CHAPITRE VIII

DB L''OPACné DBS CORPS ET SPÉCIALBNBNT DE l'aCTION DBS MÉTAUX

SDR LA LUMIÈRE

L'opacité et la transparence ne sont pas des propriétés absolues de la matière; nulle substance n'est parfaitement transparente, et le corps le plus opaque, pris sous une très-faible épaisseur, devient translucide*. Ainsi, constamment un certain nombre de rayons sont absorbés par les corps et se transforment, avons-nous dit, en produisant une action chimique ou thermique. Nous pouvons reconnaître plusieurs causes à cette absorption : i^le frottement de l'onde éthérée passant entre des molécules de forme plus ou moins anguleuse ; 2® le travail nécessaire pour constituer les molécules du corps dans un nouvel état d'équilibre, travail accompli aux dépens de la force vive de l'éther; 3® la facilité plus ou moms grande des molécules à vibrer à l'unisson de l'onde incidente. Dans le cas où l'unisson est impossible, par la superposition de mouvements ondulatoires de grandeurs différentes, le corps pesant devient souvent le centre d'un nouveau système d'ondes plus longues que les ondes incidentes '. Dans ce

^ Tout le monde connaît Tappli cation du polarimètre à l'analyse des sucres.

• Plusieurs métaux fondus (le cuivre par exemple) sont transparents.

* II est bon de rappeler ici une expérience due à Tartini. Lorsque

paragraphe, nous étudierons l'absorption par les métaux.

Depuis longtemps on a donné comme caractère spécifique des métaux Féclat métallique et une grande opacité ; ces deux propriétés ne dépendent pas d'une irrégularité de structure, comme on le voit pour certaines substances, car elles se retrouvent tout entières dans les métaux parfaitement purs et cristallisés. Plus récemment, après la découverte de la polarisation, on a reconnu que toutes les substances diaphanes présentées à la lumière naturelle sous une incidence convenable la polarisent à peu près complètement; avec les métaux, au contraire, on n'obtient jamais qu'un angle de polarisation maximum, car ils polarisent constamment la lumière d'une façon trèsincomplète. Ces faits conduisirent les physiciens .à admettre dans les métaux une très-grande force réfringente, car on savait que Tangle de polarisation augmente avec œ pouvoir, et on citait le diamant, dont le pouvoir réfringent est considérable et qui polarise très-mal la lumière. La conclusion était prématurée; on peut, en effet, rapprocher l'éclat métallique du brillant phénomène qui nous est offert par un prisme dans l'intérieur duquel un faisceau lumineux subit la réflexion totale; et cette considération a donné la clef de la véritable explication de l'action des métaux sur la lumière.

Fresnel, par une intuition que l'on peut appeler effort de génie, a trouvé que dans la réflexion totale la lumière subit une telle modification lorsque le rayon polarisé tombe sous une certaine obliquité et sous un certain azimut sur la face intérieur du prisme ; les deux composantes, dans lesquelles se peut résoudre le mouvement ne sont

deux cordes donl les sons fondamentaux correspondent à des nombres premiers entre eux, mettent en vibration une troisième corde, celleci donne le son fondamental qui lui appartient, quand même ce dernier serait plus grave que les deux autres : chose facile à comprendre si l'on réfléchit à l'incommcnsusabilité des mouvements excitateurs.

plus d'accord, mais Tune a subi un retard et elles ont une différence de phase. Ce retard dérive sans doute de l'influence du changement de densité à la surface, limite qui se fait sentir à une petite distance. De là il arrive que le i;ayon reçoit une polarisation elleptique.

Cette différence de phase qui a lieu dans l'intérieur d'un prisme se produit aussi sur une surface métallique, et Ton peut même la rendre très-sensible en faisant subir au rayon plusieurs réflexions successives.

