LES COULEURS DU SPECTRE SONT SIMPLES. — Faisons tomber

FiG. 90.

sur un écran opaque E (flg. 90) un spectre obtenu en recevant sur un prisme A un faisceau de lumière blanche.

Pratiquons une ouverture 0 dans l'écran E, de façon à laisser passer une petite portion du spectre qui nous paraisse sensiblement de même teinte dans toute son étendue, le rouge par exemple, et faisons tomber ce faisceau coloré sur un second prisme B. Nous constaterons, en le recevant sur un écran blanc D, qu'il est dévié par le prisme B sans être dispersé, c'est-àdire sans s'étaler et sans donner naissance à d'autres couleurs.

4. LES DIVERSES COULEURS DU SPECTRE ONT DES INDICES DE RÉFRACTION DIFFÉRENTS. — Reprenons exactement la même disposition expérimentale que dans le cas précédent. En faisant tourner autour de son arête le premier prisme A, qui reçoit le faisceau de lumière blanche, on peut faire tomber sur l'ouverture 0 les diverses parties du spectre. Tous les faisceaux diversement colorés qui rencontrent successivement le second prisme, qu'on laisse immobile, tombent sur sa face d'entrée en faisant le même angle d'incidence. Or, on constate que les faisceaux diversement colorés sont inégalement déviés par le second prisme : la déviation va en croissant quand on passe du rouge au violet. Ceci indique bien que l'indice de réfraction des diverses couleurs du spectre va en croissant du rouge au violet (voir Chap. III § 7 les formules du prisme).

On peut, du reste, modifier de beaucoup de manières cette expérience fondamentale. En voici, par exemple, une autre forme. On supprime l'écran et l'on place derrière le premier prisme A, dont nous supposerons l'arête verticale, un second prisme B dont l'arête est horizontale et qui reçoit le faisceau dévié et dispersé par le premier prisme (flg. 91). En faisant tomber sur le premier prisme un faisceau de lumière blanche horizontal, on obtiendrait sur un écran blanc vertical E un spectre horizontal R'V, si le second prisme n'existait pas. Hais le second prisme déviant dans le sens vertical les diverses couleurs de ce premier spectre, et les déviant de quantités inégales, il en résulte un spectre oblique RV. Ce fut là une des premières expériences de Newton.

5. LA SUPERPOSITION DES DIVERSES COULEURS DU SPECTRE RE PRODUIT LA LUMIÈRE BLANCHE. — 11 reste à établir que le mélange

IF

DISPERSION

des diverses couleurs simples qui constituent le spectre produit bien sur l'œil l'effet du blanc.

Fie. 91.

Newton a beaucoup varié les expériences qu'il a faites à ce sujet. Dans Tune d'elles, il a mélangé dos poudres colorées à peu près de la teinte des couleurs principales du spectre. Après quelques tâtonnements, il est arrivé à produire par leur mélange une poudre grise. Or, le gris diffère du blanc par un moindre éclat. En éclairant par un rayon de soleil une couche de cette poudre grise, elle paraissait aussi blanche qu'une feuille de papier placée à l'ombre.

On conçoit que ce procédé n'est pas parfait, les nuances des poudres colorées ne pouvant être identiques aux couleurs mêmes du spectre (l).

(1) On peut adresser le même roproche à l'expérience du disque rotatif, si souvent répétée dans les cours, et qui a été imaginée par le physicien hollandais Mussenbroeck vers 1762, et non par Newton, auquel on l'attribue habituellement. Sur le pourtour d'un disque on colle des secteurs en papiers

Newton est arrivé à un meilleur résultat en mélangeant les couleurs mêmes du spectre. Il a employé pour cela plusieurs procédés.

FiG. 9i.

Une de ses premières expériences, la plus parfaite peut-être, consiste à faire tomber le spectre fourni par un prisme A (fig. 92) sur la surface d'une lentille convergente B placée à une distance du prisme supérieure à sa distance focale. En recevant sur une feuille de papier blanc les rayons réfractés, ceux-ci y forment un spectre nuancé, quand la feuille de papier est en K près de la lentille; mais, en écartant le papier, on voit les diverses couleurs se rapprocher puis se confondre, et Ton trouve une position L telle que toutes les couleurs sont confondues : la tache lumineuse est alors d'un blanc parfait. Si Ton continue à écarter la feuille (M), les couleurs se séparent de nouveau, et forment un spectre dans lequel les teintes sont disposées dans un ordre inverse, par rapport au premier spectre. Il est aisé de voir, du

de nuances aussi voisines que possible des sept couleurs principales du spectre. En faisant tourner rapidement le disque, il paraît gris. Or, on sait que l'impression produite sur l'œil dure quelques instants après que la cause qui lui a donné naissance a cessé d'agir; il en résulte que, si le disque tourne assez vite, un point de la rétine conserve à la fois l'impression de toutes les couleurs du disque : le mélange des sensations colorées donne la sensation du gris.

