A TRAVERS LE MICA ET LE SULFATE DE CHAUX. PRODUCTION

DES [MAGES COLORÉES PAR LE PASSAGE DELA LUMIÈRE POSA RISEE A TRAVERS LES CRISTAUX QUI n'oNT QC’uN AXE OPTIQUE, ET CEUX QUI EN ONT DEUX. — POLARISATION CIRCULAIRE. POLARISA- TION ELLIPTIQUE. DÉCOUVERTES DE MM. MOT , F R ES* EL , ET

DU PROFESSEUR AIRY. — PRODUCTION DES IMAGES COLOREES AU MOYEN DE L’INTERFÉRENCE DES RAYONS POLARISÉS.

Telle est la nature de la lumière polarisée et des lois qu’elle suit. Quant à la magnificence des phénomènes auxquels elle donne lieu dans les circonstances que nous allons essayer de décrire, il est sinon impossible , du moins bien difficile d’en donner une idée.

Si la lumière polarisée par réflexion à l’aide d’une lame de verre était vue à travers «ne plaque de tourmaline dont la section longitudinale fût dirigée verticalement, l’on verrait sur le verre' un nuage sombre dont le centre serait tout-à-fait obscur. Puis, si l’on interposait entre la tourmaline ët le verre, une feuille de mica de de pouce environ (un peu moins d’un millimètre) d’épaisseur, dans toute son étendue, le point obscur s’évanouirait sur-lechamp, et à sa place paraîtrait une série des couleurs les plus éclatantes, variant à chaque inclinaison du mica, depuis les nuances rouges les plus riches, jusqu’aux vertes,

aux bleues, et aux pourpres les plus vives*. Pour voir ces

• Note aoi.

Jt

f Sect. xxh. ] ... . ^Maces colorées. » 24S

couleurs dans tout leur éclat., il faut faire tourner le mica perpendiculairement à son propre plan. Si l’on fait mouvoir le mica circulairement dans un plan perpendiculaire au rayon polarisé, on y aperçoit deux lignes où les couleurs s’évanouissent entièrement; ces lignes sont les axes optiques du mica , — substance doublement réfringente , à deux axes optiques, le long desquels la lumière se réfracte en un seul rayon. ' ‘ ; ,

Aucune couleur n’est visible dans le mica , quelle que puisse, être sa position à l’égard de la lumière polarisée , sans l’assistance de la tourmaline, qui divise le rayon trans- * mis en deux faisceaux de lumière colorée, complémentaires » ,

l’un de l’autre ; c’est-à-dire, en deux faisceaux qui, réunis, feraient de la lumière blanche. L’un est absorbé et l’autre transmis par la tourmaline, ce qui fait donner à celle-ci , . le nom de plan d’analyse. Cette vérité parait encore plus palpable lorsqu’au lieu de mica on emploie une lamelle • * de sulfate de chaux dont l’épaisseur est entre la 20e et la 60e partie d’un pouce ( à très peu près entre I millimètre et un demi-millimètre). Si cette lame est d’une épaisseur uniforme, et qu’on la place entre le plan d’analyse et le. verre réflecteur , on ne voit qu’une seule couleur, comme V' par exemple, le rouge ; mais si Ton fait tourner la tourmaline , le rouge disparait par degrés, jusqu’à ce que le sulfate de chaux devienne incolore lili-même; puis il prend * une nuance verte qui augmente et arrive à son maximum quand la tourmaline a accompli le quart d’un tour, ou 90°; .

le vert ensuite s’évanouit à son tour, et le rouge reparaît. * * Ces changcmens se. reproduisent alternativement à chaque quart de révolution. D’après cette expérience , l’on voit que la tourmaline divise la lumière qui1 a passé à travers . ,

le sulfate de chaux, en un rayon ronge et un rayon vert; et que , dans une certaine position , elle absorbe le vert et . . laisse passer le rouge, tandis que dans une autre, c’est le •

