CHAPITRE III

Transformation de la matière en iumière.

s I. — L'ÉMISSION DE LA LUMIÈRE PAR LA MATIÈRE.

La lumière est produite par des vibrations de la matière propagées sous forme d'ondes dans Téther. Quand ces ondes possèdent une longueur convenable pour impressionner Toeil, on leur donne le nom de lumière visible. On les qualifie de lumière invisible lorsque la rétine, qui n'est impressionnée que par une faible partie de retendue du spectre solaire, reste insensible à leur action.

Qu'il s'agisse de vibrations produisant la sensation de bleu et de rouge ou de celles sans action sur Tœii, rinfra-rouge ou l'ultra-violet, les vibrations sont de même espèce, ne diffèrent que par leur fréquence et méritent le même nom de lumière.

De cette définition générale de la lumière, la seule qui s'accorde avec les données de la science actuelle, une première conséquence découle. Nous devons donner le nom de lumière aux radiations visibles ou invisibles émises par la matière à toutes les températures, jusqu'au zéro absolu, comme nous levons fait voir en étudiant la chaleur rayonnante.

La matière se transforme donc incessamment en lumière à toutes les températures. Un œil à rétine suffisamment sensible verrait dans l'obscurité tous les

objets eiilourés d'une auréole lumineuse, et les ténèbres lui seraient inconnues. Cet œil n'existe pas peut-être, mais divers instruments permettent de le remplacer.

Examinons maintenant quelques-unes des conditions de transformation de la matière en lumière.

Quand on chauffe un corps, les vibrations de ses particules deviennent plus rapides et son émission d'ondes éthérées s'accroît. Ces ondes, d'abord trop loni?ues pour être perçues, sont assez courtes vers 500 degrés pour devenir visibles et donner la sensation du rouge. De 800 à 1.000 degrés, des ondes plus courtes encore apparaissent et les radiations émises comprennent toute l'étendue du spectre. Je serais assez porté à croire, d'après certaines expériences encore incomplètes, qu'à foutes les températures les corps émettent des radiations comprenant l'étendue complète du spectre. Leur faible amplitude empoche seule de les apercevoir. La température agirait surtout eu augmentant l'amplitude des ondes émises, ce qui les rend visibles.

A chaque température, le corps échauffé énvet des ondes de longueur très différente, suivant sa nature. L*éclat des flammes dépendant, à température égale, du rapport existant entre les grandes et les petites longueurs d'onde émises par les corps incandescents, ceux qui émettent davantage des secondes que des premières sont les plus lumineux.

L'éclat des becs Auer est précisément dû à la faiblesse de leur pouvoir émissif dans le rouge et l'infra-rouge, comparé à leur puissance d'émission dans le spectre visible. La température (1.650 à 1.700 degrés environ) n'y diffère pas notablement de celle d'un simple bec de gaz ordinaire.

Il n'y aurait pas d'intérêt au point de vue de l'éclat de la lumière à trop élever la température d'un corps, parci' qu'alors on produirait, cas de l'arc élec-

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peut citer la combustion du gaz ordinaire. Formé par un mélange d'hydrogène et de carbures d'hydrogène, il se combine violemment avec Toxygène de Tair quand on Tallume. Les particules de carbone des carbures étant mises en liberté et portées à l'incandescence donnent à la flamme un éclat que l'hydrogène pur ne possède pas. Le gaz ne doit le sien qu'à ces particules incandescentes en suspension ; un corps solide quelconque, du platine par exemple, pourrait les remplacer.

En réalité, les phénomènes qui se passent dans une flamme, telle que celle d'une simple bougie, sont d'une complication bien autre. Ils le sont même assez pour qu'on puisse considérer un corps en combustion comme un des phénomènes les plus difficiles à interpréter de la physique et comportant la solution, à peine entrevue, d'un grand nombre de ' problèmes relatifs à la dissociation de la matière. Toute incandescence s'accompagne, en effet, du dégagement d'un torrent de particules électriques, comparable aux rayons cathodiques ou aux émissions du radium. Ce dégagement implique nécessairement un commencement de désagrégation de l'atome, autrefois ignorée, parce que la provision d'énergie contenue dans la matière est tellement immense que la perte subie pendant la combustion passait inaperçue.

Cette dissociation de l'atome dans la flamme a été mise en évidence non seulement par la production des particules électriques provenant de cette dissociation, mais encore par la déviation des électrons des flammes dans un champ magnétique ; elle a pour conséquence le dédoublement des raies spectrales de la flamme sur laquelle le champ magnétique agit.

