DISPERSION ET ABSORPTION

On sait qu'un faisceau de lumière blanche qui traverse un milieu prismatique transparent et incolore, éprouve une double modification. En premier lieu, il est dévié de sa direction primitive ; il se brise et s'infléchit vers la base du prisme : c'est un cas particulier delà réfraction. En second lieu, il s'étale en éventail, et en même temps il se colore des riches nuances de l'arc-en-ciel : c'est ce qui constitue la dispersion. Bien que je n'aie pas à faire ici une étude de physique pure, comme c'est sur l'examen des spectres qu'est fondée la méthode de recherche ou d'analyse qui fait le sujet de ce travail, je crois devoir arrêter l'attention sur ce premier fait et préciser les conditions du phénomène.

Je suppose que, par une fente verticale à bords parallèles, pratiquée dans le volet d'une chambre obscure, on

fasse pénétrer un mince pinceau de lumière solaire. Si Ton reçoit ce pinceau sur un écran, on voit s'y former une image brillante, verticale comme la fente, et présentant très-sensiblement les mêmes dimensions qu'elle. Mais qu'on dispose, sur le trajet du faisceau lumineux, un prisme de flint, de manière que sa section principale soit horizontale, et par conséquent ses arêtes parallèles h la longueur de la fente, tout se modifie immédiatement. L'image change de position et se déplace du côté de la base du prisme. En même temps elle s'étale horizontalement, c'est-à-dire dans le plan de réfraction ou perpendiculairement aux arêtes du prisme; sa hauteur reste la même, mais sa largeur augmente beaucoup ; de sorte qu'elle prend la forme d'un rectangle allongé, teinté, d'une extrémité à l'autre, des plus riches nuances. Ces nuances sont en nombre infini ; elles se fondent Tune dans l'autre par des transitions insensibles ; mais comme on ne pouvait les nommer toutes, on les a résumées dans sept types principaux, dominants, qui sont successivement, en commençant du côté de la base du prisme: le violet, ï indigo. le bleu, le verty le jaune, V orangé et le rouge. C'est à cette image colorée que l'on donne le nom de spectre solaire.

Ce phénomène si simple, qui était resté inaperçu pendant tant de siècles, ou qui n'avait frappé les yeux de quelques savants que pour donner naissance à des interprétations plus ou moins absurdes, devint, entre les mains de Newton, le point de départ d'une science nouvelle, la science des couleurs. Il expliqua le fait de la dispersion, en admettant que la lumière blanche n'est pas simple, mais constituée par la superposition d'une infinité de lu-

miéres simples, inégalement réfrangibles, et caractérisées chacune par une couleur différente. Le prisme ne fait que séparer les divers rayons confondus dans le rayon incident, en imprimant une déviation plus grande à ceux auxquels correspond un indice plus élevé. La dispersion est ainsi ramenée à n'être qu'une conséquence de la réfraction.

Après avoir démontré la solidité de sa conception par un grand nombre d'expériences ingénieuses; après avoir fait la contre-épreuve de l'analyse par la synthèse, et recomposé la lumière blanche avec des lumières colorées. Newton se trompa cependant en considérant le spectre solaire comme continu. Cette erreur, qui tenait à Tiraperfection des moyens d'observation dont il disposait, fut reconnue par Wollaston, au commencement de ce siècle. Celui-ci remarqua, le premier, un petit nombre de raies obscures, verticales, très-étroites, irrégulièrement distribuées du rouge au violet. Quinze ans plus tard, un opticien de Munich nommé Frauenhofer, en observant le spectre avec certaines précautions, y constata la présence, non pas seulement de quelques raies, mais d'une multitude de lignes noires, fines, très-nettes, parallèles aux arêtes du prisme, et constantes dans leur situation ; il en compta de cinq à six cents, et de nos jours on a pu en distinguer jusqu'à deux mille. Je reviendrai tout à l'heure sur ces raies ; je veux pour le moment faire seulement remarquer que leur fixité en fait des repères excellents pour caractériser les diverses portions du spectre solaire. Frauenhofer a désigné les principales par les premières lettres de Talphabet, A B — G H . Il est toujours extrêmement facile de distinguer ces raies

au milieu des autres, parleur intensitéet la positiou qu'elles occupent.

Depuis que Descartes a imaginé d'expliquer les phénomènes lumineux par des mouvements; depuis surtout que les immortels travaux de Fresnel, en permettant de prévoir, par les déductions logiques du calcul, des faits encore inconnus, ont donné de la théorie des ondulations la confirmation la plus éclatante, le phénomène de la dispersion, et la composition de la lumière blanche qui en est le corollaire, ont reçu une interprétation mécanique des plus simples.