24(i . images coLORÉril. [Sect. XXII. j

rouge quelle absorbe, et le vert qu’elle transmet. Il est facile d’acquérir la preuve de ce phénomène en analvsanl le rayon avec du spath d’Islande, au lieu de tourmaline; car, le spath n’absorbant pas la lumière, on’ aperçoit alors deux images du sulfate de chaux, l’une rouge, et l’autre verte; ces deux images échangent leur couleur à chaque quart de révolution du spath, c’est-à-dire que le rouge devient vert, et le vert rouge, alternativement. De plus, à l'endroit où les images se recouvrent, la couleur étant blanche, cela prouve que le rouge et le vert sont complémentaires l’un de l’autre. La teinte dépend de l’épaisseur de la lame. Des lamelles de sulfate de chaux d’un 0,00 et d’un 0,01818' de pouce (d’uno,o3i5* et d’un o,4Gt8* de millimètre) respectivement, donnent de la lumière blanche, dans quelque position qu’on les tienne, pourvu qu’elles soient perpendiculaires au rayon polarisé; mais des lames d’épaisseurs intermédiaires donnent toutes les couleurs. Conséquemment, un prisme de sulfate de chaux, variant en épaisseur depuis la o,oon/|e jusqu'à lao,oi8i8l‘ partie d un pouce (depuis la o,o3 1 5* jusqu’à la 0,461 8e partie d un millimètre) parait rayé de toutes les couleurs quand il est traversé par la lumière polarisée. Un changement d’inclinaison dans la lame, soit de mica, soit de sulfate de chaux, équivaut évidemment a un changement d’épaisseur.

Quand une lame de mica tenue aussi près de l’œil que possible, et inclinée de manière à transmettre le rayon polarisé dans la direction de l’un de ses axes optiques, est vue à travers la tourmaline dont l’axe est dirigé verticalement, l’aspect le plus magnifique vient s’offrir à la vue. Le point nuageux, qui se trouve dans la direction de l’axe optique, se laisse apercevoir entouré d’une série d’anneaux vivement colorés, et d’une forme ovale, divisés en deux parties inégales par une bande noire curviligne , passant par la tache sombre autour de laquelle les anneaux

{ Sect. XXII. ] IMAGES COLORÉES. 247

sont formés. L’autre axe optique du mica représente une image semblable'. . ...

Quand les deux axes optiques d’un cristal forment ensemble un petit angle, comme dans le nitre, par exemple, les deux séries d’anneaux se touchent extérieurement; et si l’on fait tourner la plaque.de nitre dans son propre plan, les bandes noires transversales subissent une variété de changemens, jusqu’à ce que toute l’image, vivement colorée, prenne la forme de la figure 8 , traversée par une croix noire1. Les substances qui n’ont qu’un axe optique, n’ont qu’une série d’anneaux circulaires colorés, avec une large croix noire passant par son centre, et divisant les anneaux en quatre parties égales. Lorsque le plan d’analyse est mù circulairement, cette figure se reproduit à chaque quart de sa révolution, mais dans les positions intermédiaires, elle prend les couleurs complémentaires, la croix noire devenant blanche.

Ce serait vainement que l’on essayerait de décrire les phénomènes magnifiques représentés par les corps innombrables qui tous subissent des changemens périodiques de forme et de couleur , lorsque le plan d’analyse est soumis à un mouvement circulaire; aucun d’eux, toutefois, ne laisse apercevoir la moindre trace de coloration, sans l’assistance de la tourmaline, ou de quelque autre substance . analogue, capable d’analyser la lumière, et, si l’on peut s’exprimer ainsi, de donner la vie à, ces fantômes merveilleux. La tourmaline a le désavantage d’être elle-même une substance colorée; mais on peut remédiera cet inconvénient en employant pour plan d’analyse une surface réfléchissante. Quand la lumière polarisée est réfléchie par une lame de verre sous l’angle de polarisation, elle est divisée en deux rayons colorés, et quand le plan d’analyse est

• Note 202. — » Note 2û3.

