Analyse spectrale de l’étincelle

Wollaston et Frauenhofer avaient remarqué les premiers que le spectre de la lumière électrique présentait des raies brillantes dont une en particulier, située dans le vert, était très-intense. Wheatstone faisant jaillir l’étincelle entre divers métaux vit que le nombre et la position des raies brillantes diffèrent suivant les métaux. Ce fut Masson qui fit les premières expériences précises sur l’étincelle obtenue avec la batterie de Leyde, démontrant que le nombre et la position des raies étaient spécifiques pour chaque substance, et que leur eouleur était toujours celle de la région du spectre où elles se trouvaient. Le charbon donne dans le bleu et le violet trois groupes de raies très-fines et des bandes diffuses à la fin du violet; le cuivre donne des raies remarquables dans le bleu et le violet ; le zinc présente une raie vert-pomme caractéristique ; le cadmium présente de magnifiques raies dans le vert et dans le bleu. Masson* découvrit en outre que tous les spectres obtenus avec l’étincelle dans l’air présentaient plusieurs raies communes^ c’est-à-dire de-

* Annales de Chimie et de Physique. 3® série. Tome XXXI. 1851.

m LKS MERVEILLES DE L’ÉTINCELLE ÉLECTRIQUE.

meurant les memes quand on changeait la substance des conducteurs ; il en signala quatre principales dans le rouge, l’orangé, le jaune et le vert. M. Angstrom^ reconnut ensuite que ces raies communes dépendaient de la nature du gaz dans lequel jaillit l’étincelle. Enfin M. Van der Willigen étudia particuliérement ces raies^en 1859.

L’étincelle jaillissait dans l’air entre deux fils de métal qui communiquaient avec les armatures d’une bouteille de Leyde chargée par une bobine de Ruhmkorff. Les décharges se succédant très-rapidement, on voyait le spectre d’une manière continue, ce qui rendait faciles les mesures nécessaires pour assigner la position des raies. Ces recherches ont montré que, si les extrémités des fils de métal sont très-rapprochées, les raies caractéristiques de l’air disparaissent, et il ne reste plus que celles qui dépendent du métal. Si l’on augmente peu à peu l’intervalle des fils, ces dernières raies s’affaiblissent, et les premières deviennent de plus en plus prédominantes.

Si les fils métalliques sont très-fins, le fil négatif s’échauffe et les aigrettes apparaissent. On obtient aussi les aigrettes en raréfiant l’air, et alors l’apparence du spectre change complètement. On a deux spectres différents, suivant qu’on regarde à travers le prisme du spectroscope la lueur du fil négatif, ou le point brillant qui se montre à l’extrémité du fil positif, et ces deux spectres n’ont point de rapport avec celui du trait de feu : ce dernier est formé de raies brillantes, nettement définies, les deux autres présentent de larges bandes peu lumineuses, et dégradées du côté du violet.

En 1865, M. Seguin a ajouté de nouveaux faits à ceux qu’on connaissait déjà. Il observait au spectroscope l’étincelle d’une petite bobine d’induction, qui diffère notablement des autres étincelles.

^ Annales de Poggendorff. Tome XGIV.

- Annales de Chimie et de Plufsiqne. 5® série. Tome LVIL 18^0,

CONSTITUTION DE L’ÉTINCELLE EXPLOSIVE

Habituellement cette étincelle offre simultanément le trait de feu et les aigrettes; celles-ci se rejoignant forment autour du trait de feu une gaine violacée, qu’on appelle Une foule de circonstances peuvent faire

prédominer, soit l’iine, soit l’autre de ces deux formes lumineuses, et même ne laisser subsister que l’une d’elles.

M. Adolphe Perrot a observé qu’en rapprochant les fils métalliques entre lesquels jaillit l’étincelle, on augmente l’auréole et on diminue le trait de feu ; ce dernier finit môme par disparaître. Le passage d’une forme à l’autre s’obtient aussi par la raréfaction de l’air, lorsque les fils sont disposés dans l’œuf électrique. A mesure que la raréfaction augmente, le trait de feu s’efface et la lumière devient une aigrette en forme de fuseau comme celle de la figure 26.

Quand on substitue à l’air d’autres gaz, on modifie l’apparence. Ainsi l’auréole diminue considérablement dans l’hydrogène, tandis qu’elle est très-développée dans le gaz carbure d’hydrogène.

