SPECTRES INVISIBLES DE LA LUMIÈRE

Nous avons déjà vu, à l’article Chaleur, comment W. Herschel fut amené à découvrir le spectre calorifique. Melloni refit ces expériences en se servant , pour obtenir le spectre solaire , d’un prisme de verre et d’une lentille de sel gemme , qui laisse passer toute la chaleur. Il reconnut, comme Herschel, que l’action calorifique augmente dans l’intérieur du spectre coloré, depuis le violet où elle est faible jusqu’au rouge, et que, au dehors du spectre coloré, elle continue de croître , en deçà du rouge, jusqu’à atteindre un maximum, au delà duquel elle disparaît progressivement à une trèsgrande distanee du rouge limite. U était permis de conclure de là « que presque toutes les chaleurs solaires sont des chaleurs obscures , beaucoup moins réfrangibles que les lumières qui le sont le moins. »>

En voyant qu’en deçà du rouge il existe des rayons qui n’impressionnent pas l’œil, on devait se demander s’il n’existe pas, au delà du violet, des rayons également invisibles.

Spectre chimique. Photographie. Photochimie. — Scheele découvrit en 1781 que le chlorure d argent a la propriété de noircir à la lumière, et qu’il noircit plus dans le rayon violet que dans aucun autre rayon du spectre. Gay-Lussac et Thénard observèrent qu’un mélange de volumes égaux de gaz chlore et d hydrogène reste invariable dans l’obscurité, qu’à la lumière diffuse il y a combinaison et production d’acide chlorhydrique, et qu’à la lumière directe du soleil celle combinaison est instantanée et accompagnée d’une vive explosion. Les observations de ce genre se multiplièrent. Gretthuss vit l’iodure bleu d’amidon se décolorer sous l’influence de la lumière, en donnant naissance à de l’acide iodhydrique. Enfin beaucoup de phénomènes de végétation et surtout de coloration organique attirèrent l’attention des physiciens sur l’action chimique de la lumière.

Wollaston, Riller, Bérard et Seebeck, reprenant l’observation de Scbeele, constatèrent que le chlorure d’argent conserve la propriété

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de noircir bien au delà du rayon violet du spectre solaire, jusqu’à une distance au moins égale à celle qui sépare le violet du rouge. Depuis lors on admit l’existence d’un spectre chimique, composé de radiations ultra-violettes, invisibles ; le fait fut complètement démontré, en 1842, par M. Edmond Becquerel, qui réussit à isoler les radiations chimiques au moyen d’une plaque d’iodure d’argent, impressionnable à la lumière.

Nous devons dire ici un mot d’une découverte qui a fait parler d’elle plus qu’aucune autre. Daguerre (né à Cormeille en 1789, mort à Pelit-Bry-sur-Marne en 1851), directeur du Diorama, s’associa, en 1829, à N. Niepce pour trouver le moyen de fixer les images de la chambre obscure par l’action de la lumière , ce qu’avait déjà essayé H. Davy. Au bitume de Judée dissous dans l’huile de lavande, dont se servait d’abord Niepce (mort en 1833) pour enduire, comme d’un vernis, des plaques métalliques!, Daguerre substitua en 1839, après divers tâtonnements, le chlorure et l’iodure d’argent , et parvint à créer, sous le mon de daguerréotypie ou de photographie, tout un art industriel qui a reçu depuis lors de très-nombreux perfectionnements. Ed. Becquerel et Uerschel essayèrent de reproduire les images avec, les couleurs du spectre solaire ( héliochronomie ). M. Niepce de Saint-Victor, neveu de l’associé de Daguerre, entreprit une série de recherches originales sur les flammes colorées, et donna le premier des essais de gravure héliographique , propres à faire concevoir l’espérance de fixer les images des objets avec leurs couleurs naturelles.

MM. Bunsen et Roscoe ont publié, en 1863, dans les Annales de physique et de chimie de Poggendorff, une série de recherches sur l’action chimique de la lumière, appliquée aux phénomènes du monde, tant minéral qu’organique. En évaluant le pouvoir chimique du soleil au moyen d’un appareil, où le mélange explosif de chlore et d’hydrogène joue le principal rôle, ils trouvèrent que « si les rayons solaires arrivaient à la terre sans rencontrer d’atmosphère, et que ces rayons fussent intégralement absorbés par le mélange à volumes égaux d’hydrogène et de chlore, ils détermineraient pendant chaque minute la formation d’une couche uniforme d’acide chlorhydrique, qui aurait une épaisseur égale à 35%3 ; cette couche serait de 15 mètres pour les rayons qui traverseraient l’atmosphère dans la direction du zénith, de fl mètres lorsque le soleil serait incliné à 45°, etc. »