248 images colorées. [ Sect. XXII.j

mû circulairemcnt dans son propre plan , il réfléchit alternativement chaque rayon à chaque quart de révolution, , de sorte que tous les phénomènes qui ont été décrits sont vus par réflexion sur sa surface (*).

Des anneaux colorés sont produits eh analysant la lumière polarisée transmise à travers du verre fondu, et brusquement ou inégalement refroidi; ou à travers des lames minces de verre courbées avec la main, ou des substances gélatineuses durcies ou comprimées, etc., etc. En un mot, tous les phénomènes des anneaux colorés peuvent êtrepro- . duits, soit d!une manière permanente, soit d’une manière passagère, dans une infinité de substances, par la chaleur elle froid, le refroidissement brusque j la compression, la dilatation et le durcissement. Ces expériences , en outre, exigent si peu d’appareil, que, comme l’observe sir John Herschel, un morceau de verre à vitre ou une table polie, pour polariser la lumière, une feuille de glace (eau gelée) pure pour produire les anneaux, et un morceau de verre à glace, placé près de l’œil pour analyser la lumière, sont les seuls objets nécessaires pour représenter l'un des phénomènes les plus magnifiques de l’optique.

Nous avons dit plus haut que lorsqu’un rayon de lumière, polarisé par réflexion d’une surface non métalli-. que, est analysé par Uhe substance doublement réfringente, il manifeste des propriétés qui sont symétriques à droite et à gauche du plan de réflexion, et est dit alors être polarisé suivant ce plan. La forme circulaire des anneaux colorés déjà décrits prouve d’une manière évidente que cette symétrie n’est pas détruite quand le rayon, avant

(*) Le soin scrupuleux que madame Somervillc a toujours mis à

citer les auteurs des observations qu’elle rapporte, ne peut qu’ajouter à la surprise qu’on éprouve eu ne trouvant pas ici le nom du physicien à qui l’on doit la découverte de la polarisation chromatique. Ce physicien est M. Arago. ( .Vote du traducteur. )

[SeCt. XXII.] POLARISATION CIRCULAIRE. 249

d’être analysé, traverse l’axe optique d’un cristal qui n’a qu’un axe optique. Le qtiartz régulièrement cristallisé, ou cristal de roche, forme cependant une exception. Dans ce cristal, lors même que les rayons traverseraient l’axe optique lui-même , point auquel il n'y a pas de double réfraction, la symétrie primitive du rayon serait détruite, et le plan de la polarisation primitive dévierait soit i droite, soit à gauche dé l’observateur, d’un angle proportionnel à l’épaisseur de la lame de quartz. Ce mouvement angulaire du plan de polarisation , auquel on a donné le nom de polarisation circulaire, et qui est une véritable rotation, est démontré clairement par les phénomènes. Les anneaux colorés produits par tous les cristaux • qui n’ont qu’un axe optique sont circulaires, et traversés par une croix noire concentrique aux anneaux; de sorte que la lumière disparait entièrement dans tout l’espace renfermé dans l’anneau intérieur, parce que le long de l’axe optique il n’y a ni double réfraction ni double polarisation. Mais dans le système des anneaux produits par une lame de quartz dont les surfaces sont perpendiculaires à l’axe du cristal, le dedans de l’anneau intérieur, au lieu «l’être dépourvu de lumière, est occupé par une teinte uniforme de rouge, de vert, ou de bleu, selon l’épaisseur de la lame *. Supposons que la lame de quartz ait un 25' de pouce (i millimètre) d’épaisseur, — cette épaisseur donnera la teinte rouge à l’espace contenu dans l’anneau intérieur; mais fci l’on imprime à la plaque d’analyse un mouvement circulaire dans son propre plan, le rouge s’évanouira lorsque lu plaque aura parcouru 17 de sa révolution. Si l’on emploie une lame de cristal de roche, de —j de pouce (2 millimètres) d’épaisseur, la plaque d’analyse devra parcourir un arc de 35° avant que la teinte

