Hétérogénéité de là lumière blanche
t38. Expériences de Newton. — Phénomène fondamental. Foutes les fois qu'un pinceau de lumière blanche subit une ré- :lion sensible, on le voit en même temps s*élargir et se colorer. .•a dispersion est donc aussi anciennement connue que la réfrac- I. Sénèque dit qu'une baguette de verre, cannelée ou bosselée, evant transversalement les rayons solaires, présente les couleurs mes de Tarc-en-ciel ; et dans ces couleurs il distingue le rouge, aune et le bleu, tout en remarquant que les diverses teintes se cèdent par dégradation insensible (^).
^our étudier ce qui se passe quand la lumière du soleil traverse iquement un morceau de verre, Kepler se servit d'un prisme de re équilatéral ('). L'expérience se fait très simplement : le me (que Ton n'a pas besoin de prendre équilatéral, si Ton ne t que constater la dispersion) est placé sur le trajet d'un fais- X solaire, qui pénètre dans la chambre obscure par un trou if de forme quelconque, larète du prisme étant perpendicu- ^ au plan moyen d'incidence; l'image reçue sur un écran
^irgula solet fieri vilrea, striata vel pluribus angulis in modum clavœ to-
hœc, si ex transverso solem accipit, coiorem talem qualis in arcu videri
reddit. — Videmus in eo (arcu) aliquid flammei, aliquid lulei, aliquid
^^i, et alia in picturœ modum subtilibus linœis ducta, ut ait poeta; ut an
Ki^iles colores sint scire non possis, nisi cum primis extrema contuleris.
UE, Que$iions naturelles, liv. I, 7 et 3.)
PLEB, Dioptrice, p. 6. Âugusta Vindelicorum (Augsbourg); 1611.
apparaît dilatée perpendiculairemenlà des DuaDces les plus vives.
rète du prisme et colorée
Fig. 3i:,
Explication de Newton. — Complexité de la lumière blanclir. — Newton le premier (') fit connaître la vraie raison du phénomêDefû»,.^^^^ le rapportant à l'hétérogénéité de la lumière blanche, qu'il af^rmc^^ être formée d'une infinité de lumières simples, caractérisées â l^::^ fois par leur réfrangibilité et par leur coloration.
Dans la théorie ondulatoire, une lumière, comme un son, (7^=91 définie par sa période, immuable à travers tous les phénomèD^^K
(sauf certains cas très spéciaux] : la coloration et la rérrangibililfdi '.■
pendent de celte période, La période étant donnée, la lonpieL ir
d'onde dans un milieu où la propagation s'effectue avec uncce^^tainiî vitesse est par là même connue. En optique, on définit ofd > nairement une lumière par sa longueur d'onde dans le vide: cV ^ à cette quantité par conséquent que l'on rattachera la réfraD^I» 'lilé et la coloration.
Pour que l'allongement de l'image prouve réellement la coK plexiié de la lumière, il est nécessaire que le prisme soil pU<'« au minimum de déviation. En effet, dans l'hypothèse où lous lc4 rayons du Taisceau solaire auraient même indice, comme ils r("' contrent le prisme sous des incidences différentes, ils éprouveraief'
(') Newton, Opticn, London; I104.
méralement des déviations inégales, qui amèneraient un allongelentde Timage dans le plan de réfraction. Mais, au voisinage du [iinimum, la déviation, ne variant qu'infiniment peu avec Tincilence, sera la même pour tous les rayons du faisceau étroit consi* lArë, bieo qu*aa seul de ces rayons soit rigoureusement à Tinciittnee Toulae pour le minimum; et Teffet du prisme sera de faire lonmer le faisceau en bloc d'un certain angle. On peut alors ftlBnier que si les rayons composant le faisceau avaient même nnUet de réfraction, ils projetteraient sur un écran une image de mènes dimensions que s'ils n'avaient pas traversé le prisme. Au pOQlrtirey si la lumière blanche est constituée par divers rayons >yait des réfrangibilités différentes, il y aura autant d'images que !• rayons divers ; et la réunion de toutes ces images élémentaires vodoira une tache allongée perpendiculairement à Tarète réfrinente.
Relation entre la coloration et la réfrangibiltté. — En même ^mps que l'image s'allonge, elle se colore des teintes de Tarc-enel. La coloration est en effet le caractère physiologique (un peu tg'ue) d'une lumière, comme la réfrangibilité en est le caractère ty sique. C'est ce que Newton prouva par des expériences varices, ^tituées toutes en vue de montrer que les rayons qui diffèrent couleur diffèrent aussi de réfrangibilité : 1^ Sur un papier noir, il traça l'un à côté de l'autre deux tangles qu'il recouvrit soigneusement l'un de couleur rouge, itre de couleur bleue. Regardant à travers un prisme le papier 1 éclairé, il trouva la partie bleue plus déviée que la rouge. * Il prit avec une lentille successivement l'image de chaque ingle, contre lequel il appliqua un fil de soie noir et fin, de 1 à pouvoir mettre l'écran exactement au point : l'image bleue rut plus près de la lentille que la rouge. \ expériences faites à dessein d'abord avec des couleurs maté- \ se répéteront ensuite beaucoup plus exactement avec les 1rs mêmes du spectre.
7/re solaire. — On nomme spectre solaire l'apparence colorée
au delà du prisme par les rayons du soleil, lorsque toute
) blanche a disparu du milieu de l'image, résultat qui s'ob-
ajours quand les rayons pénètrent dans la chambre obscure
'478 OPTIQUE GËOHBTRIQUE.
par une ourerlure assez étroite et que l'écran est situé à
lance assez grande du prisme.
D'après Newton, on distingue dans le spectre sept cout< cipales (*) :
rouge, orangé, jaune, vert, bleu, indigo, violet. L'ouverture par laquelle entrent les rayons étant toaj posée très étroite, la forme du spectre est celle d'un rectaoj par deux demi-cercles (ou plus généraleraeat deux demi- Chaque faisceau de rayons différents donne en effet m circulaire ayant le diamètre apparent du soleil. II résal de là que les couleurs manqueront de p
B suite de l'empiétement des diverses ii unes sur les autres.