Toutes les parties du disque solaire ne possèdent pas, suivant ,

Roscoe, au même degré le pouvoir photocliimique. Ainsi, ce pouvoir paraît être cinq fois plus grand au centre que sur les bords du soleil, conséquemment plus marqué que le pouvoir calorifique. Le P. Secchi, directeur de l’Observatoire de Rome, avait trouvé que le centre du soleil émet à peine deux fois plus de chaleur que le bord de cet astre. M. Roscoe explique la différence d’intensité entre les rayons chimiques et les rayons thermiques par la supposition que les premiers, plus réfrangibles que les seconds, sont aussi plus fortement absorbés par l’atmosphère solaire. De l’ensemble de ses observations il conclut que « l’action chimique de la zone polaire australe du soleil est beaucoup plus intense que celle de la zone polaire boréale, et que celle de l’équateur tient le milieu entre les deux. »

Les recherches de MM. Bunsen et Roscoe, extrêmement délicates, exigeaient des moyens d’expérimentation nouveaux, qu’il serait trop long de décrire ici. Qu’il nous suffise de signaler, parmi les résultats obtenus, que l’action chimique de la lumière varie suivant la constitution géologique et l’état agronomique du sol, suivant l’obliquité diurne et annuelle des rayons du soleil, suivant les latitudes et les saisons.

En comparant la lumière du soleil avec celle de sources terrestres, MM. Bunsen et Roscoe ont trouvé que la lumière émise par un fil de magnésium brûlant à l’air libre possède un pouvoir photochimique très-intense : elle produirait autant d’effet chimique que le soleil élevé d’environ 10°, supposé, bien entendu, que les deux sources offrissent la même surface apparente, ce qui aurait lieu si, par exemple, un disque de magnésium de Om,i de diamètre était placé à 10m, 7 de distance.

Raies noires du spectre. Analyse spectrale. — Wollaston eut, un jour de l’année 1802, l’idée de décomposer la lumière diffuse des nuages, en la faisant passer par une fente verticale trèsmince. Plaçant l’œil à la distance de la vision distincte, il regarda cette fente à travers un prisme également vertical ; il vit se former un spectre virtuel offrant les mêmes successions de couleurs que celui de Newton. Mais il y reconnut, en même temps, un petit nombre de raies noires qui semblaient séparer les couleurs par des traits verticaux. Ces raies étaient irrégulièrement distribuées depuis le rouge jusqu’au violet, et constituaient des groupes distincts. Wollaston ne songa pas à se servir d’une lunette pour mieux les observer : il ne comprit pas l’importance de la découverte qu’il venait de faire,

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parce qu’il était dominé par l’idée newtonienne que la lumière blanche n’est autre chose que la superposition des lumières simples, diversement colorées et diversement réfrangibles du spectre.

En 1817, un opticien de Munich, Fraunhofer (né en 1787, mort en 1826), retrouva, dans le spectre solaire, les raies qu’avait aperçues Wollaston et qu’on semblait avoir oubliées. L’appareil dont il se servit était un cercle divisé, semblable à celui qu’on emploie pour la démonstration de la loi des sinus : le prisme était tourné au minimum de la déviation, et la lunette avait été préalablement pointée sur la fente à travers le collimateur. Fraunhofer distingua ainsi un nombre considérable de lignes noires très-déliées , parallèles aux arêtes ; il en compta près de six cents, dont les plus grandes sous-tendaient un angle de 5" à 10". Brewster vit cet angle augmenter à mesure que le soleil se rapprochait de l’horizon, et il compta plus de deux mille de ces lignes noires, d’inégale grosseur, placées à des distances irrégulières, se rapprochant les unes des autres dans certains endroits, pour s’écarter dans d’autres. Fraunhofer constata que ces lignes sont disposées par groupes principaux, qu’elles se succèdent toujours dans le même ordre, occupent les mêmes places dans la série des couleurs, et qu’on les retrouve dans toutes les lumières, directes ou diffuses, du soleil; mais qu’il n’en est plus de même pour des rayons provenant de sources différentes de celle de l’astre radieux.

Ces résultats inattendus firent aussitôt comprendre que les raies ou lignes noires en question pourraient servir d’excellents points de repère pour caractériser les diverses parties du spectre solaire. Fraunhofer employa les lettres de l’alphabet pour désigner les groupes visibles à l’œil nu : les trois premiers, A, B, C, sont dans le rouge; D occupe la partie la plus brillante du spectre, entre l’orangé et le jaune : c’est une des raies les plus nettes et la plus précieuse à cause de sa position moyenne ; E indique la dernière des trois raies, très-vives, qui se trouvent dans le jaune ; F, la moyenne des trois raies, presque équidistantes, contenues dans le vert; G est situé entre le bleu et l’indigo ; H, très-large, termine le violet.