M. du Moncel ayant dirigé le courant d’un soufflet sur la même étincelle a vu l’auréole s’infléchir dans le sens du courant et s’étaler en nappe lumineuse sillonnée parallèlement à ses contours de plusieurs lignes brillantes et sinueuses. Le trait de feu est moins sensible au souffle, mais il y cède comme l’auréole, et lorsque le courant d’air est assez fort, il disparaît, et on n’observe plus, d’après M. Seguin, qu’une faible lueur ayant la forme d’un fuseau recourbé. De loin en loin deux ou trois jets brillants, déliés, sinueux, éclatent à travers cette lueur; le plus dévié est le moins brillant, il est bordé extérieurement par une légère frange lumineuse, semblable à une auréole rudimentaire.

Nous pouvons maintenant suivre les détails de l’analyse spectrale faite par M. Seguin.

Les fils de décharge étant très-écartés l’un de l’autre,

et l’auréole étant trés-faible, le spectroscope montre dans le spectre de l’étincelle les raies de l’air seulement. Si on rapproche beaucoup les fils, de manière que le trait brillant disparaisse, on ne voit plus les raies de l’air, mais celles qui sont caractéristiques du métal. Ainsi M. Seguin trouvait une relation entre deux faits découverts par M. van der Willigen et par M. Perrot.

« L’analyse de toutes ces circonstances, dit-il, est plus complète, lorsqu’on observe une étincelle horizontale à travers la fente verticale du spectroscope ; on peut alors promener celle-ci sur toute la longueur de l’étincelle et examiner successivement chacun de ses points. Pour une assez grande distance des fils, on voit les raies de l’air tout le long de l’étincelle, excepté quand on vise l’extrémité même du fil positif : là on aperçoit les raies du métal. )) M. Seguin cite pour l’air deux raies caractéristiques, l’une jaune-verdâtre, l’autre verte, et pour le métal, qui était le cuivre, un groupe de trois raies vertes. (( Quand on diminue la distance des fils, les raies de l’air persistent mieux du côté du fil négatif qu’ailleurs; mais elles se troublent peu à peu, s’effacent, et on finit par ne plus distinguer sur toute l’étendue de l’étincelle que les raies du métal. A ce moment, l’étincelle étant très-courte, si on dirige sur elle un courant d’air vertical, les raies du métal se prolongent en s’affaiblissant dans la partie du spectre qui correspond à la nappe de feu. Dans cette série d’observations, on voit, pour ainsi dire en détail, la matière du métal se détacher des fils, surtout du fil positif, se projeter dans l’étincelle, particulièrement dans l’auréole, s’étaler avec elle et se disperser sous l’influence du courant d’air. ))

Cet exemple montre le merveilleux parti que les physiciens ont su tirer du spectroscope. Avec cet appareil, les plus intimes détails des flammes nous sont révélés et notre œil acquiert une puissance extraordinaire. C’est ainsi qu’aujourd’hui l’astronome, armant sa lunette d’un

CONSTITUTION DE L’ÉTINCELLE EXPLOSIVE. 125

spcctroscope, sait distinguer les immenses flammes d’hydrogène qui sont sans cesse projetées par le soleil ; nonseulement les raies spectrales accusent la nature de ces flammes, mais encore elles font reconnaître leurs formes, leurs dimensions, et l’on peut suivre les transformations incessantes qu’elles subissent.

L’analyse spectrale nous indique encore si quelque décomposition chimique s’accomplit dans le gaz qui sert de véhicule à l’étincelle. Avec le gaz acide sulfureux, on voit les raies du soufre ; avec l’hydrogène phosphoré, ce sont celles du phosphore,' etc. Eh bien, plus les raies sont nettes, moins le trait de feu se distingue de l’auréole, comme si la lumière s’étendait, portée par les éléments chimiques du gaz devenus libres. Dans le bicarbure d’hydrogène, l’étincelle est d’abord blanche et éclatante, le charbon se dépose sur les fils de métal et sur les parois du vase qui renferme le gaz. On voit dans le spectroscopc un spectre continu qui nous apprend que les particules de charbon sont à l’état solide. Puis l’auréole s’affaiblit graduellement, et offre un mélange de vert et de rose ; le spectroscope montre la raie rouge de l’hydrogène, et les raies vertes et bleues du carbone ; d’où nous concluons que le charbon est à l’état gazeux. Grâce au spectroscope nous pouvons assister au spectacle de la transformation de la matière, et étudier dans tous leurs détails les états chimiques et physiques des particules qui constituent l’étincelle.

Concluons de tout cet ensemble de faits que le gaz ou ses éléments et la substance des fils de décharge se trouvent à l’état d’incandescence dans les deux parties de l’étincelle d’induction; que l’illumination de Pair est plus marquée dans le trait de feu, que leclat de l’auréole dépend davantage de la présence des particules enlevées aux fils.