Faits à fappui de l'explication de JVi Par ce procédé imparfait Newton est c parvenu à vérifier l'exactitude de son h] les rayons différemment colorés sont imé réfrangibles, mais ils sont carae^rtMA' indice de réfraction, de telle sorte qtiê'4 p. 3|g de même indice se comportent toujomt-
LesespériencesquileprouventsoDtDbc a) Polyprisme. — Le polyprisme (426) permet d'étudier i mènede la dispersion avec toutes les substances que l'on ta tous les angles possibles. Dans tous les cas le phéD0in< essentiellement le même. La diï^persion n'est donc pu priété spéciale, se manifestant dans certaines circoastaiK culières, mais bien le résultat d'une loi générale. La lunùè se compose d'un grand nombre de rayons distincts; et I qui ont des indices de réfraction différents dans une sub:
(<) Newton croyait à uiieréparlilion fixe descouleursdans le spectre fût la matière du prisme (ce qui n'est pas). Il chercha donc la loi dqi cette succession, et, croyant la trouver dans la gamme phrygienne, arhitrairement sept couleurs, dont les hmiles se partagèrent Tin terra comme les sept notes ut ri mi^ fa sol la si> ut divisent la corde dn
en parties reapeciiveroent égales ^-.-Tîëft-i '^ premiei I : - correspondant au violet, le deuxième - ' ^ ^ l'iudigo....
odI encore diOerents dans une autre, le signe de la dilTéreace restant habituellement le même.
b) Réflexion totale. — Le phénomène delà réflexion totale tournit à Newton un nouvel argument en faveur de ses idée?. L'angle limite
étant défini par la relation sin X = - ne sera pas le même pour les
dWers rayons: telle incidence, sous laquelle le rayon rouge passera du verre dans l'air, amènera la. réflexion totale du rayon violel à U surface de séparatioa des deux milieux. De là l'expérience suivante: UQ faisceau de lumière blanche frappant l'un des côtés d'ua prisme isocèle ABC, poli sur ses trois faces, et donnant vers la base *|Q spectre VR|, on fait tourner le prisme autour de son axejus- 911'i ce que l'angle des rayons intérieurs avec la base atteigne la ^iear limite relative à la lumière la plus réfrangible : le violet disparaît du spectre et va se réfléchir dans une situation S'S'„
■rméirique des rayons incidents. Continuant à tourner le prisme ^DS le même sens, on verra l'indigo abandonner à son tour le ^ectre pour émerger parallèlement au violet, puisque chaque '^Ton réOéchi sur la base doit sortir en faisant avec le second côté le tnème angle qu'il fait à l'entrée avec le premier côté. Le faisceau iodigo se superpose donc au faisceau violet et change la teinte ^ l'image réfléchie. Cette teinte se modifie ainsi graduellement à "iieiure que l'on tourne le prisme et finit par atteindre le blanc.
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Aewton se IrouTe daos l'actioo des lentilles sur la lumière blanche. L»t distance focale d'uae lentille convergente, dont les faces ont respectivement pour rayons R et R', est définie par la formule
;■=("- "(r+it)'
cette distance /doit donc diminuer du rouge au violet h mesure que n augmente. En effet, quand la lumière solaire vient frapper une lentille convergente, les rayons violets convergent plus près de la lentille que les rayons rouges.
C^est ce que l'on peut montrer en coupant le faisceau avec un «cran. Entre la leolille et le foyer des rayons violets, l'écran offre'un cercle blanc borde de rouge. Au delà du foyer des
rayons rouges, on voit au contraire une tache blanche entourée " uoe bande violette. Entre les deux foyers extrêmes, le phé- *ioniène est plus complexe : si l'intersection du faisceau tu- *^ineux parait sensiblement blanche en AB, cela tient simplement ù ce que les divers rayons se croisent dans un espace ^>^l resserré ; mais en réalité ils ne donnent nulle part du blanc : "^ le reconnaît facilement ea recevant la lumière sur une 'oupe.
Au lieu de couper le faisceau en différents points avec un écran, On peut le rendre visible au moyen de poussière de craie, et faire ^oir ainsi à une assemblée nombreuse qu'il est constitué comme '^ous venons de l'indiquer. Ainsi opérai t Charles dans ses fameuses
yiDiXB, Court de phi/iigue. — 11. 31
convexe, de surface un peu grande, recevait la lumière la page imprimée. Il cherchait la position que de^ une feuille de papier blanc, de Tautre côté de la le qu'on y pût lire distinctement les caractères; il déter très exactement la position de Timage formée par les éclairaient alors le livre. Le soleil se déplaçant, la t( rayons changeait ; et si elle passait du rouge au viol rapprocher à mesure le papier de la lentille pour voii rimage.
Si?np licite des rayons séparés par le prisme. — Les suivantes ajoutent un résultat important à celui que i de constater. Tous les phénomènes examinés jusqu'ici si Ton admet que la lumière blanche se compose de ray ment colorés, caractérisés par leur réfrangibilité. Il resl si les rayons séparés parle prisme étaient des éléments
Malgré Timperfeclion de ses procédés expérimenta réussit à montrer qu'un faisceau de rayons, dont Tindic tion est le même par rapport à un prisme, se comporte les circonstances comme un système unique.
a) Expérience des priâmes croisés, — L'expérience croisés est une preuve très élégante de cette simplic menls du spectre solaire. Derrière un premier pris pour donner un spectre, on en met un autre de m et de même angle, mais perpendiculaire au premi( qu'un plan normal aux arèles du second prisme c
prisme a provoqué une séparatioa complète des éléinents. Ed opérant ainsi que l'indique la figure ci-conlre, on recueillera sur l'écran quatre images : l'image directe s, les deux spectres, ru et
r'u", produits isolément par les prismes P et P', enfin un spectre iDcliaé à 43', r'u, provenant des rayons réfractés par les deux prismes. Or la largeur de ce dernier spectre est égale à celle de chacun des spectres dus à une seule rérraction. Il est donc prouvé que tous les rayons qui dans le premier spectre rencontrent UQeiDéme ligne verticale ont même indice de réfraction.
b) Inaltérabilité d'un pinceau isolé. — Semblallement, toutes les Toisque l'on isole dans un spectre un pinceau assez étroit (au moyen à*UQ trou m percé dans l'écran ALN) et qu'on le reçoit sur un nou- Teuu prisme A', on observe une déviation sans élargissement ni Coloration du pinceau.