Tout phénomène lumineux est un mouvement vibratoire, transmis à notre œil par les molécules d'un milieu impondérable, parfaitement élastique, continu, qui remplit Tespace et pénètre tous les corps. Or, ce qui caractérise essentiellement une vibration, c'est la durée de la période. En acoustique, on sait que c'est cet élément variable qui produit sur l'oreille l'impression des différences de hauteur des sons. En optique, les vibrations de périodicités diverses affectent de même notre rétine d'une manière différente, et elles produisent sur cet organe les impressions que nous distinguons par les mots de couleurs rouge, jaune, bleue \ etc. A chaque durée vibratoire correspond

* Les vibrations les moins ri^frangibies sont les plus lentes; les plus ré~ frangibles sont les plus rapides; de sorte que le rouge extrême répond aux sons graves de notre échelle musicale , et h? violet extrême aux notes aiguës. De même qu'en acoustique les vibrations trop lentes ou trop rapides n'impressionnent plus notre oreille, de même, en optique, les vibrations de l'éther dont la durée sort de certaines limites, n'exercent j)his

une sensation chromatique particulière. Lorsqu'un même point de la rétine reçoit simultanément Tébranlement de deux ou plusieurs vibrations de périodes diverses, il en résulte une impression mixte, souvent très-difiFérente de toutes celles auxquelles auraient donné naissance les rayons perçus, s'ils avaient agi isolément. Parmi ces impressions, dues à l'action simultanée de plusieurs lumières simples, il en est une qui est particulièrement remarquable, c'est celle qui se produit lorsque notre œil reçoit à la fois des radiations de toutes les périodes possibles : c'est la lumière blanche.

Il y a donc un rapport constant entre les impressions que nous font éprouver les corps lumineux et la durée des vibrations qu'ils engendrent. Nous allons voir que ces deux éléments sont de plus en relation intime avec un troisième, la réfrangibilité.

Les vibrations de Téther, excitées par le point éclairant qui est l'origine du mouvement lumineux, se propagent dans toutes les directions, par ondes successives, et avec une vitesse déterminée. Cette vitesse n'est pas la même dans le vide et dans les divers milieux pondérables; elle diminue en général avec la densité du milieu. Le changement de vitesse qui se produit au passage d'une onde d'un milieu dans un autre a pour conséquence un changement dans sa direction, une déviation du rayon : c'est la réfraction.

aucune action sur notre organe visuel ; mais leur existence est démontrée par des phénomènes calorifiques et chimiques. Gomme je ne considère ici les phénomènes spectroscopiques qu'au point de vue exclusivement optique, je laisse de côté tout ce qui a trait à l'émission et à Tabsorption de ces radiations invisibles.

Onest pas tout, (^ette vitesse de transmission, qui dans l'éther est la même pour les radiations de toute [)ériode, varie au contraire lorsque la lumière se propage dans un milieu pondérable, et est plus petite pour les vibrations les plus rapides. Dès lors, la déviation qui résulte du changement de vitesse à la surface de séparation de deux milieux, change d'un rayon à l'autre. En d'autres termes, la réfrangibilité de chaque rayon, pour un milieu donné, est aussi caractéristique de ce rayon que sa périodicité vibratoire ou que sa couleur. Si un faisceau de lumière blanche passe d'un milieu moins dense dans un milieu plus dense, de l'air dans le verre, par exemple, la vitesse de propagation de chacun des rayons simples dont il est composé diminuera, et cela d'autant plus que la période d'oscillation sera plus courte. Par conséquent ces rayons seront déviés d'une manière inégale, et tendront à se séparer les uns des autres: c'est la dispersion. Si le même efiFet se reproduit dans le même sens à la surface de sortie du second milieu, comme cela se présente avec un prisme, la divergence sera encore plus marquée après le passage du faisceau à travers cette seconde surface, et, en le recevant sur un écran, on verra s'y former un spectre ' .