On se demande naturellement ce que deviennent ces particules, et 011 peut penser qu’elles sont transportées d’un

m LES MERVEILLES DE L’ÉTINCELLE ÉLECTRIQUE.

conducteur à l’autre. C’est en effet ce qui a lieu, et les transports de ce genre ont été étudiés il y a longtemps par Fusiniéri. Si l’étincelle jaillit entre une boule d’argent et une boule d’or, on trouve après une longue succession de décharges une couche d’or déposée sur la boule d’argent, et une couche d’argent déposée sur la boule d’or. Ce que l’analyse spectrale a ajouté à la connaissance de ce fait, c’est celle du rôle que les particules transportées jouent dans la production de la lumière.

On ne pouvait manquer d’observer au spectroscope les stratifications ; c’est ce qu’a fait M. Reitlinger, à Vienne, en 1861 C II a reconnu que les différences de lumière qu’on observe dans les diverses parties d’un tube de Geissler sont en rapport avec la diversité des gaz qui se trouvent ordinairement mélangés dans le tube, et que la décharge électrique paraît séparer par couches alternatives. Les expériences sur ce sujet ont d’ailleui^ besoin d’être répétées.

Lorsqu’une méthode d’observation nouvelle est inventée, elle conduit ordinairement à des résultats imprévus, à de nouvelles découvertes qui agrandissent le domaine de la science. La méthode de l’analyse spectrale appliquée à l’étincelle a eu justement cet avantage. Nous avons dit que les raies du spectre provenant d’un métal gazeux incandescent étaient spécifiques pour chaque métal, jet il semblait naturel que celles des spectres provenant des gaz incandescents eussent le meme caractère. Les expériences faites par MM. Plücker et llittorf en 1864 paraissent démontrer que les choses se passent tout autrement. En faisant passer la décharge d’une bobine de Ruhmkorff dans un tube capillaire, contenant de l’azote, sous une faible pression, ces physiciens ont obtenu un spectre, formé d’une suite de bandes ombrées d’un aspect particulier; ils l’ont appelé spcdre du premier ordre.

^ Anualcs de Chimie et de Physique, 5° série. Tome LXVII.

CONSTITUTION DE L’ÉTINCELLE EXPLOSIVE

Ce spectre se retrouve d’ailleurs dans celui de l’auréole de l’air, décrit par M. Van der Willigen, et dont nous avons déjà parlé. Interposant ensuite dans le circuit une bouteille de Leyde, ils ont observé un autre spectre, formé de lignes brillantes et étroites, qu’ils ont appelé spectre du second ordre, et qui se retrouvent dans le spectre du trait de feu de l’air. D’après ces auteurs le spectre du premier ordre est la superposition de deux spectres différents, qui peuvent être séparés l’un de l’autre, lorsqu’on emploie un tube large au lieu d’un tube capillaire; Tun d’eux est produit par la décharge avec la bouteille de Leyde dans le même tube. Ainsi l’azote donne trois spectres différents, suivant qu’on opère avec un tube large sans bouteille de Leyde, avec le même tube et une bouteille, avec un tube capillaire et une bouteille. Les mêmes auteurs ont vu l’hydrogène se comporter de la même manière.

Cette observation a été le point de départ de nouvelles recherches parmi lesquelles nous signalerons celles de M. Wüllner en Allemagne, de M. Salet en France.

Ces recherches ont mis en évidence la difficulté excessive que l’on éprouve à préparer un gaz absolument pur. En prenant les précautions les plus minutieuses pour éviter que le gaz sur lequel doivent porter les observations soit mêlé de quelque trace d’autre substance, M. Wüllner et M. Salet n’ont pas retrouvé dans le spectre de l’étincelle éclatant au milieu de l’azote une complication aussi grande que le pensaient MM. Plücker et Hittorf. La conclusion que l’on a généralement tirée de leurs expériences est la suivante : Plusieurs des corps simples, à l’état gazeux, peuvent produire deux spectres différents : l’un composé de bandes lumineuses, larges, qui se terminent du côté du rouge par une ligne bien définie, et se dégradent du côté du violet, comme si elles étaient estompées ; l’autre formé de lignes brillantes trèsfines, qui ne présentent dans leurs positions aucune re-

128 LES MEliYEILLES DE L’ÉTINCELLE ÉLECTRIQUE.

lation simple avec les bandes précédentes. Le premier de ces spectres, dit cannelé, est celui de l’auréole, le second, dit linéaire, est celui du trait de feu.