A vrai dire, ces expériences trahissent toujours quelque imper- ■cciioa; si elles ne laissent aucun doute sur cette proposition que 'es rayons du spectre sont simples, elles attestent la difficulté •^'obtenir un spectre pur,
cj Èclairement par une lumiî-re simple. — Dans le même ordre aidées, on peut citer ce fait qu'une lumière colorée tombant sur
OPTIQCE GÉOMÉTRIQUE.
un corps n'éprouve pas les mêmes modifications que la lumière Itlanclie. Tandis que celle-ci se colore par suite de l'inégale diffusion de ses éléments à la surface du corps, la lumière simple conserve toujours sa teinte, son intensité seule variant d'après la manière dont elle est diffusée par le corps ('}. La couleur d'une lumière du spectre ne dépend donc nullement du corps sur \eque] elle tombe, soa éclat seul change.
Recomposition de la lumière blanche. — Newton a contrôlé celle analyse par une série d'expériences réciproques où, réunissant les rayons qu'un prisme a séparés, il reproduit de la lumière blaQche :
-à) Beconifiosilion par tes sept miroirs. — L'une des plus natu ^.
relies en principe, mais d'une exécution assez pénible, consiste réiléchir vers un même point les divers rayons du spectre. Ec»-.^ guise de réflecteur, Newton se contentait du mur sur lequel S'-^^n dessinait le spectre: un papier tenu k la main paraissait blao^Ar^,^ quand il était également éclairé par les différentes couleurs. 0: ^3(hl'
s'aide maintenant de sept petits miroirscirculaîres, moatéssuru j même règle le long de laquelle Ils se déplacent à volonté. On rer le milieu de chacune des sept couleurs principales sur le centre cbacun des miroirs et, en inclinant convenablement ceux-ci, rassemble toutes les couleurs en un point unique où ellesdonoeiiK *lf
(') L'aspect de fiijures liumnines, ou iiraplemeni d'images d'Êpinâl, rcJji rées par In lumière, sensiblement mono ;iiromalique, de l'alcool îol*. c*l éw
■e blaociie. On peut même apprécier ainsi les résultats du clés couleurs, mais sans précisiou, les couleurs isolées sur niroir n'étaul rien moios qu'homogènes.
omposition par les prismes. — Un autre moyca est de l'effet du premier prisme par ud deuxième. L'expérience plusieurs façons.
re un prisme P projetant un spectre bien pur on place un risme P', identique au premier, mais tourné en sens con-
i ce second prisme est assez rapproché du premier pour «JOBS sortant de celui-ci soient encore en grande partie es, ces rayons, ramenés au parallélisme, formeront un faisumière blanche, sauf vers les limites qui seront irisées, l'une I, Tautre' en violet, comme le montre la flgure ci-jointe.
sert aussi d'une cuve quadrangulaire de verre, divisée
prismes égaux par une lame transversale : si l'on verse dans l'un des compartiments, on a un spectre faible, quoi- «ment visible; si l'on verse en outre de l'eau dans le M>mpartimenl, on voit émerger un faisceau de lumière ' et blanche.
recomposition par des réfractions égales et inverses se ncore avec un seul prisme, ainsi que l'a indiqué Charles me ancienne expérience de Kepler. Un prisme équilatéral I faisceau de lumière solaire sous l'incidence correspondant Qum de déviation ; et de chaque face du prisme émergent à la isceau de rayons disperséset un faisceau de lumière blanche. lire 334, dans laquelle on a tracé la marche d'un rayon, rend immédiatement du phénomène. L'ne portion du rayon
en I se réfléchit suivant IR; l'autre portion pénètre dans
48ft OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE.
le prisme, émerge en partie et docne le spectre ru, se rèQéchit eti partie et vient rencoatrer la troisième face BG : là, le pinceau iri',!" se partage encore en deux, l'un émergent 1"R', l'autre réfléchi l'I^ Or, d'après la symétrie de la figure, il est aisé de reconnaitre ([kx,
pour chaque rayon simple l'angle d'incidence intérieure eDl'Mlé^l à l'angle de réfraction intérieure en I. Tous ces rayons àlearswlit deviendront donc parallèles et formeront avec les autres rayoas h faisceau une i mage blanche (excepté sur les hords). Quant an piDceu réfléchi rriri"!. il est par rapport à la face BC exactement dans les mêmes conditions oîi se trouvait par rapport à la face ABlt pinceau HT, après la première réfraction en I ; il produira doW à l'émergence en V un spectre r'u dans lequel les couleurs senil distribuées comme à l'ordinaire, le rouge étant du c6té de l'arètt réfringente B. Finalement l'os aura en (ont les six faisceaui iadiquéssur la figure ('].
Parmi ces faisceaux d'intensités décroissantes, Kepler avait scak-
(') Le faisceau de lumière blanche qui sort par la face AC ayant la dirtcUon des rayons jaunes moyeus au minimum de dévialion, on a toujours un Iriil ^' lumière blanche au milieu du spectre r« produit par un prisme équilatéril,' moins de noircir la face BC.
it signalé tes Irais premiers R, ru et R', l'un blanc, l'autre ré et le troisième empruslant la teinte du verre ([d'il a traé ('), sans c^ipliquer te défaul île coloration en R' autrement
par une absence de réfraction en ï".