■ Note ao4-

250 POLARISATION CIRCULAIRE. [SeCt. XXII. ]

rouge disparaisse, et ainsi de suite; chaque addition d’un a5° de pouce (i millimètre) dans l’épaisseur , exigeant une addition de 17 dans le mouvement de rotation, il en résulte évidemment que le plan de polarisation sc meut dans le cristal de roche , suivant une direction spirale. Il est à remarquer que dans certains cristaux de quartz , le plan de polarisation tourne de droite à gauche, et dans d’autres, de gauche à droite, bien qu’en apparence ces cristaux ne diffèrent entre eux que par une variété très légère et presque imperceptible dans la forme. Dans ces phénomènes, la rotation vers la droite s’accomplit d’après les mêmes lois et avec la même énergie que celle vers la gauche. Mais si l’on vient à employer deux lames de quartz, possédant des propriétés différentes, la seconde détruit ou totalement ou partiellement le mouvement rotatoire que la première avait produit, selon qu’elles sont ou d’égale ou d’inégale épaisseur. Quand les lames sont d’inégale épaisseur, la déviation s’opère dans la direction de la plus forte, et est exactement la même que si elle était produite par une troisième lame d’une épaisseur égale à la différence qui existe entre celle des deux premières.

M. Biot a découvert les mêmes propriétés dans un grand nombre de liquides. L’huile de térébenthine et une huile essentielle de laurier impriment au plan de polarisation le mouvement vers la gauche, tandis que le sirop de sucre de canne et une solution alcoolique de camphre naturel lui donnent la direction de droite. A l’aide de la superposition ou du mélange de deux liquides possédant ces propriétés opposées, on obtient une compensation , pourvu toutefois qu’il ne s’opère aucune action chimique. M. Biot a observé aussi une différence remarquable entre l’action des particules des mêmes substances , lorsqu’elles sont à l’état liquide ou à l’état solide. Le sirop de raisin, par exemple, fait tourner le plan de polarisation vers la gau-

|SeCt.XXII.] POLARISATION CIRCULAIRE. -ôl

che, aussi long-temps qu’il reste à l’état liquide; mais aussitôt qu’il acquiert la solidité du sucre, il lui imprime un mouvement vers la droite , et continue à le faire tourner dans ce sens, même apres avoir été de nou\eau dissous. L'on voit des exemples dans lesquels ces circon- • stances se présentent en sens inverse.

Un rayon de lumière passant au travers d un liquide doué de la propriété de la polarisation circulaire , reste inaffecté par le mélange d’autres Uuides avec le liquide, tels que l’eau, l’éther, l’alcool, etc., — qui ne possèdent pas par eux-mêmes la propriété de la polarisation circulaire, 1 angle de déviation restant exactement après ce mélange le même qu’il était auparavant. De là M. Biot a inféré que 1 action exercée par les liquides en question ne dépend pas de leui masse, mais que c’est une action moléculaire, exercée pai les dernières molécules matérielles, et qui, ne dépendant que de leur constitution individuelle, est entièrement indépendante de leurs positions relatives et de leurs distances mutuelles. Cette action particulière de la matière sur la lumière fournit les moyens de découvrir dans la nature des corps certaines différences qui ont échappé aux recherches chimiques. Ainsi, par exemple, aucune différence chimique

n’a été découverte entre le sirop de sucre de canne et celui de raisin , et pourtant le premier fait tourner le plan de polarisation vers la droite, et l’autre vers la gauche; il doit donc exister quelque différence essentielle dans la nature de leurs molécules dernières. La même différence doit exister entre les sucs des plantes qui fournissent du suue semblable à celui de la canne, et ceux des plantes qui produisent un sucre semblable à celui que fournit le raisin. Par ces importantes découvertes, M. Biot a prouvé que la polarisation circulaire l’emporte sur (analyse chimique, en ce sens qu’elle donne une évidence directe et tu laine de la similitude ou de la différence qui existe dans la con-