* Si j'appelle V la vitesse de propagatiou (cest-à-ilire resi)ace par<;ouru pendant une seconde) d'un rayon lumineux dans un niilinu, ^4 n le nombre

de vibrations en une seconde correspondanl à ce rayon, le rapport —, qui

représente l'espace parcouru ])endant la durée / «l'une vihratio'n , prend

le nom de longueur d'onde et se représenlo par \ -, donc X = — . Mais

t étant la durée d'une vibration . on a évidemment i = —, et par con-

séquent on peut écrire la formule précédente sous la seconde forme lz=\t. Si. pour un milieu donné, la vitessn ne clianj,'p pas avec la période, eu

Le soleil n'est pas la seule source lumineuse qui puisse donner un spectre. On comprend, d'après ce qui précède, que tout rayonnement composé de la superposition de plusieurs mouvements vibratoires de périodes diverses, sera décomposé par le prisme. Mais on comprend aussi que, suivant la nature et le nombre des radiations émises

(i' autres termes . si V est constant quel que soit t , on voit que X sera proportionnel à t. Dès- lors la longueur d'onde pourra servir à caractériser un rayon tout au&si bien que sa durée de vibration; j'ai dit que tel est le cas de la lumière se propageant dans le vide. Pour la plupart des gaz, et en particulier pour l'air, dont l'indice de réfraction est très-voisin de l'unité, les différences entre les vitesses correspondantes à des durées d'oscillations différentes sont trop faibles pour produire un effet appréciable ; aussi l'air a-t-il un pouvoir dispersif sensiblement nul, et on peut admettre pour lui le

rapport — j. = — . On sait en effet que le plus souvent on caractérise les

rayons simples par leur longueur d'ondulation mesurée dans l'air. Si un rayon de période t passe d'un milieu dans un autre, sa vitesse V

change et devient V, et on a —7 = — : le rapport des longueurs d'onde

est égal au rapport des vitesses dans les deux milieux. On démontre facilement, par l'expérience et par le calcul, que ce rapport est encore égal

sin i

k celui des sinus d'incidence et de réfraction . On le désigne par

sin r

n, et on l'appelle indice de réfraction. V variant en général avec t, n change avec la période vibratoire. La réfrangibilité n'est donc pas la même pour les rayons de différentes couleurs ; de là, la dispersion.

On voit que X, la longueur d'onde, varie avec le milieu considéré. Ce n'est donc, pas plus que la réfrangibilité. une quantité absolue caractéristique de tel ou tel rayon lumineux. Il n'en est point de même de la durée de la vibration. Quels que soient les changements éprouvés par la vitesse de propagation, depuis le centre d'ébranlement jusqu'à un obstacle situé à distance, il est évident que celui-ci recevra le même nombre d'ébranlements par seconde, tant que la période du mouvement vibratoire ne changera pas. Ce qui caractérise essentiellement une vibration est donc la durée de la période.

par la source considérée , les spectres obtenus pourront être très-différents les uns des autres. Les couleurs v seront toujours disposées dans le même ordre et aux mêmes places; seulement quelques-unes pourront manquer, et en échange on verra des bandes sombres, des lacunes plus ou moins larges, indiquant Tabsence ou du moins le peu d'intensité de certains rayons.

Ces solutions de continuité prennent une importance très-grande dans les spectres des lumières émises par les gaz et les vapeurs. Aussi ces spectres se réduisent-ils en général à un petit nombre de raies brillantes, tellement caractéristiques que leur observation sert de base à la méthode d'analyse créée récemment par MM. KirchhofiFet Bunsen, et illustrée à son origine par la découverte de quatre nouveaux métaux. Les corps solides et liquides incandescents donnent au contraire, en général, des spectres continus. J'aurai toutefois à revenir sur ce point.

Remarquons enfin que le spectre appartenant à une lumière donnée reste le même lorsque cette lumière, au lieu de tomber directement sur le prisme, n'y arrive qu'après avoir subi une ou plusieurs réflexions. C'est ainsi qu'on retrouve les raies de Frauenhofer toujours constantes, dans le même ordre et aux mêmes 'places, dans les spectres qui proviennent de la lumière solaire difiFusée par les nuées, parla lune, parles planètes ou par une surface blanche quelconque.

Maintenant que nous connaissons la constitution de la lumière blanche, cherchons quelles sont les modifications qu'elle subit lorsqu'elle traverse certains milieux.

Tout le inoade sait que certains corps laissent passer la lumière : on voit au travers, pour employer une vulgaire locution ; ce sont ces corps qu'on appelle transparents ou diaphanes. Les milieux opaques au contraire ont la propriété d'intercepter complètement les rayons lumineux, et de produire Tobscurité. Toutefois, cette distinction n'a rien d'absolu. Tous les corps opaques deviennent diaphanes lorsqu'ils sont vus sous des épaisseurs suffisamment réduites. Les cellules ligneuses, les fibres textiles, les poussières fines, les précipités chimiques, apparaissent transparents sur le porte-objet du microscope. Si on applique l'œil très-près de la surface métallisée d'un miroir argenté, et qu'on regarde au travers un objet éclairé, on distingue nettement cet objet avec une coloration violacée. Une feuille d'or très-mince se laisse de même traverser par la lumière verte. Nous allons voir, par contre, que les corps transparents deviennent opaques quand ils sont vu'^ en couches épaisses. Ainsi, ce qu'on appelle opacité d'un corps n'est qu'une fonction de son épaisseur, et on peut dire rigoureusement qu'il n'y a pas de corps opaques. Quelle est donc l'action des milieux transparents sur la lumière ?