Becomposition par les lentilles. — Si l'on di<ipose une lentille vergente (*} à une assez grande distance au delà du prisme, les ms, déjjt très notablement séparés ù leur arrivée sur la lentille, ent UD spectre bien net près du plan focnt principal, cliaque èce de rayons allant converger en son fojer respectif/,/'. Puis, irsuivant leur marclie, ils s'entrecroisent et vont se superposer ah dans le plan focal conjugue du prisme : en eiïet, tes ravons diverses couleurs, partis d'un môme point m du prisme, se réutent sensiblement au point m', conjugue de m pour les rayons jeos. Dans ce plan on aura donc une tache blanche ab (saufsur
bords extrêmes, dont on peut éliminer l'influence par l'emploi a diaphragme ù l'exemple de Foucault). En avant de ce plan, la
imposition est incomplète; en arrière, elle l'est également, la wrsion se prolongeant en sens inverse. Effectivement, si l'on •* une lame de porcelaine dépolie dans le plan focal conjugué la face d'incidence, on voit une tache blanche; mais si l'on y an miroir poli, on voit un spectre coloré, parce que les divers >DS réfléchis régulièrement se sépareront comme s'ils avaient JQué leur route directe au delà de ce point.
Sole prisma irradiante Iria gênera railiorum résultant, sincerus, vitri colore
.dîbus coloribas (Kbplbr, /oc. ct(.).
Un miroir concave produirait te même cfTel.
déterminé ('). Parmi les couleurs du spectre, sont c taires, d'après M. von Helmholtz ('),
Bouge et Bleu-vei*ddtre
Orangé Bleu
Jaune Bleu-indigo
Jaune-verdatre Violet.
Le Vert du spectre n'a pas de couleur complémentair a pour complément le Pourpre, couleur composée pr< mélange des couleurs simples (violet et rouge) qui se tr deux: extrémités du spectre.
Becomposition par la superposition des effets physiol Il est encore un mode de recomposition de la lumière, physiologique, qui consiste à superposer rapidement si une série d'images teintes des diverses couleurs du sf suite de la persistance des impressions sur la rétine, couleurs s'ajoutent comme si elles étaient simultanées.
On obtient aisément ce phénomène en faisant tourne autour de son axe : alors le spectre oscille sur Técra position correspondant au minimum de déviation et lumière disparait par réflexion totale; et si le mouvemei rapide, l'œil perçoit du blanc, sauf aux. deux limites ( parcouru par le spectre.
(*) Hblmholtz, optique physiologique, Irad. Javal et Klein, p. 36o.
DrSPERSlOX. — EXPÉRIENCES DE NEWTON. 4S0
Li'expérieace bien connue du disque de Newton (expérience due tfusschenbroeck) est une autre forme du même procédé i''.
Conclusion. — Toutes ces expériences s'éclairent réciproquement et démontrent ii la Tois la loi de Descnrtes et celle de New- Un.
L>tt démonstration acquerra une caliérc rigueur si l'on opère >KC des lumières vraimcat simples. ?Jous nous sommes contentés jusqu'ici de faire arriver sur un prisme un faisceau parallèle ou très peu divergent, d'une certaine largeur, et de recevoir la lumière sur un écran situé à quelque dislance; niais sur cet écran les <'>veT3es taches lumineuses, produites par les innombrables rayons «lîllcreinment réfrangibles qui constituent le faisceau incident, se KcouTreat les unes les autres en grande partie: la séparation des ailleurs est manifestement incomplète.
Procédé pour obtenir un spectn- pur. — Pour obvier à cet inconvénient, Newton eut recours au procédé suivant, dont la portée n'a *té bien comprise que de nos jours: la .lumière, admise par une '^Qle parallèle à l'arête du prisme placé au minimum de déviation pour les rayons moyens, tombe sur une lentille convergente qui ''onae dans le plan conjugué de la fente un spectre pur. Sans doute, le prisme n'est rigoureusement a|)ianétique que pour les *cul3 rayons dont la route est exactement symétrique (et à la con- ^UioD encore qu'elle se tienne tout près de l'arête]; mais il l'est ciicure très approxi[nativement pour chacun des faisceaux simples PHmitivement superposés dans la lumière incidente et qu'il sépare «nies déviant inégalement, de sorte qu'une lentille achromatique
Cl On la réalise très bien en projcclion avec un disque en gi-lalincs colorées.
lumière assez d'iateDsKé, ce qui implique uae certaine TeDle. Quand on dimiaue progressivement cette laideur un spectre dont un faisceau étroit, reçu sur un nouTi n'éprouve plus d'élargissement appréciable (').
Baies de Frminhofer. — Si donc les divers rayons forment pas une suite continue dans la lumière spectre devra présenter des espaces obscurs. On 1
(') Newton opérait avec une Ti^nte ayant la forme d'un triangl allongé dont la base élait parallèle ù l'aréle du prisme, de torta bouts la largeur était extrêmement réduite. On emploie aujourd' à bords parallèles et mobiles. On n'aura d'ailleurs qu'à copier ex ad positirde Newton : on prendra un objectif de lunette aitrono
leot ea répélnnl ce deNewtoD, qui pu TUS lui-mèiiic te à cause de la qaalilé des verros lûposait. Wollaslignalapourlapi-e- 1^" FrauQhorer ( jjplme soio et L>n m que nous repio- Monlre, réduil ii
■liafauilTaiespriii- IWes par Frauop séparer à peu 'atpl couleurs du
béme rouge; «range; le rouge et 1' l'orangâ et le Jaui le jaune et le veri; le «en et le bleu ; l'indigo et le violet :
Iréme violet.
)U encore ooler
uiei large dans
ttréme;
lie très apparente
S8US est figurée « des ioteDsités i relatives, telles
LASTO», Phil.
fHOFER, DenkschrifUn d.
I. Wiss. tu Mftncheii. V, ; et Qetammelte ScKriftsgegel>en von Lutn- :hen; 1888], 1.
us OPTIOUB GÉOMÉTRIQUE,
que les estimait Frauohofer : le maiimum se trouve dans le jaune, et la courbe s'abaisse rapidement du côté des rayons pea réfpangibles {on ne distingue A qu'à l'aide d'un Terre rouge éliminant toute autre lumière); elle descend moins vite de l'autre côté, et certains yeux suivent le spectre très loin au deli du violet.
434. Spectroscope('). — Histoire du spectroscope. — Aulieu . de la recevoir sur un écran, Fraunhofer observait direclemefllà
l'aide d'une loupe l'image aérienne du spcclre. Celle loupe fomm' avec la lentille de projeclign une véritable lunette, il monlasurk cercle horizontal d'un Ihcodolile un prisme et une lunette astronomique à travers laquelle il visait une fente étroite, parallèle ' l'arête réfringeate et suffisamment éloignée. 11 put ainsi mesortr les déviations correspondant aux différentes raies, et par suite li«' la position exacte de ces raies dans le spectre de réfraction queM donnait son prisme.