11 n’y a guère que l’azote qui présente nettement ces phénomènes, quand on observe l’étincelle éclatant dans le gaz entre deux conducteurs métalliques. M. Salet a, il est vrai, observé quelque chose d’analogue dans la vapeur du tellure : comme il reconnaît que la vapeur n’était pas pure, son observation perd un peu de sa valeur. Mais le même auteur a fait une autre expérience du plus grand intérêt, parce qu’il a voulu éviter une cause d’erreur qui existe toujours dans les expériences précédentes.

Dans celles-ci, l’étincelle éclate entre deux pointes de métal, platine ou aluminium; il en résulte d’abord l’apparition des raies du métal dans le spectre, puis, ce qui est plus gênant encore, il peut y avoir combinaison entre le gaz et le métal, et alors un nouveau spectre, celui de la combinaison, se superpose à celui du gaz et à celui du métal. Si l’on remarque qu’il est très-difficile d’avoir le métal tout à fait pur, exempt de toute substance étrangère, de toute gaine gazeuse formant à sa surface une sorte de vernis invisible et inappréciable aux réactifs de la chimie, on sera frappé de la complexité possible des spectres de l’étincelle obtenus dans de telles conditions, en présence de tant d’éléments perturbateurs du phénomène principal que l’on étudie. Songeons que l’analyse spectrale est d’une exquise , délicatesse, que des traces imperceptibles de matière sont révélées d’une manière inattendue, qu’on discerne au spectroscope quelques millièmes de milligramme de soufre, quelques millionièmes de milligramme de sel marin, que grâce à cette sensibilité merveilleuse, déjà cinq métaux nouveaux ont été découverts (Rubidium et Cæsium, de MM. Kirchoff et Bunsen, Indium, de MM. Reich et Richter, Thallium, de MM. Crookes et Lamy, Callium, de M. Lecoq de Boisbau-

CONSTITUTION DE L’ÉTINCELLE EXPLOSIVE

dran), et nous serons convaincus de l’excessive importance qu’ont la disposition des appareils et la méthode d’expérimentation.

Voici comment a opéré M. Salet. Le gaz est renfermé dans un réservoir de verre complètement clos, et qui se compose de deux tubes larges réunis par un tube étroit (fig. 3^2). Les parties larges sont enveloppées de feuilles

Fig. 52j — Tube à gaines pour l'Étincelle clans les gaz.

de métal, ou gaines, que l’on met en communication avec les pôles d’une bobine de Ruhmkorff ou d’une machine de Holtz. Une étincelle jaillit dans l’intérieur de ce réservoir, et son éclat est assez grand dans la partie étranglée pour qu’on puisse observer son spectre. Le gaz intérieur est électrisé par les gaines, à travers le verre, et comme l’une de ces gaines est positive et l’autre négative, les particules gazeuses qui les avoisinent sont électrisées contrairement et il y a décharge entre elles par le tube

LES MEH VEILLES DE L’ÉTllN CELLE ÉLECTRIUUE.

capillaire, à chaque inversion des signes de l’électricité que produit l’appareil électrique mis en jeu. Telle est l’explication ordinaire de ce phénomène.

Il serait peut-être plus simple de regarder les deux renllements de verre, qui sont recouverts par les gaines, comme tenant lieu de conducteurs de décharge, électrisés par les mêmes gaines, et alors la simplification de l’appareil est illusoire. Le spectre de l’étincelle pourra présenter les raies de la substance du verre, des gaines gazeuses qui y sont adhérentes, et l’incertitude du résultat n’est pas moindre qu’avec les tubes de Geissler à fils métalliques traversant la paroi du réservoir. On a remplacé en définitive les raies du métal des fils par celles du verre, et comme il est plus difficile de distinguer ces dernières que les autres, on peut craindre un surcroît de difficultés.

Quelle que soit l’explication que l’avenir réserve aux observations faites par cette méthode, M. Salet a reconnu deux sortes de spectres analogues à ceux de l’azote, mais bien différents dans la position et le nombre des raies, pour les vapeurs de soufre, d’iode, de sélénium. Quant aux métaux, on n’a jusqu’à présent observé que des spectres linéaires.