En 1822, Herschel eut, l’un des premiers, l’idée de décomposer par un prisme la lumière des gaz incandescents. Ses expériences lui donnaient des spectres très-peu apparents, sur le fond desquels il voyait se détacher un petit nombre de lignes fort brillantes, aussi étroites et aussi irrégulièrement disposées que les raies noires du spectre solaire, et dont la place était également constante. Ilerschel

n’hésita pas à déclarer que ces lignes brillantes pourraient servir à analyser les matières qui, par leur combustion, fournissent les gaz incandescents.

Fraunhofer avait déjà observé, dans la flamme des lampes ordinaires, une lumière jaune, composée d'une double raie. M. Cooke vit celle même lumière, obtenue avec une lampe à alcool salé, se résoudre en plus de soixante jlraits très-brillants à l’aide de neuf prismes creux, remplis de sulfure de carbone. Et comme M. Sevan l’avait vu, en 1856, se reproduire dans toutes les combustions faites en présence d’un sel de soude, et que, dans toutes ses recherches, il lui était difficile de l’empêcher de prendre naissance, M. CooKe en induisit que le sodium est un des corps les plus universellement répandus. Muller étudia particulièrement les flammes vertes, rouges, etc., données par différents sels métalliques mêlés à l’alcool, et M. Morren fit le premier connaître le spectre si remarquable fourni par la combustion des hydrogènes carbonés : on y voit 6 raies brillantes et équidistantes dans l’orangé, 7 dans le jaune verdâtre, 3 dans le vert, 5 dans le bleu indigo, enfin un grand nombre de lignes entièrement noires et équidistantes dans le violet. Or, comme ce spectre se produit toutes les fois qu’une flamme contient du charbon qui s’y brûle complètement, on en a conclu qu’il est dû à la présence du carbone.

Les raies de la lumière électrique, qui entraîne si facilement de la matière volatilisée, furent étudiées avec soin par Wheatstone, Masson, Plucker, Foucault.

Tous ces faits étaient connus ; mais le lien qui devait les réunir avait échappé à tout le monde , quand MM. Bunsen et Kirchhoff publièrent en 1859 le travail qui, par V analyse spectrale, ouvrit un champ nouveau aux progrès de la chimie (Voy. l’ Histoire de lu Chimie).

Théorie la plus récente de la lumière. — U résulte des études comparatives, faites sur les propriétés lumineuse, calorifique et chimique du spectre par MM. Ed. Becquerel, Jamin, etc., que ces trois propriétés sont absolument inséparables dans la partie du spectre où elles se trouvent superposées. Comme on ne pouvaitles séparer ni par la réfraction prismatique, puisqu’elles ont le même indice et qu’elles suivent la loi des sinus, ni par les milieux absorbants, puisque ces milieux agissent proportionnellement sur chacune de ces propriétés, on chercha à les séparer en les polarisant ou en les faisant interférer. Mais MM. de la Provostaye et Desains montrèrent que,

dans tous les cas, chaque propriété d'une lumière simple se retrouve avec la même intensité et le même sens dans les deux autres propriétés qui l' accompagnent dans le spectre.