Trente ans plus tard, Matthiessen {') reprit l'étude du spectre» moyen de son ienttprisme, dans lequel une fente très étroite élii' examinée avec une simple lentille à laquelle s'accolait un prisn"
[') Voir Salbt, Traité île fpecirosropie. Paris, Masson; 1888. OMiTTHiEssEM, ^nn. de Mm. et de phys., (3), XL, 385; 18i4.
receTaot normalement les rayons et les projetant sous un angle issex ouTert; un petit prisme B les ramenait dans une direcion Toisine de Taxe, et un verre coloré venait au besoin s'inter-
Fig. 33o
iser. Les pertes de lumière étant faibles, Téclat restait considérable; , grâce à la finesse de la fente, la netteté était grande. Il importe I effet de remarquer qu'avec une fente étroite, la netteté est à auprès indépendante des angles d'incidence et d'émergence, car >rs il y a toujours une véritable image parallèle à Tarête ; et loique le minimum de déviation facilite la construction et le g^lage, cette condition n'est nullement nécessaire. D'après Broch (*),
distingue bien les raies en regardant une fente étroite, un peu >ignée, à travers un prisme placé contre Tœil et que Ton tourne
manière à amener l'image de la fente à la distance minimum
la vision distincte.
MM. Fizeau et Foucault (^) revinrent à la disposition de Fraun- »fer et, remplaçant la fente éloignée par un collimateur suivant exemple de Babinet, ils constituèrent l'appareil auquel Masson(^) >nna la forme représentée figure 194, et que Kirchhoff et Buna (*) employèrent quelques années plus tard avec tant de succès us le nom de spectroscope.
Spectroscope de Kirchhoff et Bunsen, — Les deux savants d'Hei- 'Iberg ajoutèrent un deuxième collimateur portant au foyer de ' lentille une échelle divisée dont l'image, réfléchie sur la face I prisme par laquelle sortait la lumière dispersée, s'observait dans lunette en même temps que le spectre et permettait d'en repérer ^ raies. Au premier collimateur, sur la moitié supérieure de la
D BaocH, iVs^t. Magaz, f, Nalurvidensk.j IV; 1845.
(') Fjzeau el Foucault, d*après le Happort de Babinel sur deux mémoires résentés en i845 el 1846, C.R,, XXVI, 680; i848. (*) Masson, Ann. de rMm. et de phys.y (3), XI., 385; ÏHoi. (S Bunsen et Kirchuoff, Poyy, Ann., CX, 161 ; 1860.
fente, an plaça un petit prisme à réflexion totale pouvaDi recevoVcla lumière d'une source latérale, tandis que le reste de la fer&x^ était directement éclairé par une autre source: on obtient aivx^j exactement t'un au-dessus de l'autre les spectres des deux sourc^^
i-ig. J:ii
ce qui facilite la comparaison. Enfin, le prisme, lixé dans la position correspondant à la déviation minimum des rayons jaunes, lu> recouvert d'une sorte de chapeau cylindrique percé seulement de trois trous en face des (rois lunettes.
Etude théorique de /'a/j/mrei/. — La dispersion a pour mesiirt la variation de la déviation correspondant à une variation donDi'C de l'indice.
Si donc nous considérons on prisme d'angle A, rcccvantlsl"' micre sous une incidence j, et la projetant par coaséqueDl sou* l'angle i" défini, d'apri^s les formules (ij (426), par la relalioQ
sin i'' = Hsin(A-r)
on
sin r = sin A.\n'^ — sin '/ — cos A sîn i i-*
et si nous différencions cetic équation en regardant A et i «mm'
conslanis, nous aurons la dispersion élémentaire ou le pouvoir dispersif
dr= '^.?'^ rf/i(M. (4)
cosi cosr ' ^ '
Si au contraire nous dififérencions Téquation (4) en regardant n comme constant et i comme variable, et représentant la largeur angulaire de la fente Tue du centre du collimateur, ci' exprimera la largeur angulaire d'une raie, tandis que di' est la distance de deux raies d'indices très voisins
^., cosicos/' . , .
cosi cosr ^'^
y7 est le pouvoir amplifiant du prisme (*). Le rapport entre la
distance et la largeur de deux raies voisines, c'est-à-dire la pureté ou le pouvoir de résolution est donc
rf/' sinA du
W ~~ cosicos/' Il ^ ^
Le pouvoir de résolution et le pouvoir dispersif (abstraction faite des phénomènes de diffraction) ne dépendent que des quantités cosi cosr' et cosi' cosr, quantités symétriques qui varient en sens iHYerse entre les mêmes limites et passent par un maximum iden- *>que, que Tune atteint pour r=//^/',rautre pour r =/i'r, approxi- "ïïativement. 11 y a donc de part et d'autre du minimum de déviatiOD un minimum de dispersion et un minimum de résolution.
Sii varie depuis Tincidence rasante jusqu'à la valeur correspon-
(*)Dans le ca» du minimum de déviation déterminé parles formules (2}, cette ** pression devient
Ou
'il"/
di' = llr±Un, (5)
2Sin —
di' =z — '^ dn. (6j
i/i — /i^sin^i-
(') Quand la déviation est minimum, m'=:li : le pouvoir amplifiant est alors ^Ral à Tunité.
dant à rémergence rasante, le pouvoir dispersif descend lentemea au minimum, puis croit jusqu'à Tinfini. Le pouvoir de résolutioi suit une marche inverse, décroissant depuis Tinfini jusqu*à ui minimum à partir duquel il ne croit que très peu.
Une expérience de TboUon (^) montre bien ce double effel Tandis qu'un prisme de flint, installé sur la platine d'un spea troscope, reçoit la lumière d'une lampe à cblorure de sodiu (lumière qui, nous le verrons bientôt, se réduit à la double raie D on règle la largeur de la fente de sorte que, pour la déviatio minimum, les deux raies D soient juste au contact. Si alors o tourne le prisme de manière à augmenter l'incidence, les de raies se séparent quoique leur distance diminue. Elles se co fondent en une bande unique qui va s'élargissant quand on tour en sens inverse.
