisceau lumineux, de sorte qu'une partie continue de former une image blanche en B, tandis que l'autre donne un spectre

Fig. 130.

RjV, dispersé horizontalement. En plaçant un second prisme Pg, de m^me angle et dont les arêtes sont horizontales, immédiatement derrière le premier, on intercepte la moitié de chacun des deux faisceaux précédents. L'image B et le spectre RjVj subsistent; mais les rayons

interceptés par le second prisme seulement donnent un spectre RgVj dispersé verticalement, et les rayons réfractés successivement par les deux prismes fournissent le spectre incliné RV. Or, ce dernier est disposé de telle façon que l'image centrale B et trois couleurs similaires des trois spectres forment sensiblement les sommets d'un même parallélogramme. Par conséquent, la quantité R^R dont le rayon rouge, par exemple, après avoir été dévié de la quantité BR^ par le premier prisme, se trouve dévié par le second, est précisément égale à la quantité BRg dont il serait dévié sans avoir subi de dispersion préalable. Il a donc conservé, après son passage au travers du premier prisme, les propriétés dont il jouissait avant. L'aspect du phénomène ne serait plus aussi simple si les angles des prismes étaient plus grands.

156. Vision^ au travers d'un prisme^ d^objets diversement colorés. — On peut constater l'inégale réfrangibilité des couleurs, non seulement sur les rayons dispersés par un prisme, mais encore sur les rayons émis par des objets diversement colorés. Un objet vu au travers d'un prisme parait déplacé du côté de l'angle réfringent (95), et doit le paraître d'autant plus que l'indice du prisme est plus grand ou les rayons plus réfrangibles. On dispose sur un fond noir, à la suite l'une de l'autre et horizontalement, deux bandes colorées l'une en bleu, l'autre en rouge, puis on les regarde au travers d'un prisme en plaçant, par exemple, l'angle réfringent vers le haut; la bande bleue semble plus relevée que la bande rouge.

157. Recomposition de la lumière blanche. — i° Par les lentilles, — Supposons qu'à l'aide d'une fente 0 (fig. 131), d'une lentille L et d'un prisme P (152), on ait projeté sur un écran un spectre VR de la lumière blanche. Interceptons les rayons dispersés à l'aide d'une seconde lentille AB. Les images successives de la fente qui constituaient le spectre VR seront reportées en VR', dans le plan focal conjugué du plan VR par rapport à la lentille AB, et on verra, sur un écran placé en VR', se dessiner un spectre pur plus petit et ayant la môme dis-

position que le précédent. Considéronsle point P' conjugué du point P où se trouve placé le prisme ; tous les rayons se croisent à peu près en ce point, et l'expérience montre qu'ils y forment, par leur superpo-

SO

Fig. 131.

sition, une tache lumineuse blanche qui n'est pas autre chose qu'une image du prisme ; on en conclut que les rayons provenant de la décomposition de la lumière blanche forment de nouveau de la lumière blanche en se superposant. Enfin, sur un écran placé au delà du point de croisement P', on verrait un spectre disposé d'une façon inverse du spectre R'V, mais dépourvu de netteté, puisqu'il n'y a d'images de la fente qu'en R'V.

158. 2® Par les miroirs. — Newton réalisait encore la recomposition de la lumière blanche à l'aide de petits miroirs sur lesquels il recevait les rayons dispersés par un prisme; en donnant à ces miroirs une orientation convenable, il réfléchissait tous ces rayons vers un même point où l'on retrouvait de la lumière blanche.

159. 3<* Par les prismes inverses, — Considérons un faisceau parallèle de lumière blanche, BCB'C (fig.