DISPERSION

reste, que c'est à l'endroit où les faisceaux colorés s'entrecroisent que se trouve l'image du prisme donné par la lentille. En effet, tous les rayons qui sont émis par un point A du prisme, quelle que soit leur couleur, vont, après réfraction, concourir au point A' image du point A; en ce point A' les diverses couleurs du spectre doivent donc se trouver confondues comme elles le sont dans le prisme même (1).

Dans cette expérience, on obtient une tache colorée en masquant par un écran opaque (une lame de carton par exemple) quelquesunes des couleurs qui tombent sur la lentille : les couleurs conservées donnent une image du prisme ayant une teinte qui varie suivant la nature des couleurs interceptées.

KiG. 93.

Newton indique que, dans l'expérience précédente, on peut remplacer la lentille par un système de deux prismes B et G (fig. 93), réfractant et dispersant en sens inverse le faisceau réfracté et dispersé par un prisme A. La dispersion produite par l'en-

(1) On peut, tout aussi bien, remplacer dans cette expérience la lentille convergente par un miroir concave; il est même plus commode, dans un cours, d'employer un miroir parce que sa surface étant, en général, plus considérable que celle d'une lentille, on peut donner au spectre une plus grande étendue.

quand l'objet s'écarte très peu d'un axe qui lui est perpendiculaire, cet axe devant, en outre, dans le cas des lentilles, être confondu, ou à peu près, avec l'axe principal.

Lorsqu'il n'en est pas ainsi, un miroir sphérique ou un système de surfaces réfringentes sphériques centrées peut encore donner des points qui s'écartent notablement de l'axe une image assez nette si, par un diaphragme ou par suite de la petitesse du diamètre des lentilles, il n'y a qu'un faisceau de rayons voisins qui concourent à la formation de l'image de chaque point. Mais alors,

Fie. 89.

en général, les images des divers points de l'objet plan ne sont pas dans un même plan : l'image est courbe.

Il y a donc là un nouveau genre d'aberration, c'est-à-dire une nouvelle cause de déformation de3 images, dont il est nécessaire de tenir compte pour la construction des instruments d'optique.

Dans le cas d'un miroir ou d'une seule surface réfringente sphérique, les lois que nous avons établies permettent immédiatement de voir dans quel sens l'image sera courbée. Dans le cas d'une lentille ou de plusieurs surfaces sphériques centrées, on arrive aussi à ce résultat en examinant la forme des images fournies successivement par les surfaces réfringentes, l'image

DISPERSION 409

riences précédentes, en supprimant quelques-unes des couleurs du spectre vr par un écran noir mat, la tache b paraît colorée.

6. COULEURS COMPLÉMENTAIRES. — Supposons qu'on supprime plusieurs des couleurs du spectre de la lumière blanche; les couleurs conservées forment par leur mélange une certaine teinte colorée A. Les couleurs supprimées formeraient par leur mélange une autre teinte colorée B. Il est clair que le mélange de la teinte A et de la teinte B doit donner du blanc , puisque l'ensemble de ces deux teintes comprend toutes les couleurs du spectre. D'une façon générale, on désigne sous le nom de couleurs complément iaires deux teintes dont le mélange donne du blanc.

Si Ton supprime le rouge du spectre, l'ensemble des autres couleurs donne du vert, et, réciproquement, si Ton supprime le vert, l'ensemble des autres couleurs donne du rouge : le rouge est complémentaire du vert. Si Ton supprime le jaune du spectre l'ensemble des autres couleurs donne du bleu; inversement, si l'on supprime le bleu, l'ensemble des autres couleurs donne du jaune : le jaune et le bleu sont complémentaires.'

7. DE LA COLORATION DES OBJETS. — DIFFUSION. — Nous appelons en général couleur d'un objet la couleur que présente cet objet quand il est éclairé par de la lumière blanche, la lumière du jour par exemple. Mais la couleur d'un même objet dépend essentiellement de la nature de la lumière qui le frappe. Ainsi, formons un spectre lumineux à l'intérieur d'une pièce qui ne reçoit pas d'autre lumière que celle qui traverse le prisme; faisons tomber le spectre sur un objet quelconque dépourvu de polispéculaire; nous constaterons que l'objet ne renvoie à l'œil que la couleur , simple du spectre qui le frappe, de façon que chaque partie de l'objet parait de la couleur du spectre qui l'éclairé.