La polarisation elliptique exigeant, pour se manifester, une différence de phase dans les deux composantes principales du rayon réfléchi, il en résulte que toutes deux pénètrent dans l'intérieur de la substance réfléchissante, mais l'une plus avant que l'autre; d'où résulte pour celle-là un léger retard , par suite une discordance constante entre les phases de ces deux composantes ^ L'expérience a confirmé ces aperçus théoriques ; en effet, les rayons émis par les métaux incandescents sous une grande obliquité sont polarisés par réfraction, et, de plus, les métaux, à la température ordinaire , étant réduits en feuilles assez minces pour se laisser traverser par la lumière, polarisent les rayons avec une telle puissance, que suivant Faraday une feuille d'or est un polarisateur préférable à une pile de glaces; et tout récemment M. Hempel a reconnu, à l'aide de l'appareil de Norremberg, qu'une trèsmince couche d'argent, obtenue par précipitation chimique, polarise circulairement la lumière par réflexion ou par réfraction avec une intensité surprenante. Ces expériences montrent encore la dissemblance des deux composantes principales, car il y a rotation du plan de polari-

* Pour avoir une ondulation eUiptique, il faut : i" que les deux systèmes d'ondes soient rectangulaires, et S*" que la différence de phase soit comprise entre 0 et J d'onde. Pour la valeur \ , l'ellipse devient un cercle; pour les valeurs supérieures, le mouvement elliptique change de sens.

salion du rayon émergent d'une mince feuille d*or, et cette rotation varie avec la nature du métal *'.

Dans sa théorie générale de la lumière polarisée, Cauchy a établi avec une exactitude admirable la relation entre les phénomènes dus à la réflexion et ceux dus à la réfra& tion; s*appuyant sur les lois du mouvement vibratoire, il calcula, dans l'hypothèse de la réflexion d'un rayon polarisé sur une surface donnée, la différence de phases des deux composantes principales du rayon polarisé après h réflexion, et il trouva une valeur variable avec la nature de la substance, mais qui ne devenait jamais rigoureusement nulle. De plus, la différence de phase augmente afec l'incidence d'une demi-longueur d'onde à une longueur tout entière, depuis l'incidence normale jusqu'à l'incidence rasante; jnais ce n*est que dans le voisinage de l'angle de polarisation maximum (angle brewstérien) que les variations sont sensibles, et entre deux limites d'autant plus rapprochées, que la lumière est polarisée en plus grande quantité sous l'angle de polarisation maximum ; en dehors de ces limites, la polarisation est rectiligne, quoique in. complète; en dedans elle est elRptique. Ces limites se confondent si la polarisation peut être complète sous un certain angle, alors il n'y a pkis de polarisation elliptique, et la différence de phases passe brusquement d'une demilongueur à une longueur d'onde sous l'angle de polarisation. Avec les métaux, les variations dans la différence de phase sont sensibles depuis l'incidence normale jusqu'à l'incidence rasante. Aussi le rayon réfléchi possède-t-il toujours la polarisation elliptique. Les nombreuses comparaisons faites par M. Jamin entre les résuhats de l'expé-

^ Faraday, Philos, trans., 1851, part. I, p. 148. La rotation du plin de polarisation est un phénomène assez complexe et qui suppose U composition de plusieurs mouvements, ordinairement de deux mouvements hélicoïdaux, l'un dextrorsum, et l'autre sinistrorsum , avec une différence de phase de j d'onde. Voyez les traités spéciaux.

rience et ceux fournis par les formules montrent que celles-ci représentent les phénomènes avec une exactitude remarquable. Ce physicien a reconnu en outre que la connaissance de Tangle de polarisation maximum ne suffisait pas pour calculer la vitesse de la lumière dans les métaux et, par suite, leur indice de réfraction; de cette manière, on trouvait en effet des valeurs énormes et véritablement -exagérées. Ainsi, Tangle de polarisation maximum étant pour For 1S<^, l'indice de ce métal serait 5,79, et pour d'au- 4re8 métaux les nombres seraient encore plus considérahles, de telle sot te que, contrairement aux résultats fournis par les corps transparents, la réfrangibilité augmenterait avec la longueur de Tonde ^. Mais la théorie nous apprend que l'angle en question est une fonction de deux fuantità : une variant avec la vitesse de la lumière, c'est rindice de réfraction proprement dit; Tautre, dépendant de la résistance offerte par le milieu au passage de la lumière et produisant l'extinction du rayon, a été nommée par Gaucfay coefficient (T extinction; on doit attribuer à cette dernière action le retard éprouvé par l'une des composantes principales du rayon polarisé, retard qui détermine la polarisation elliptique. L'opacité des métaux est donc en rapport très-étroit avec leur pouvoir réflecteur, et nous devons regarder les substances métalliques comme une classe de corps dans lesquels les vibrations transversales pénètrent seulement à une faible profondeur*.