Mais on ne peut pas accroître indéfiniment l'incidence : outre la diffraction qui s'oppose aux incidences rasantes, les imp fections des surfaces et les défauts d'homogénéité^de la matière ve tardent pas à déformer les images, puis les pertes par réflexion augmentent, surtout avec les substances très dispersives, qui ool en même temps des indices élevés, telles que les flints lourds i ou le sulfure de carbone (^).
Spectroscopes à plusieurs prismes. — On préfère donc multiplier les prismes, comme MM. Fizeau et Foucault Font fait les premiers. De Jà ces spectroscopes dans lesquels la lumière traverse successivemeot plusieurs prismes identiques, disposés suivant une ligne polygonale régulière. Ces prismes, étant tous placés au minimum pouruB certain rayon (^), peuvent ne plus être suffisamment réglés pour des rayons un peu éloignés : le constructeur devra donc leur laisserdcla
(») Thollon, C. fi., XCIÏ, 128, 1881.
(*) Si la fente est un peu longue et la source d'un diamètre apparent lelq« du haut de la fente partent des rayons venant frapper le bas du prisme. et inversement, ces rayons inclinés sur la section droite se réfracteront pardl^l^
ment à cette section comme s'ils avaient pour indice V'** -+-('** — 0*?**' ^ seront donc plus déviés que ceux qui tombent normalement sur le prisme : k* raies se courberont en tournant leur concavité vers le violet et s'estompeiw* à leurs extrémités.
(^} La déviation peut être minimum par rapport à un système de prisnie* sans Têlre pour chacun d'eux séparément; si cetle dernière condition est rf»* plie, la déviation est minimum minimorum.
DISPERSION. — SPECTBOSCOPE. 401
nobilité ('). Dans quelques appareils les prismes sont très nombreui : tel celui de M. Gassiot (') réunissaut onze prismes à sulfure de carboDe, el produisant entre les deu\ raies D un écart de 3'.
Ud peut diminuer le aombre dea prismes en rameDant le rayon *ur lui-même par réfleiion sur un miroir, qui parfois est constitué Simplement par la face extrême argentée, comme dans le spectros- ^pe vertical de Duboscq (lîg. 333). Le plus souvent, on emploie ^ai miroirs convenablement inclinés ou un prisme à double réflexion totale, de façon à replier le rayon dans un plan parallèle, ï *iosi que le fait voir la figure 334.
ÎLe premier système a été adopté par M. Corou (*) dans un spec- ^ttscope où il a réussi à obtenir une 1res grande dispersion avec •■n seul prisme traversé quatre fois par le rayon et une lunette à ; *<Mig foyer, faisant office en même temps de collimateur et de viseur. M. Young (') a appliqué le deuxième système o son spectroscope
, (*) Aui spectroscopes dils automatiques sont aJaptiJs des dispositifs perraet- ~*nt de mettre à la fois tous les prismes h la dcvialion inînimum pour une cou- ■"••" donnée, par le seul jeu de la lunette visant sur celle couleur. <■) Gassiot, Proeeed. of Ihe R. .S., XII, u3C; 18G3. \*i CoB.'«u, Journal de physique, (2), II, 53 ; 1883. (*) YoLNO, Jountai Fmnklin Instilute, LX ; 1873.
VioLii, Court de pliy>iifue.~U. 33
«08 OPTIQUE GËOHËTRIQUE.
astronomique et 31. Grubb (') à ua appareil automatique où \1
avait réuni plusieurs de ces prismes composés qui servirent j
M. Rutherfurd {') pour ses travaux de photographie speclraletl que Dous retrouverons dans l'instrument de ThoUon.
Speclroscopes à vision directe. — Une classe intéressante fs
celle des speclroscopes i i
I directe, avec lesquels, coDim" "
nom l'indique, le spectre s'observe suivant la direction méfflf '''* rayons incidents.
Profitant d'une combinaison imaginée par Amici, M. JaDS^^o -
i'i I GnuBB, J/onl/i/r/ Xolica of Ihe R. Asiron. Soc, XXX, 30 ; t863-70. i'i IUTiiEHFt:R[.,.SiHt"inan'sJot(ni(i(, XXXIX, 129; IH69 ['} JA^iSEN, C. fl-, LV, 370; 1862.
; premier construit un spectroscope à vision directe, au moyen cinq prismes : deux prismes en flint alternant avec trois prismes crown. La déviation imprimée à un rayon par Tensemble est la ërence des déviations produites séparément par les deux par- >; le flint et le crown dispersant inégalement, il est possible d'anerla déviation pour une couleur, le jaune par exemple, sans la
•uire pour les autres. C'est Teffet inverse de Tachromatisme :
iimière sort de Tappareil sans déviation quant à sa direction
enne, mais avec une dispersion de même sens que celle qui
it due au flint seul.
î prisme compensé se place entre un collimateur et un viseur
tés en ligne droite avec le prisme dans un seul tube, le viseur
ant toutefois s'incliner légèrement de part et d'autre, de façon
*'re le spectre dans toute son étendue (*).
-c du flint très dispersif on peut n'employer que trois pris-
Fi"
^ la figure 336 représente l'un de ces petits spectroscopes de ^^, si répandus aujourd'hui : outre le prisme compensé, l'appacomprend simplement une fente, qui s'ouvre plus ou moins à 'e d'un anneau fileté, et une seule lentille (-).
' Dans les appareils d'observation courante, HofTmann remplace la lunette onomique par la lunette de Galilée, pour réduire la longueur de Tinstrunient. ) M. Mousson n'emploie qu'une fente et un prisme placé tout près de Tceil, ime dans Texpérience de Brocb.
SOO OCTIOUE GËOHËTRIQUE.