En faisant cette expérience, nous verrons que si l'objet n'est pas blanc à la lumière du jour, il renvoie inégalement à l'œil les diverses couleurs simples du spectre. Ainsi une étoffe rouge, tendue dans le spectre, parait fortement éclairée dans la partie rouge, plus faiblement dans la partie jaune, et parait tout à fait noire dans le vert et le bleu : elle absorbe les rayons verts et bleus, et ne les diffuse pas. On conçoit, dès lors, pourquoi, vue à Tome II 27

la lumière du jour, l'étoffe parait rouge : elle renvoie à l'œil le rouge qui compose la lumière blanche en plus grande quantité que les autres couleurs simples. Ainsi s'expliquent toutes les colorations que peuvent avoir les objets qui diffusent la lumière. Les objets blancs sont ceux qui diffusent également toutes les couleurs simples du spectre; les objets noirs ceux qui, absorbant toutes les couleurs, n'en renvoient aucune à l'œil, et produisent sur lui le même effet que l'obscurité.

Les corps transparents qui nous paraissent incolores, comme le verre ordinaire, sont ceux qui laissent passer en quantités égales toutes les couleurs du spectre ; les corps transparents qui nous paraissent colorés, sont ceux qui sont opaques pour certaines couleurs simples, et transparents pour d'autres, ou, d'une façon plus générale, qui transmettent en proportion inégale les diverses couleurs. Ainsi, quand on place sur le trajet d'un faisceau de lumière blanche, tombant sur un prisme, un verre coloré en rouge par de l'oxydule de cuivre, le spectre se réduit à peu près à la partie rouge, les autres couleurs étant arrêtées.

8. POUVOIR DISPERSIF. — La différence des indices des deux couleurs extrêmes du spectre varie d'une substance à une autre. Ainsi le verre d'optique à base de plomb (ûint glass) présente une différence entre ces deux indices bien supérieure à celle que présente le verre à base de chaux (crown glass).

On appelle pouvoir dispersif d'une substance le rapport

— ji de la différence nt — wt des indices de réfraction pour

les deux couleurs extrêmes du spectre à l'excès de l'indice de réfraction n de la couleur moyenne sur l'unité (1).

(1) On définit souvent le pouvoir dispersif d'une substance comme le

&t — dt

rapport — -j— de la différence des déviations d« et dt des couleurs extrêmes, données par un prisme formé de cette substance, à la déviation d de la couleur moyenne. Défini ainsi, le pouvoir dispersif dépend un peu de l'angle du prisme employé et de l'incidence : ce n'est donc pas une véritable caractéristique de la substance. Pourtant, si le prisme employé est d'un petit angle a, et si les rayons tombent sous une incidence voisine de la nor-

DISPERSION

Nous donnerons plus loin (Chap. VIII g 10) un tableau des pouvoirs dispersifs des substances les plus importantes.

9. SPECTRE PUR. — Supposons qu'un point lumineux A (fig. 95) émette une lumière monochromatique, c'est-à-dire une lumière simple indécomposable par le prisme. Formons, au moyen d'une

Fie. 95.

lentille convergente L, une image réelle A' du point A. Si sur le trajet du faisceau qui a traversé la lentille nous disposons un prisme, les rayons sont déviés et donnent de A' qui fonctionne par rapport au prisme comme un point-objet virtuel une image réelle nette > si le prisme est au minimum de déviation. Pour toute autre position du prisme, l'image de A' est remplacée par deux lignes focales, ce qui empêche d'obtenir une image nette de A sur l'écran qui reçoit le faisceau dévié. Dans ce qui va

maie, on a, comme nous l'avons vu (Chap. III { 7 forai. 5) : d= (n — i) a; d'où :

La déflnition du pouvoir dispersif fondée sur les déviations devient identique, dans ce cas, à la déflnition donnée dans le texte, qui est évidemment préférable.

suivre nous supposerons le prisme placé au minimum de déviation.

Si, maintenant, nous prenons comme objet lumineux une fente parallèle à l'^rète du prisme et éclairée par derrière à Taido d'une lumière monochromatique, nous pourrons obtenir sur un écran convenablement placé une image nette de cette fente; cette image sera d'autant plus étroite que la fente elle-même sera plus étroite.