132), rencontrant successivement deux prismes de même angle et de même substance, mais disposés en sens inverse. Un des rayons simples qui le composent,

Fig. 132.

tombant sur le premier prisme sous l'angle i et en sortant sousTangle i', tombe sur le second sous l'angle i et en sort par conséquent sous l'angle i; le faisceau conserve donc sa direction. Mais un rayon de lumière blanche tel que BC est décomposé par le premier prisme en un faisceau coloré dont le rayon rouge suit une marche telle que CDEFR, et le rayon violet une marche telle que CGHKV; ces deux rayons sortent donc parallèles, mais non superposés. Faisons la même construction pour l'autre bord, B'C, du faisceau incident. Dans toute la partie du faisceau réfracté comprise entre les rayons V et R', on trouvera superposés, suivant une parallèle au faisceau, des rayons de diverses couleurs provenant de rayons incidents différents, et toute cette partie sera blanche; dans les régions VR, YK seulement, il manquera un nombre de couleurs d'autant plus grand qu'on sera plus près de R ou de V; le faisceau réfracté sera donc bordé de rouge d'un côté, de violet de l'autre. Les régions VR et VR' seront, d'ailleurs, d'autant plus larges que les prismes seront plus épais.

Il est aisé de voir qu'un faisceau de lumière blanche se comporterait de même en traversant une lame à faces parallèles.

160. 4° Par le disque tournant, — Un disque de carton est divisé en secteurs colorés dont chacun reproduit, avec sa teinte et son importance relative, une couleur du spectre solaire; on a donc sur ce disque des secteurs successivement violet, indigo, bleu, etc. On le fait tourner rapidement. Par suite de la persistance des sensations lumineuses, on reçoit, à la fois, en fixant un point du disque, l'impression dés diverses couleurs qui s'y succèdent dans un temps très court, et on a la sensation du blanc, à la condition, toutefois, que le disque soit vivement éclairé, exposé, par exemple, aux rayons du soleil; sans cette précaution, le disque qui réfléchit, en somme, beaucoup moins de lumière qu'une feuille de papier blanc, paraît gris.

161. Expérience de Charles. — On peut, avec un seul prisme, observer la recomposition de la lumière blanche. Considérons, en eflfet, un rayon de lumière blanche SI (fig. 133) se propageant dans la section principale d'un prisme ABC dont chacun des angles est de 60'\ La réfraction dans la face AB donne un faisceau coloré compris entre les rayons extrêmes ID et lE, et la réfraction en AC disperse encore ce faisceau davantage entre DR et EV, de sorte qu'on voit un spectre sur un écran placé sur le trajet des rayons R, V.

Mais, en DE, une partie de la lumière est réfléchie et va rencontrer la face BC en GF; si r, / et /' désignent les angles que fait un rayon tel que IDG avec les normales en I, en D et en G, on a (92)

et, comme les angles A et G sont égaux,

donc le rayon réfracté GR', auquel le rayon DG donnera naissance en G, sortira sous le même angle i que fait le rayon incident SI avec la normale à AB, et tous les rayons tels queGR', T'Y',... seront parallèles : si, au lieu d'un rayon unique SI, oji considère un faisceau d'une certaine largeur, les rayons R', V',... formeront un faisceau de lumière blanche légèrement irisé sur ses bords (159). Si on continue de suivre les rayons GH, FK,... réfléchis en G, F,...

Fig. 133.

on trouve pour les angles, en partant de la face BG, la même succession de valeurs qu'en partant de la face AB; il sortira donc de la face AB un faisceau dispersé, de la face AG un faisceau de lumière blanche, c'est-à-dire, en résumé, un faisceau dispersé et un faisceau de lumière blanche de chacune des faces du prisme. Ges faisceaux auront, bien entendu, une intensité d'autant moindre qu'ils seront d'un ordre plus élevé.

162. Couleur» complémentaires. — Supposons que, dans l'une des expériences précédentes, on recombine toutes les couleurs du spectre, moins une; que, par exemple, avec les miroirs, on rejette de côté les rayons rouges pour ne superposer que les autres; ce n'est plus de la lumière blanche qu'on obtiendra, mais une couleur à laquelle il suffirait d'ajouter du rouge pour faire du blanc; c'est ce qu'on appelle la couleur complémentaire du rouge.