Supposons, en premier lieu, que nous recevions un faisceau de lumière solaire sur une lame à faces parallèles de sel gemme. Après avoir traversé cette lame, le faisceau paraîtra un peu affaibli dans son intensité , mais il n'aura subi aucun changement de coloration. Analysé par un prisme, il donnera un spectre un peu moins brillant qu'avant l'interposition de la lame , mais dans lequel se retrou veront toutes les nuances du spectre solaire. Si, au lieu

d'une lame, nous en mettions deux, trois le faisceau

resterait toujours blanc, le spectre se conserverait complet et semblable à lui-même ; seulement l'obscurcissement de Tun et de Tailtre deviendrait de plus en plus sensible, et, si on suppose qu'on pût arriver ainsi jusqu'à l'extinction complète du faisceau, toutes les couleurs du spectre disparaîtraient au même moment et d'un seul coup. Ainsi, sous une épaisseur suffisante, le sel gemme deviendrait opaque. Il est donc évident qu'il absorbe la lumière : mais il se laisse traverser, en proportion égale, par les radiations lumineuses de toutes réfrangibilités. Les milieux qui jouissent de cette propriété s'appellent incolores * .

Tel n'est pas le cas général. Habituellement les corps transparents donnent à la lumière blanche qui les traverse une coloration d'autant plus prononcée qu'ils sont en couches plus épaisses. Pour se rendre compte de ce phénomène, il suffit de faire tomber sur un prisme un faisceau lumineux ainsi coloré. Dans le spectre qui en résulte on observe des espaces obscurcis, plus ou moins étendus, et comme de véritables lacunes. C'est qu'en efifet les milieux transparents ont, en général, la propriété de transmettre, dans des proportions inégales , les vibrations de périodes différentes. Certains rayons sont absorbés plus

^ Il n'existe point de milieu pondérable transparent d'une manière absolue, c'estrà-dire ayant la propriété de transmettre toutes les radiations sans les affaiblir. Parmi les corps transparents, le sel gemme est le seul qui soit absolument inco/orfî. Remarquons cej>eridant qu'on pourrait placer à côté de lui le papier blanc, l'albâtre, et en général les milieux blancs qu'on appelle <rarw/i«;id^5, qui éteignent aussi dans des proportions égales les rayons de toutes les réfrangibilités; seuleuieiil dans (!eux-ci les faits se compliquent d'un phénomène de difPusion.

rapidement que d'autres; lorsque Tépaisgeur est suffisante, ils sont complètement éteints et ne peuvent plus arriver jusqu'à l'œil de Tobservateur. Mais cette puissance d'extinction peut se manifester de manières très-diverses, suivant les milieux que l'on considère : de là, une espèce de classification à établir.

Dans certains cas, le pouvoir absorbant croit en même temps que la réfrangibilité. On voit alors l'extinction commencer par l'extrémité violette du spectre. A mesure que l'épaissenr du milieu interposé augmente, elle se prononce de plus en plus, et en même temps gagne de proche en proche vers l'extrémité la moins réfrangible. A un certain moment, il ne passe plus que des rayons rouges ; au-delà, le milieu deviendrait opaque , et tout le spectre disparaîtrait. Tantôt on voit les teintes se foncer peu à peu de A vers H, pour arriver graduellement, par des transitions insensibles, jusqu'à une obscurité complète ; dans d'autres cas, l'accroissement du pouvoir absorbant étant rapide, brusque, le spectre parait coupé nettement, en un point déterminé, par une ombre épaisse qui couvre toute sa partie la plus déviée.

A cette première catégorie de milieux appartient d'abord le plus grand nombre des corps transparents que nous sommes habitués à regarder comme incolores, et qui paraissent tels en effet soiis de petites épaisseurs : l'air, l'eau, l'alcool', etc. Viennent ensuite le verre jaune, l'acide

^ «Hassenfratz, ayant fait passer les rayons solaires à travers un tube plein d*eau dont il augmentait progressivement la longueur, vît que la lumière transmise paraissait jaune, puis orangée, puis rouge. U reconnut en môme temps que tout le liquide était devenu lumineux et répandait ime

chromique, le perchlorure de fer, un certain nombre de matières colorantes végétales, par exemple celles du vin, du bois de campèche, du bois d'Inde, du tournesol rougi par un acide, etc.