La position de l'image de la fente sur l'écran dépend de l'indice de réfraction de la lumière monochromatique qui éclaire la fente, et elle est d'autant plus rejetée du côté de la base du prisme que cet indice de réfraction est plus grand.

Si la fente est éclairée à la fois par plusieurs lumières monochromatiques différentes, il se formera sur l'écran autant d'images de la fente qu'il y a de couleurs simples dans la lumière qui l'éclairé, puisque ces couleurs ont des indices de réfraction différents. La lumière qui éclaire la fente est ainsi analysée par le prisme, qui en donne un 6pectre ; ce spectre est discontinu, les images brillantes de la fente étant séparées par des espaces obscurs.

Si les couleurs sont très nombreuses et d'indices très voisins, il faut, pour que le spectre soit pur, c'est-à-dire pour que les diverses couleurs n'empiètent pas les unes sur les autres que la fente soit très étroite, afin que ses images dans les différentes couleurs le soient aussi.

Quand les couleurs sont en nombre infini, les indices de ces couleurs variant par degrés continus, comme cela a lieu lorsque la fente est éclairée par la lumière blanche, si étroite que soit cette fente, ses images dans les couleurs successives empiètent forcément les unes sur les autres et Ton a un spectre continu. Mais, encore dans ce cas, le spectre est d'autant plus pur que la fente est plus étroite et que l'écran est mieux au point. Ou s'aperçoit que l'écran est bien au point par la netteté des bords inférieurs et supérieurs du spectre (11g. 96).

Si, dans le spectre pur d'une lumière, on trouve des lignes sombres parallèles à l'arête du prisme, cela indique que la couleur qui donnerait une image de la fente à l'endroit où se forme la raie sombre manque dans la lumière analysée, ou, tout au

D1SPEKS10N

moins, est d'une intensité plus faible (i). Ainsi, en analysant la lumière solaire par le prisme, on voit de nombreuses raies de ce genre, dont les positions relatives sont parfaitement fixes (planche 1 n° 2). Nous ferons plus loin l'étude des raies du spectre solaire (?).

La longueur du spectre du rouge au violet dépend de plusieurs causes. Evidemment cette longueur est d'autant plus grande que l'écran est plus loin du prisme. Elle dépend aussi du pouvoir dispersif de la substance qui forme le prisme et de la valeur de son angle. Enfin elle dépend de l'incidence des rayons sur la face d'entrée du prisme. Quand l'incidence est presque rasante, le spectre est court ; en faisant tourner le prisme autour de son arête, afin de rendre l'incidence moins oblique et de s'approcher du minimum de déviation, on voit le spectre s'étaler davantage. Il continue à s'étaler, si l'on dépasse la position du minimum de déviation, et devient très long au moment où, la réflexion totale se produisant sur la seconde face du prisme, le spectre s'évanouit. Nous ferons remarquer, à ce propos, que le violet ayant l'indice de réfraction le plus grand est la première couleur qui disparait du spectre en subissant la réflexion totale; le rouge est la dernière.

10. SPECTRE VIRTUEL. — Si Ton regarde à travers un prisme P (fig. 97) une fente lumineuse F parallèle à l'arête, on voit, si le prisme est au minimum de déviation, une image virtuelle nette

(1) Le plus souvent, quand la fente est étroite on voit le spectre sillonne de raies noires perpendiculaires à l'arcte du prisme et supprimant sur leur parcours toutes les couleurs du spectre du rouge au violet. Ces raies proviennent simplement de quelques poussières ou de quelques bavures qui bouchent la fente en certains points : ce sont les images de ces points obscurs dans toutes les couleurs du spectre.

(â) Quand on emploie pour éclairer la fenle les rayons directs du Soleil, renvoyés par un miroir plan {porle-îumièrc), il se forme dans le plan focal de la lentille une image du Soleil. Tous les rayons qui ont traversé la fenle et la lentille passent à travers cette très petite image. Or, c'est là qu'il convient de mettre le prisme (fig. 96), parce qu'ainsi on n'en utilise qu'une très petite portion, et que les défauts qui peuvent exister sur les bords du prisme ne produisent pas d'effets fâcheux.

DISPERSION

Fie. 97.

de celte fente dans chacune des couleurs simples qui composent la lumière éclairant la fente ; on a donc un spectre virtuel de cette lumière.

• Faisons remarquer que le violet étant plus dévié que le rouge, on voit dans le spectre virtuel le violet du côté de l'arête et le rouge du côté de la base.