On dispose généralement l'expérience comme pour recomposer la lumière blanche à l'aide d'une lentille (157); seulement, on

emploie une lentille cylindrique AB dont les génératrices sont parallèles à Tarôte du prisme et, derrière cette lentille, on dispose un petit prisme très étroit qui intercepte une partie des rayons et les rejette latéralement; on obtient alors, au lieu de l'image unique P', deux bandes colorées de couleurs complémentaires; on fait en sorte que ces deux bandes empiètent Tune sur Tautre, de manière à retrouver du blanc dans leur partie commune.

La couleur complémentaire du rouge est verte, de Torangé, bleue, du jaune, violette.

163. Réflexion totale à la limite, — Soit SI (fig. 134) un rayon de lumière blanche se propageant dans la section principale d'un prisme ABC, ID et lE deux rayons colorés provenant de sa dispersion. Pour qu'un de ces rayons soit réfléchi totalement par la face AC, il faut que l'angle d'incidence i satisfasse à la relation (92)

ein t •< w sin (A — i),

n désignant l'indice de réfraction et l l'angle limite, ou bien, en

remplaçant sin/ par -,

sin i <C v^ w=* — 1 sin A — cos A.

Supposons qu'on diminue progressivement l'angle d'incidence en

faisant tourner le prisme autour d'une parallèle à ses arêtes; n étant

6 7^^!5:Xd P^^s grand pour les rayons plus

réfrangibles, l'angle i satisfera d'abord à la conditton précédente pour les rayons violets qui seront réfléchis totalement en V, tandis que les autres continueront de passer en R; puis toutes les coupj„ ^3^ leurs, du violet au rouge, disparaî-

tront successivement du spectre obtenu en R pour former en V un faisceau successivement violet, bleu, vert. Ces dernières couleurs seront d'ailleurs toujours lavées de blanc, puisqu'il y a toujours en DE une réflexion partielle qui donne en V un faisceau de lumière blanche (161).

164. Raies dn speetre solaire. — Supposons qu'en suivant les prescriptions du n^ 152, on projette sur un écran un spectre pur de la lumière du soleil. En observant ce spectre avec attention, on y découvre, si la fente qui sert de source lumineuse est suffisamment étroite, une série de bandes sombres transversales, comme si certaines couleurs manquaient, ou qu'elles eussent, du moins, une plus faible intensité que les autres.

Wollaston découvrit quelques-unes de ces bandes en regardant à l'œii nu une fente étroite el lumineuse au travers d'un prisme. Frauenhofer les étudia avec soin en observant, à l'aide d'une lunette, l'image d'une fente dans un prisme de flint. 11 découvrit qu'elles étaient, en réalité, formées par des assemblages de raies fines diversement accentuées, et que ces raies sombres étaient parsemées en très grand nombre dans tout le spectre solaire : depuis Frauenbofer, en effet, on en a toujours découvert davantage, à mesure qu'on a su construire des instruments plus puissants, et celles qu'on a comptées se chiffrent aujourd'hui par milliers.

Le spectre (1) de la planche I montre les principaux groupes : on leur a donné les noms des premières lettres de .l'alphabet; le groupe D, en particulier, se compose principalement de deux raies très voisines l'une de l'autre et situées dans le jaune orangé.

n importe de remarquer que, bien que ces raies paraissent absolument noires, le spectre n'est pas, en réalité, discontinu; si l'on s'arrange de manière à voir une raie seule en caclianl la partie voisine du spectre, on reconnaît qu'elle renferme, elle aussi, de la lumière; seulement l'intensité en est bien moindre que celle des couleurs contiguës, et, par contraste, elle parait noire. Ces raies correspondent donc seulement à des minima d'éclat dans le spectre.