Si Dous remarquons que le ravon moyen est nécessairement pei pendiculaire au plan bissecteur du prisme central, nous pourroi même réduire le système à l'une des moitiés, d'après le procé adopté par M. Ctiristie ('j, dans son demi-prisme amplifiant représenté ci-contre. La dispersion est considérable ; mais, l'an^ d'émergence étant grand, les difficultés signalées plus haut re'
Fij!, 33;
paissent; et le flint très dispersif (densité 5), ne se trouvant pi préservé du contact de l'air sur sa face d'entrée, s'altère vile.
M. Zenger ('; est revenu à la disposition la plus simple : àer. prismes, très aigus, l'un solide, l'autre liquide, d'indices nioten
voisins, mais de pouvoirs dispersifs très différents, par ew^i^ crown et huile de cassia dissoute dans la benzine, sont réuDisii' faron à former un parallélipipède rectangle qui disperse énorm'-
(') Chhistië, Proceed. of the H. S-, XXXI, 23; ItJTT.
CJKti se rcportniit it l'expression du pouvoir amplifiant, formuléo plusbmi (éi|Uation 7), on voil aisément qu'il est égal au rapporl de l'épaisseur du pii'""' îDcidenl à l'épaisseui' du pinceau émerpenl; le demi-prisme de M. Chtisi'' mérite donc bien le nom d'amplillant qu'il lui a donné.
(J)ZEsr.KH. C. fi-, XCU, tj03, el XCIII, 429; )B81.
ment la lumière : la largeur angulaire du spectre atteint 24"". Comme Fa indiqué M. Janssen, on peut encore mettre à profit la réflexion totale afin de ramener le rayon moyen dans la direction primitive tout en maintenant l'écartement des rayons extrêmes. La figure 339 montre un couple de prismes établis par M. A. Herschel (^) pour obtenir ainsi la vision directe.
Fig. 339
Spectroscope Thollon («). — Thollon a réalisé avec un petit nombre de prismes un spectroscope à vision directe d'une puissance remarquable.
Considérons d'abord un couple^ c'est-à-dire un système de deux prismes identiques, qui font entre eux un angle a. En conservant les cotations précédentes et en affectant respectivement des indices i ^* ^ les angles relatifs au premier et au second prisme, nous avons
La déviation qu'éprouve un rayon est exprimée par la relation
= ii -I- Il 4- la -1- ij — 2 A = i|-l-zi— aA-ha.
On peut toujours attribuer à a une valeur telle qu'un rayon tra- ^^rsant le système soit normal au plan bissecteur de cet angle : le ^^uple sera alors au minimum de déviation pour le rayon. En fai- •^Ht varier a d'une manière continue, on amènera donc successi- ^^tnent au minimum de déviation chacun des rayons simples con- ^Husdans un même rayon incident de lumière blanche.
La dispersion élémentaire du système
dH^ sin A(cos i\ cos r, -f- cos i^ cos y^) dn cos i\ cos /*, cos i , cos r,
(1) A. Herschel, Chem. News, XIX, 157; 1869.
[^) Thollo.n, Journal de physique, VII, 141, et VIII, 73; 1878-79.
est pour le minimum relatif au couple (ij^ij, ri = r^)
rfi, 2 sin A
2 sîn A
dn cos l'î CCS /'i cos i, cos r[ ' ety dans le cas où en outre Tincidcnce et Témergence sont normales
le spectre est alors normal par rapport à l'indice.
Thollon réunit dans son spectroscope un certain nombre de ces couples rectangles formés chacun par les deux moitiés en regard de deux prismes consécutifs. 11 emploie des prismes composés (crown et sulfure de carbone) ayant un pouvoir dispersifeoDsidérable. On a figuré ci-contre Tun de ces prismes (*), la marche d'oa rayon (^), enfin la disposition générale de l'appareil tel quelecoi»truit Laurent. Il suffit d'agir sur la vis V pour faire défiler toat le spectre devant Tœil de l'observateur; cette vis entraine avec elle
Fig. 3Î0
Fig. 3ii
une bande de papier sur laquelle on enregistre les raies au moyen d*un crayon commandé par la manivelle M, placée sous la lunelleO Thollon a pu relever ainsi en quelques mois la position de prèsd^ 4ooo raies. Beaucoup de raies regardées jusqu'alors comme simples ont été dédoublées : (elles appartenaient toutes à deux substances; mais nombre de raies (F et C, par exemple) se sont seulement montrées plus larges, tandis que d^autres restaient d'une
(*) Les indices moyens des deux substances différanl peu, il est posâW^sans perdre trop de lumière, d'employer des incidences considérables, à la coddition toutefois d'une grande perfection dans le travail des surfaces.
(*) Avec deux nouveaux prismes à réflexion, on obtiendrait rigoureasem^"^ la vision directe, mais on perdrait un peu de lumière.
UISPEHSIÛM. — SPECTHOSCOPE. S03
finesse exlrèiiie, malgré l'énorme dispersion. La dislaDce angiilniro (les raies D élait la', leur distance appareafe i5 millitnèlres, la longueur du spectre i5 nièlres.
Il va de soi que dans tous ces appareils la lunelle pourra être à'aulanl plus puîssaule que le spectre sera lui-même plus pur.
M. Woir (') a construit tout ri'cemmeat un spcclroscopi; dans lequel une lunette à fort pouvoir optique permet de distinguer les détails les plus délicats du spectre.
Echelles speclroncopit/ues. — Dans le spectroscope de Bunsen, l'échelle était une division en parties égales de longueur arbitraire. On se contente encore ordinairement de ce dispositif; car tes dis- ^nces respectives des raies dépendant du système réfringent adopté, "neconversion sera en général nécessaire pour ramener les mesures * Un spectre type. On nomme spectre normal, celui dans lequel les <*c%iation8 des dilTérentes couleurs sont proportionnelles aii\ longueurs d'onde : c'est le spectre type.
l'our traduire les divisions de réolielle d'un spectroscope en '(^Dgueurs d'onde, on notera sur celte échelle la position d'un Certain nombre de raies dont la longueur d'onde soit exactement Connue, cl l'on rattachera ces observations entre elles à i'aide d'une
■,{') WoLF, Bulleliii lies tuluncet '.k la SoàcW frmiçnise 'le physique; ISOO.
i)04 OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE.
formule empirique (^) ou d'une courbe sur laquelle oq lira immé-diatement la longueur d'onde correspondant à une division qaeU conque de Téchelle (comprise entre les points marqués directement) . Importance du spectroscope . — Avec le spcctroscope est née une science nouvelle, merveilleusement féconde. Nou^ n'avons pas à rapporter ici toutes les conquêtes qui lui sont dues. Mais nous ne saurions faire comprendre le rôle capital joué par le spectroscope sans indiquer les questions ([ue cet instrument a permis d'aborder et de résoudre. Nous insisterons seulement sur celles qui touchent spécialement à notre sujet.