§ 2. — ROLES RESPECTIFS DE LA LONGUEUR D'ONDE ET DE SON AMPLITUDE DANS LES ACTIONS DE LA LUMIÈRE.

Un corps jeté dans Teau détermine à sa surface une série d'ondes circulaires concentriques comparables à de petites collines parallèles séparées par des vallées. La distance du sommet d'une colline à Tautre s'appelle la longueur d'onde, la hauteur de chaque colline au-dessus du fond de la vallée représente Tamplitude de Fonde. Il en est de même, on le sait, pour la lumière, avec cette seule différence que les ondulations se font dans Téther au lieu de se produire dans un liquide.

La longueur d'onde et sa hauteur constituent deux (shoses très différentes à bien séparer, si Ton veut comprendre certajnes actions de la lumière.

Qu'il s'agisse du son, de la lumière ou de toute perturbation périodique d'un fluide quelconque, la longueur d'onde est un élément de grandeur invariable pendant tout le temps d'une vibration, alors que son amplitude peut varier dans des limites étendues. Les ondes perdent de leur amplitude en se propageant, mais leur longueur et, par conséquent, le nombre de vibrations par seconde reste le même. L'analogie avec les oscillations du pendule est complète. Que l'on écarte peu ou beaucoup un pendule de la verticale, le chemin qu'il parcourra dans sa trajectoire oscillante sera très court ou très long, mais le temps employé pour le parcourir invariable, ne dépendant que de la longueur du pendule.

Quel est le rôle de ces deux éléments, la longueur d'onde et son amplitude? En ce qui concerne le pendule, la force vive de sa masse croît avec l'amplitude de ses vibrations. Pour le son, la longueur

d'onde délermîne ]a hauteur d'une note donnée, alors •que l'amplitude détermine l'intensité de cette note. Pour la lumière, les ondulations de l'étlier donnent, suivant leur longueur, des notes que nous nommons bleu, rôuge, •^•ert, etc. Leur longueur est rigoureusement invariable pour chaque note; mais l'intensité ■qu'elles produisent, c'est-à-dire leur éclat, peut varier dans d'énormes proportions avec l'amplitude des ondes «émises : de 1 à 1 million, entre 600 et 1.800 degrés, par exemple pour les radiations rouges, d'après les mesures de M. Lechatelier. L'intensité d'une radiation pourra la faire osciller entre l'obscurité cl un éclat éblouissant, sans que la longueur d'onde éprouve •aucun changement.

Kn dehors de la température, divers moyens existent d'augmenter ou de réduire Tamplitude des ondes éthérées, par conséquent l'intensité d'un faisceau lumineux. Il suffit de le concentrer ou, au -contraire, de le disi)erser au moyen de lentilles de formes convenables.

L'intensité d'une note ou d'une couleur est donc très variable, mais la longueur des ondes qui pro- •duisent cette note ou cette couleur reste absolument la même pendant toute la durée des vibrations.

L'œil et l'oreille ne sont pas organisés de façon à accumuler les impressions. Une couleur ou une note d'intensité donnée produiront toujours le même effet, •quelle que soit. la durée de leur action.

Il en est autrement pour certains réactifs, la plaque photographique par exemple, capables d'accumuler les impressions. On peut alors, avec une intensité très faible, mais prolongée, produire des effets identiques à ceux obtenus par une intensité très grande, agissant pendant un temps très court. La possibilité •de cette accumulation m'a permis de photographier <les corps doués de phosphorescence invisible pour l'œil, simplement parce que l'amplitude des vibra-

lions lumineuses émises élait trop faible pour impressionner la rétine.

La plaque sensible voit les radiations émises parce qu'elle peut les accumuler, et photographie les étoiles que Tœil ne voit pas, à cause de leur amplitude trop faible, bien que la sensibiljté de la rétine soit énormément supérieure à celle de la plaque. L'œil est pour la lumière comme l'oreille pour le son. Il existe de la lumière obscure et du son silencieux, que Tœil et Toreille ne perçoivent pas, mais que peuvent révéler des réactifs^ convenables.

Se basant sur ce que les étoiles, qui sont à la limite de la visibilité, exigent une heure de pose pour être photographiées, Deslandres fait remar<|uer que « le rapport entre les sensibilités de l'œil et de la plaque photogra[)hique serait le rapport entre 1/10'' de seconde et 1 heure, soit 1/36.000 ».