Dans une seconde classe de corps transparents, le pou. voir absorbant obéit à une loi inverse de celle que nous venons de lui voir suivre dans la première. Il diminue en même temps que la durée de la vibration. L'extinction, commencée dans le rouge , s'étend graduellement vers Textrémité la plus réfrangible. On peut considérer les dissolutions des sels de cuivre comme étant le type de ces milieux. On comprendra sans peine que leur coloration doit être habituellement bleue ou violette.

Si nous faisons un pas de plus, la loi se complique. Le pouvoir absorbant, au lieu de suivre une marche régulière d'une extrémité à l'autre du spectre, diminue d'abord du rouge au vert, et atteint un minimum ; puis il commence à grandir, et augmente du vert au violet. Dans ce cas, qui se présente pour les sels de nickel, pour

coulefur verte ou bleue. Cela tient à ce que Teau partage les rayons en deux parts: Tune, qu'elle transmet, qui est jaune et passe au rouge; l'autre, qu'elle diffuse intérieurement, et qui est complémentaire. C'est celle-là que nous renvoient les eaux profondes des lacs ou de la mer. et c'est pour cette raison qu'elles nous paraissent vertes ou bleues. L'air est dans le même cas que l'eau : bleu par diffusion, tandis qu'il colore en rouge le soleil à son coucher et les flammes lointaines. A mesure qu'on s'élève dans l'atmosphère, l'air devenu plus rare diffuse moins de lumière, et le ciel * paraît d'un bleu très-sombre. Aux limites de l'atmosphère, on le verrait noir comme pendant la nuit. » ( Jamiu ; Couru de physique de V École polytechnique tom. III: Optique.)

les verres colorés eu vert, etc., les deux extrémités sont éteintes, et il y a un maximum de lumière dans le vert. Pour d'autres corps, au contraire, ce sont les rayons extrêmes qui traversent, et on voit la partie moyenne du spectre couverte par une ombre plus ou moins épaisse et plus ou moins étendue. La grandeur de cette ombre et sa position déterminent la teinte dominante du milieu, teinte qui peut varier presque à l'infini : par exemple, les sels de cobalt, qui sont d'une couleur rose fleur de pécher, rouge grenat ou lilas, le verre pourpre, le bleu de tournesol, — le rouge, le vert, le bleu et le violet d'aniline, — la dissolution d'iode dans le sulfure de carbone,... appartiennent à cette catégorie.

Avançons encore, et le phénomène devient de plus en plus complexe. Si, par exemple, nous analysons la lumière quia traversé- une dissolution de sulfate de chrome, nous voyons le spectre, clair dans le rouge, s'obscurcir de l'orangé au vert, redevenir clair dans le vert et le commencement du bleu, puis s'obscurcir de nouveau jusqu'à son extrémité viojette. Ainsi le pouvoir absorbant, d'abord très-peu marqué, a augmenté jusqu'à un maximum correspondant aux rayons jaunes, pour diminuer eni^iite et devenir très-faible jusqu'à la raie F, à partir de laquelle il recommence à croître, de manière à mtercepter tous les rayons les plus réfrangibles. Le perchlorure de cuivre donnerait de même deux maxima de lumière et deux maxima d'obscurité alternatifs, et nous verrons que le sang, traité par certains réactifs, pourra nous présenter un spectre du même genre.

Enfin, il existe des milieux transparents dans lesquels le pouvoir absorbant pour les radiations de diverses périodes varie de la manière la plus irrégulière. Dans ce cas, le spectre est coupé de bandes ou de raies d'absorption diversement placées, plus ou moins étendues, plus ou moins nettement délimitées. C'est ce qui a lieu par exemple pour le permanganate de potasse, les sels de chrome, d'urane...., et un grand nombre de matières colorantes organiques. Les raies sombres, étroites et nettes que présentent les spectres des dissolutions d'erbine et de didyme sont particulièrement remarquables. Mais ce sont les gaz et les vapeurs qui possèdent en général, au plus haut degré, le pouvoir de laisser passer certains rayons, à Texclusion des rayons de réfrangibilités voisines. L'interposition des vapeurs de certains sels alcalins produit dans un spectre continu des interruptions très-fines et en petit nombre. Les autres vapeurs métalliques et les gaz en général ofi'rent un ensemble de raies plus compliquées.

Pour donner une idée de la diversité que peuvent présenter les spectres d'absorption, j'en aLreprésenté quelques-uns, produits par des milieux solides, liquides et gazeux :

PL I. 1. Carmin en dissolution dans l'ammoniaque.