L’existence de deux spectres pour un meme corps simple est une question de la plus haute importance, dans l’étude de la constitution chimique des corps. Le spectre linéaire se conçoit. très-bien par l’analogie qui existe entre les phénomènes sonores et les phénomènes lumineux. On se représente un gaz incandescent comme un assemblage de particules en vibration, comparable à un assemblage d’instruments de musique qui compose un orchestre. Sa lumière est un concert de vibrations harmoniques; sa couleur est la note résultante de toutes les vibrations superposées. Si l’on voit cette couleur changer, on compare ce changement à celui de la note composée que fait entendre l’orchestre. Il peut y avoir

CONSTIILTION DE L'ÉTINCELLE EXPLOSIVE

dans ce cliangemeiit un rhytlime, une cadence, si la couleur et le temps interviennent à la fois ; il peut y avoir une mélodie lumineuse, comme il y a dans l’orchestre une mélodie sonore. Les modifications de couleur que les étincelles peuvent offrir à l’œil, quand l’électricité éprouve des variations, nous apparaissent comme l’effet de la mélodie lumineuse, soit que les particules du gaz accélèrent ou ralentissent leurs vibrations, soit que celles d’un autre gaz, jusqu’alors muet, entrent à leur tour en vibration. Ces dernières renforcent ou arrêtent les autres suivant qu’elles sont avec elles en concordance ou en discordance. De là une infinité de nuances, dont la texture est révélée par le spectroscope.

Mais comment un même gaz, l’azote, par exemple, peutil vibrer de deux manières aussi diverses que semblent l’indiquer ses deux spectres, cannelé et linéaire? Les bandes cannelées de notre spectre indiquent que parmi les particules du gaz vibrant les unes, en plus grand nombre, composent une note lumineuse prédominante, et les autres, presque muettes, exécutent des vibrations quelque peu différentes des précédentes par leur rapidité; ces dernières sont comme des instruments d’orchestre mal accordés, qui troublent fliarmonie sans pourtant la détruire complètement. L’auréole de l’étincelle dans l’azote est un orchesLre qui joue faux. Conçoiton un assemblage de particules, semblables entre elles, comme doivent l’être celles d’un gaz simple, vibrant comme des instruments mal accordés? Cette similitude admise des particules de l’azote est-elle compatible avec le désaccord de leurs vibrations lumineuses ? Bien plus, lorsque le trait de feu apparaît, nous voyons une note lumineuse tout autre succéder brusquement à la note discordante de l’auréole, et cette fois toutes les particules exécutent leurs vibrations dans un accord rigoureux : si le même gaz vient d’exécuter ce changement à vue, si complet, pourquoi de nouveaux changements, aussi cou-

LES MERVEIU;ES de L’ÉTINCELLE ÉLECTRIQUE.

sidérables, ne se montrent-ils pas dans ses diverses propriétés physiques et chimiques ?

En général, les cannelures spectrales sont le (ait des gaz composés, et les phénomènes que nous venons de décrire seraient parfaitement expliqués par rintervention d’une telle substance dans l’auréole, et par celle de l’azote seul dans le trait de feu. Si cela n’est pas admis aujourd’hui, p’est parce qu’on regarde comme chimiquement pur Tazote des expériences, ou parce qu’on ne découvre pas la nature chimique du composé qui s’y trouve mêlé. Mais pour que ce composé se reconnaisse à ses caractères chimiques ordinaires, il faut qu’il existe en quantité beaucoup plus grande que celle qui est appréciable par l’analyse spectrale. De là l’incertitude. 11 n’est donc pas étonnant que l’on imagine quelque hypoihèse capable de rendre compte des faits, ne serait-ce que pour avoir un guide dans de nouvelles recherches. C’est ainsi que l’on s’est demandé si l’azote de l’auréole ne serait pas un corps simple, dont les particules seraient en quelque sorte doubles , et quelque peu dissemblables entre elles, et si le trait de feu ne les scinderait pas en leurs éléments. On comprend difficilement, il est vrai, que ces éléments séparés, et dissemblables, vibrent ensuite à l’unisson parfait, comme le prouve le spectre linéaire.

C’est à l’avenir qu’il est réservé de nous fournir des faits précis qui lèvent toutes ces difficultés. Que le physicien se fasse chimiste, que le chimiste étende dans le domaine de la physique le champ de ses investigations, le problème que nous venons de poser ne tardera pas à recevoir sa solution. Déjà la thermodynamique a établi une union profonde entre deux sciences, trop longtemps séparées ; la spectroscopie les unit plus étroitement encore. Les molécules de la physique et les atomes de la chimie doivent tenir des places égales dans la pensée de l’homme d’étude, du clierclicur qui voit dans le monde

CONSTITUTION DE L’ÉTINCELLE EXPLOSIVE

tangible antre chose que des mystères ou des images insaisissables.