Voici l’interprétation philosophique, donnée par M. Jamin, de cette loi générale r « On a supposé autrefois que trois agents distincts émanaient du soleil : la chaleur, la lumière et les rayons chimiques, et que chacun d’eux donnait lieu à un spectre partiellement superposé aux deux autres , mais distinct dans sa nature autant que dans ses propriétés. On a imaginé depuis une théorie nouvelle : on admet que le soleil envoie des vibrations qui sont toutes de même nature, qui ne se distinguent que par leur longueur d’onde, et qui se séparent en traversant un prisme, parce que leur réfrangibilité est différente, de telle sorte qu’en un lieu donné du spectre il n’y en a qu’une seule et qu’elle est réellement simple; tombe-t-elle sur un thermomètre, il l’absorbe et s’échauffe ; rencontre-t-elle certains composés chimiques, elles les modifie ; pénètre-t-elle dans l’œil, elle y développe l’effet lumineux. C’est entre ces deux théories qu’il faut choisir. Si la triple propriété résultait de trois rayonnements distincts superposés, ils auraient certainement des propriétés distinctes qui permettraient de les isoler, tandis que l’identité des trois actions, que l’expérience constate, est nécessaire si l’on regarde la chaleur, la lumière et l’action chimique comme des manifestations d’une même radiation simple. Dans cette alternative, la logique nous conduit à admettre une cause unique qui explique l’ensemble des effets, plutôt que trois causes différentes auxquelles il serait impossible d’assigner des caractères distincts. A l’avenir nous admettons donc que le soleil envoie une série de vibrations superposées différant entre elles, non par leur vitesse de propagation, non par la direction de leurs mouvements, mais seulement par la rapidité de leurs oscillations; elles diffèrent entre elles comme les notes envoyées à la fois par les divers instruments d’un orchestre; elles se séparent par la réfraction. Les vibrations peu réfrangibles sont les plus lentes, et les plus déviées les plus rapides, de sorte que les chaleurs obscures sont analogues aux sons graves, les rayons chimiques extrêmes aux notes les plus aiguës, et les rayons (colorés) du spectre visible aux notes moyennes. Il est extrêmement probable que nous ne connaissons pas, dans toute son étendue, la gamme des radiations solaires, car tous les milieux connus absorbent à la fois les moins et les plus réfrangibles d’entre elles, et vraisemblablement le spectre pourra

un jour être prolongé au delà des limites que nous lui connaissons

aujourd’hui » ....

Enfin, d’après une idée généralement admise par les physiciens

de la génération actuelle, l’ensemble des radiations qui composent la lumière commune représente une somme de mouvements ou de force vive, qui se conserve ou se dépense en un travail équivalent.

Il suit de là que toute radiation absorbée doit pouvoir se mesurer par un effet déterminé ou déterminable. Le plus souvent elle se traduit par un effet complexe, désigné sous la dénomination vague de diffusion et qui s'observe dans presque tous les corps transparents ou incolores. Ainsi, l’eau partage la lumière en deux parts : l’une, qu’elle transmet, est jaune et passe au rouge ; 1 autre, qu elle diffusionne intérieurement, est complémentaire; c’est celle-là qui nous fait voir vertes ou bleues les eaux profondes des lacs ou de la mer. Ce double effet explique une expérience fort curieuse de Hasseniralz. Ce physicien (né à Paris en 1755, mort en 1827) vit la lumière paraître successivement jaune, orangée et rouge, en luisant passer les rayons solaires à travers un tube plein d eau, dont il augmentait progressivement la longueur ; les longues colonnes d’eau, éclairées par le soleil, semblaient devenir lumineuses ; elles diffusionnaient la partie des rayons qu’elles ne transmettaient pas directement. Or, ce qui ne se manifeste qu’avec de très-longues colonnes d’eau a lieu pour les corps opaques sous une épaisseur très-petite. L’air est dans le même cas que l’eau : bleu par diffusion, il colore en rouge le soleil à son coucher et à son lever ; aux limites supérieures de l’atmosphère, il paraîtrait noir comme la nuit.

Phosphorescence et fluorescence.* — On Sâil depuis longtemps que les diamants, après avoir été exposés au soleil, luisent quelque temps dans l’obscurité. En 1604, Vincent Calciaroto, de Bologne, découvrit la même propriété dans les coquilles d’huîtres calcinées. On reconnut depuis lors que ces cas ne sont pas rares, que la phosphorescence peut se manifester par des efforts mécaniques, en broyant, par exemple, du sucre, de la craie, du chlorure de calcium, etc.; qu’elle se produit en clivant du mica, pendant la cristallisation de l’acide arsénieux et du sulfate de soude, par la combustion lente des bois morts, etc. ; enfin on l’observe dans les eaux de la mer, chez certains insectes, chez des poissons, etc. Primitive-

i. M. Jurnin, Cours de Physique, t. III, p. 444 et suiv.

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ment on rapprochait ces phénomènes de la nature du phosphore ; de là le nom de phosphorescence. Les physiciens et chimistes des xvii® et xviii* siècles ont beaucoup écrit sur cette matière l, qui est encore aujourd’hui loin d’être épuisée.

On a distingué de la phosphorescence le phénomène que présentent certains cristaux de fluorine transpareule. Ces cristaux, étant éclairés par des rayons solaires dans une chambre obscure semblent comme enveloppés d’une couche lactescente qui diffusionne en tout sens une lumière variant du violet au bleu verdâtre. C’est celle diffusion de lumière qui constitue la fluorescence. Brewsler et John Herschel en ont fait les premiers un objet d’étude spécial.

L’od de M. de Reichenbach a quelque analogie avec ce genre de phénomènes.