252 POLARISATION ELLIPTIQUE. . ’ . [SeCt. XXII.]

stitution moléculaire des corps, ainsi que de la permanence de celle constitution, on des variations auxquelles elle peut être sujette. Ce physicien distingué s’occupe en ce moment d’une série d’expériences sur les changemens progressifs qui s’opèrent dans la sève des végétaux à diverses distances de leurs racines, et sur les productions qui se forment aux différentes époques de la végétation, d’après leur action sur la lumière polarisée.

La production de la polarisation circulaire et elliptique par la réflexion intérieure de la lumière produite par le 'erre à glace, occupe un des premiers rangs parmi les nombreuses et brillantes découvertes de Fresnei, qui démontra que si la lumière, polarisée par l’une quelconque des méthodes ordinaires , est deux fois réfléchie dans l’intérieur d’un rhombede verre’, d’une forme déterminée, les vibrations d’éther perpendiculaires au plan d’incidence sont retardées du quart d’une vibration, ce qui fait décrire aux particules vibrantes une hélice circulaire, ou une courbe semblable à un tire-bouchon. Cela n’arrive toutefois que lorsque le plan de polarisation est incliné d’un angle de 45° a Celui d’incidence. Quand ces deux plans forment un angle plus grand ou plus petit, les particules vibrantes se meuvent suivant une hélice elliptique, — courbe dont on peut se représenter La figure en contournant un fil en spirale autour d’une baguette ovale. Ces courbes tournent vers la droite ou vers la gauche, selon la position du plan incident.

Dans le phénomène de la polarisation elliptique et circulaire, le mouvement du milieu éthéré peut être représenté par l’analogie d’une corde tendue; car si l’on suppose l’extrémité de celte corde agitée à intervalles égaux et réguliers par un mouvement vibratoire entièrement li-

ySeCt. XXII.] ANALOGIE D’UNE CORDE TENDUE. 253

mité à un seul plan , la corde prendra la forme d’une courbe ondulante, contenue tout entière dans ce plan. Si à ce mouvement l’on en ajoute un autre, égal et semblable, mais perpendiculaire au premier, la corde prendra la forme d’une hélice elliptique; son extrémité décrira une ellipse, et chaque molécule, dans toute sa longueur, suivra successivement la même direction. Mais si le second système de vibrations commence exactement un quartd’ondulation plus tard que le premier, la corde prendra la forme d’une hélice circulaire ou d’un tire-bouchon; son extrémité se mouvra uniformément en cercle , et toutes les molécules dont elle se compose acquerront successivement le même mouvement. Il parait donc que la polarisation circulaire et la polarisation elliptique peuvent être produites par la composition des inouvemens de deux rayons dans lesquels les particules d’éther vibrent dans des plans perpendiculaires l’un à l’autre.

Dans un mémoire extrêmement savant et profond, publié dans les Transactions de Cambrigde, le professeur Airy a prouvé que toutes les différentes espèces de lumière polarisée peuvent être obtenues à l’aide du cristal de roche. Quand la lumière polarisée est transmise par l’axe d'un cristal de quartz, dans le rayon émergent, les particules d’éther se meuvent suivant une hélice circulaire; mais quand il est transmis obliquement , de manière à former un angle avec l'axe tUl prisme, les particules d’éther se meuvent suivant une hélice elliptique, dont l’excentricité augmente avec l’obliquité du rayon incident; de sorte que lorsque le rayon incident tombe perpendiculairement à l’axe, les particules d’éther se meuvent en ligne droite.