Extension des recherches relatives à la décomposition de la lumière, — Sous rinfluence du spectroscope, la question de la décomposition de la lumière s'est singulièrement élargie. Newton n'avait expérimenté que les rayons solaires. On a soumis au spectroscope les différentes sources de lumière — sources naturelles : astres et météores lumineux; sources artificielles : flammes et corps incandescents — le rayonnement étant observé tel qu'il émane de la source ou après son passage à travers un milieu retenant une partie àti m^ rayons. De là deux sortes de spectres, les spectres d'émission elles l,| spectres d'absorption. ||i
Spectres d'éuiissiou.
Deux espèces de spectres d'émission. — Ces spectres se partageai eux-mêmes en spectres continus et discontinus.
Spectres continus des liquides et des solides. — Les solides ou liquides incandescents émettent un spectre continu s'étendanl J* plus en plus du côté du violet à mesure que la température s'élèvcf) Parmi les sources à spectre continu, nous citerons les charbonseo- ■- t tre lesquels jaillit Tare voltaïque (mais non Tare), les lampes i incandescence et les flammes (becs de gaz, lampes à huile oa* pétrole, bougies), toutes sources dans lesquelles le corps incandescent est le carbone solide.
(*) (iiBBs, Sillimaiis Journal of science; 1870. — Gor.nc, Ann. de chm.ti'''^ phyu., (61, VII, 57; 1886.
i^} Draper, Phil. Marj., (3), XXX, 345 ; 18*7.
pectres discontinus des vapeurs ou ffaz. — Les vapeui's ou gaz iQdesceDts donnent un spectre discontinu, formé de raies briles sur fond obscur. La température s*élevant, les raies s'élarent et s*estompent; de même, la densité de la vapeur croissant, )ectre tend à devenir continu.
afférents moyens de volatiliser les corps pour obtenir leur spectre. Les moyens employés pour porter le corps à Tincandescencc Qt ici une grande influence sur les résultats, nous devons énu- "er les plus importants qui se rattachent h deux catégories : imes et décharges.
) Flammes. — Les flammes non lumineuses de la lampe a alcool Iville, Brewster, Herschel, Miller (*)) ou mieux du bec Bunsen xhhotr et Bunsen) conviennent très bien pour étudier les spec-
des corps se volatilisant à température peu élevée. On voit sur gure 33i comment le corps (sel métallique) est porté dans la ime au moyen d'un fil de platine préalablement plongé dans
dissolution ou muni d'un fragment du corps : le fil doit être é plus bas que la fente, de façon à ne pas introduire le spectre tinu du platine incandescent ('). Si une température plus haute nécessaire, on se servira de la flamme de Thydrogène dans Tair Mitscherlich ('), Mascart (*)) ou de celle du gaz tonnant (Wolf Nacon (•)). Mais on préférera ordinairement recourir à Télecité.
Eq 17a2, Meiville examina avec un prisme quelques flammes colorées el irqua que Talcool salé ne présenle qu'une couleur (Melville, Edimb. phys. tut. Essays, II, 12 ; 17o2). Kn 1822, Brewster confirma celte propriété de la •€ monochromatique (Brewster, Tram, of the H. S. of Edimburyfi; 1822). La le année, Herschel étudia les spectres d*un grand nombre de flammes coloet particulièrement ceux relatifs au chlorure de strontium, au chlorure de •e et à Tacide borique (John Herschel, Trann. of the D. S. of Edimburyh ; ). Eq 1845, Miller releva les spectres un peu confus émis par les sels alcaet alcalino-terreux dans la flamme de Talcool (Miller, Report of the Brilish ciatwn^ei Phit. Mag,, (3), XXVII. 81 ; 1845).
Pour obtenir une alimentation continue, on peut employer soit un tube >sé comme ceux au moyen desquels on donne à boire aux oiseaux (A. Mitrlich], soit un pulvérisateur lançant dans la flamme la substance réduite en isière (Bunsen, Gouy). — Gouy, Ann. de chim. et de phys.^ (^), XVIH, 23 ;
A. MIT^CHERLICH, Poyy. Anrt.,CXVl ; 1862; et Ann. de chim. et dcphy».^ (3), ^109; 1803.
Mascart, Annala de CÉcole normale, IV; 1800. \VoLF et DiACON, Mémoires de V Académie de Montpellier; 1802.
b) Décharges. — Dès i83j, Wlieatslone (') avait observé que l'étincelle éclalaot entre deux boules d'un métal donne un spectre rormé de raies brillantes, caractéristiques du métal et indépeQ~ dantes du milieu ambiant (il opérait avec une étincelle forasse et courte). Mais les anciennes inacbines étaient fort incommodes; et Masson {*) perfectionna singulièrement le procédé en liraai l'étincelle de la bobine d'induction et en lu condensant à l'aide d'une jaiTC intercalée dans le circuit.
Quand il introduisit le métal dans l'arc électrique, Wliealstoof obtint les mêmes raies que par l'étincelle. Foucault (') fil également
usage de l'arc pour réduire les métaux en vapeurs incandescentes, et Hobiquet {'') l'employa dans un travail remarquable auquel nous empruntons les photograpbies ci-joiotes du spectre solaire elà spectre de l'argent;'). Avec ce métal, l'expérience est très belle
n Dublin; oa Chtmieul .Vnts <nce, V; 1836; el WiV. *>«..
(') Whe»TïTO:«K, Report of Ihe Britii'h As^-nciation
III, 198; 1835. Cf. Talbot, Brciv^lcrs Journal of i