Quel que soit le; réactif employé : rétine, plaque photographique, composé chimique, il y a toujours un minimum d'amplitude, variable pour chacun d'eux, au-dessous duquel la lumière est sans action. M. Berthelot a fait observer que l'oxydation du sulfure de carbone, qui se fait en quelques heures au soleil, ne s'effectue jamais à la lumière diffuse, même au bout d'une année. Pour d'autres réactions, telles que la combinaison du chlore et de l'hydrogène, rinténsité lumineuse peut, au contraire, être extrêmement faible;. Ce sont là des phénomènes dont on ne tient pas toujours compte, mais il faut les connaître pour comprendre les effets de la lumière. C'est parce qu'ils ont été méconnus que les variations de certaines fonctions des végétaux, dans les diverses régions du spectre, donnèrent lieu, nous le verrons, à tant d'interprétations contradictoires.

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les spectres de diffraction obtenus au moyen de réseaux. La distance entre les raies y étant proportionnelle à la longueur d'onde, le rouge occupe une étendue, beaucoup plus considérable que dans les spectres prismatiques.

C'est précisément, l'emploi des prismes pour produire les spectres qui conduisit à interpréter assez inexactement la. position du maximum de l'énergie calorifique. On le plaçait autrefois dans l'infra-rouge. On sait aujourd'hui qu'il se trouve dans la partie lumineuse du spectre ; mais comme, à l'égard de la longueur totale de ce dernier, la région visible est très peu étendue, il s'ensuit que l'énergie calorifique totale est beaucoup plus grande dans l'infra-rouge invisible. Suivant les dernières mesures de Langley, le spectre solaire visible ne contiendrait que le cinquième de l'énergie calorifique de la région infrarouge. La région invisible du spectre constitue donc la portion la plus importante de la lumière. Seule, la sensibilité de l'œil crée. la limite entre les parties visibles et invisibles du spectre. Elle n'est pas, sans doute, la même pour tous les animaux.

Cette immense région invisible du spectre où se trouve la plus grande partie de son énergie doit jouer dans les phénomènes de la vie végétale et dans ceux de la météorologie un rôle très important, quoique à peine soupçonné. On ne connaît encore de ses propriétés que les actions calorifiques. Ses variations jouent probablement un rôle considérable dans les saisons. Langley a reconnu que le spectre solaire changeait aux diverses périodes de l'année et que la distribution de son énergie n'était pas la même aux différentes saisons.

La proportion d'un cinquième delà radiation solaire, qui apparaît sous forme de lumière visible, semble faible au premier abord. Elle est en réalité très grande, si on la compare à celle des lumières artificielles.

D'après les recherches récentes de Wedjjing (1905), itoutesyes sources artificielles de lumière, y compris i'arc électrique, n'utiliseraient pas plus de 1 Vo des

Vxfl. 15. — DUtribution de V énergie visible et invisible dans la lumière

de l'are ileetrique.

Tonte lapaortie teiiitéo en noir repziaenta l'énergie Imttiliaée d'aiirès Langley. La partie blanche A B est la seule utilisée dans l'éclairage. La 'graduation s'arrête à 3:^.^ Pour jendre la figure tout à fait exacte, il aurait fallu la prolonger à droite considérablement.

radiations produites, 99 "/o des radiations émises seraient donc invisibles K

Bien que ces chiffres varient avec les observateurs, il n'en est aucun qui ait trouvé' une perte inférieure' à 90 Vo. Si donc on évalue à 3 ou 400 millions, ainsi •qu'on l'a fait, la dépense annuelle d'un grand pays -comme l'Angleterre pour, son éclairage artilhieU on voit que la découverte du moyen de transformer réner-<ie calorifique invisible en lumière visible économiserait près de 300 millions annuellement pour un seul pays.

Le problème n'apparaît pas du tout comme insoluble, puisque la nature a trouvé sa solution. La lumière des animaux phosphorescents se compose presque exclusivement de rayons appartenant à la région visible du spectre. Tous les corps phosphorescents produisent également de la lumière sans •échauffement préalable. Il est probable que ce sont

1. Ces chiffres ont noiablemenl varié, suivant les observaieurs. Chwolson ^onne 10 »/o pour la partie ulilisHble de l'arc électrique et 4 "/• pour le gaz. "S. Thomsoa {The îAamifaclure o,' Liyht, 1906), adopte le chiffre de I •/« seulement •d'énergie utilisée résultant des recherches récentes de Wedding.

alors (les énergies atomiques qui entrent en jeu et non des ébranlements moléculaires, comme dans le cas de Tincandescence. Nous re\iendrons sur ce point en étudiant la phosphorescence des gaz dans un autre chapitre.-