Ainsi le quartz représente toutes les variétés de la polarisation elliptique, y compris même les cas extrêmes où l’excentricité est d’une part zéro, ou de l’autre, égale au

254 PROPAGATION DES VIBRATIONS. [Sect. XXU.]

grand axe de l'ellipse’. Dans plusieurs cristaux, les deux rayons sont si peu séparés, que c’est la nature seule de la lumière transmise qui peut faire reconnaître qu’ils sont doués de la double réfraction. Fresnel a découvert, à l’aide d’expériences sur les propriétés de la lumière passant par l’axe du quartz, qu’elle consiste en deux rayons superposés qui se meuvent avec d’inégales vitesses; et le professeur Airy a prouvé que dans ces deux rayons les molécules d’éther vibrent dans des ellipses semblables, perpendiculaires entre elles, mais dans des directions différentes; que leur excentricité varie avec l’angle que forme le rayon incident avfcc l’axe; et que, par la composition de leurs mouvemens, ils produisent tous les phénomènes de lumière polarisée qu’on observe dans le quartz.

Il paraît, d’après ce qui vient d’être dit, que les molécules d’éther accomplissent toujours leurs vibrations perpendiculairement a la direction du rayon, mais avec des modifications très différentes, correspondantes aux diverses sortes de lumières. Dans la lumière naturelle, les vibrations sont rectilignes, et s’accomplissent dans tous les plans; dans la lumière polarisée ordinaire elles sont également rectilignes, mais ne s’accomplissent que dans un seul plan; dans la polarisation circulaire, les vibrations sont circulaires; et enfin dans la polarisation elliptique, les molécules vibrent dans des ellipses. Ces vibrations se communiquent de molécule à molécule, en lignes droites quand elles sont rectilignes, en hélices circulaires quand elles sont circulaires, et en hélices ovales ou elliptiquesquand elles sont elliptiques.

Quelques fluides, tels que l’huile de térébenthine, et plusieurs autres, possèdent la propriétéde la polarisation circulaire; tandis que la polarisation elliptique, ou à peu

■ Note ao5. «

[SeCt. XXII.] INTERFÉRENCE DES RAYONS POLARISÉS. 255

près elliptique, paraît être produite par la réflexion des surfaces métalliques.

Les images colorées produites par la lumière polarisée sont dues à l’interférence des rayons1. MM. Fresnel et Arago ont prouvé, par des expériences, que deux rayons de lumière polarisée interfèrent et produisent des franges colorées, s’ils sont polarisés dans le même plan; mais qu’ils n’interfèrent pas s’ils sont polarisés dans des plans différens. Toutes les positions intermédiaires produisent des franges d’une vivacité intermédiaire. L’analogie d’une corde tendue rendra sensible la manière dont s’accomplit ce phénomène. Supposez que la corde soit agitée horizontalement en avant et en arrière, et à intervalles égaux; ce mouvement lui imprimera la figure d’une courbe ondulante , contenue tout entière dans le même plan. Si à ce mouvement l’on en ajoute un autre tout semblable et égal, commençant précisément une demi-ondulation plus tard que le premier, il est évident que le mouvement direct que chaque molécule prendra par suite du premier système d’ondulations, sera à chaque instant exactement neutralisé par le mouvement rétrograde qu’elle prendra en vertu du second; et la corde elle-même sera en repos, par suite de l’interférence. Mais si le second système d’ondulations s’accomplit dans un plan perpendiculaire au premier, il ne s’opérera d’autre effet que le tortillement de la corde, et il n’y aura point d’interférence. Les rayons polarisés à angles droits les uns par rapport aux autres peuvent être amenés subséquemment dans le même plan sans acquérir la propriété de produire des franges colorées; mais s’ils appartiennent à un faisceau dont tous les rayons aient été originairement polarisés dans le même plan , ils interféreront.

L’on peut concevoir la manière dont se forment les ima-r