Ces observations, très-importantes pour nous, établissent nettement la différence entre les nâUeux transparents et les métaux : les premiers arrêtent les ondes longitudinales, et les seconds les ondes transversales; il devient donc utile de comparer entre elles les principales propriétés de ces substances pour arriver à comprendre com.

* Voy. Billet, Optique, t. Il, p. 145.

* Voy. Cauchy, et aussi Billet, t. II, p. 139.

272 DE LA LUMIEKE.

ment les ondes transmises par les unes ne le sont pas par les autres.

Disons tout d'abord que la différence dont nous parlons ne dépend nullement de la nature chimique des corps, mais de la structure moléculaire; en effet, le charbon, i Tétat de graphite et à Tétai amorphe , agit de même que les métaux, tandis que, cristallisé, il se range à côté des corps transparents. Nous avons mentionné, il est Yi*ai, que le diamant polarisait imparfaitement la lumière, mais cette particularité dépend de la très-grande intensité de son pouvoir réflecteur. Les mêmes résultats ont été obtenus avec le bore, qui, lui aussi, se présente sous deux formes : l'état graphitoïde et Tétat adamantin.

Les expériences de Faraday nous mettent sur la voie de la vérité*. Chacun .sait que Tor en feuilles très-minces, m par transmission, présente une belle couleur verte; for chimiquement pur offre la même couleur, mais tirant on peu plus vers le bleu. D'après le physicien anglais, les feuilles ordinaires ont une épaisseur égale au ^ ou au ( de la longueur d*onde des rayons jaunes. En faisant flotter une de ces feuilles sur une dissolution aqueuse de cyanure de potassium, on peut réduire son épaisseur à n'être ph» que de jq de cette même longueur d'onde. Dans ces conditions, la couleur verte de la lumière transmise perriste à se manifester dans tous les points où le microscope n'indique aucune solution de continuité; ainsi, cette coloration spéciale est due à une véritable absorption. On arrive à la même conclusion en remarquant que ces feuilles, plongées dans le sulfure de carbone pour annihiler Teffet du verre sur lequel elles doivent être appliquées, polarisent la lumière plus énergiquement qu'une lame de verre placée dans l'air. Suivant Faraday, la compression des molécules métalliques exerce une grande influence sur le pouvoir

♦ Faraday, mémoire cité.

ibsorbant des métaux. En effet, si on chauffe avec précauion une feuille d*or adhérente à une lame de verre, elle levient transparente, mais la plus légère pression exercée tur sa surface, soil avec le brunissoir, soit même avec Toni;le, suffit pour faire réapparaître la teinte verte.

Cette propriété n'appartient pas exclusivement à Tor; n la retrouve également dans l'argent. Les feuilles minces le ce métal laissent passer une lumière violacée ou pourvni si on en place un certain nombre dans un tube et si Mi les chauffe assez fortement, elles prennent une Irans- Nurence que l'on n'aurait jamais crue appartenir à une subimnee métallique^. Comprimées de nouveau, les lames ■éprennent l'éclat métallique primitif et présentent une ieinte pourpre lorsqu'on le regarde par transmission; de ihiSy il est difficile de distinguer la flamme d'une bougie il travers une ou deux de ces feuilles, tandis que, lorsla'elles sont chaudes, quarante ne suffisent pas pour arrêter la lumière. Des phénomènes analogues ont été oblervés avec les autres métaux réduits en vapeur dans une atmosphère d'hydrogène à l'aide de décharges électriques et précipitées sur des lames de verre. Le platine et le palladium agissent exactement comme l'or; ils polarisent la lumière et font tourner le plan de polarisation dans le même sens; de même pour l'étain, le plomb, l'aluminium, Targent, le rhodium, etc., les sulfures d'antimoine, de mercure, de cuivre, etc. On a aussi reconnu que ces couches ou voiles métalliques, pour être visibles, devaient présenter une certaine épaisseur.

Les récentes expériences de M. Quinke ont complété les travaux de Faraday; il a obtenu par voie chimique des précipités d'argent extrêmement divisé, n'ayant subi aucune compression, et il a vu la lumière se propager au

* Mous avons dit plus haut que le fer cliauffé au rouge est translucide; nous-mêmes nous avons reconnu qu'un jet de cuivre en fusion est parfaitement transparent.

sein de ces précipités avec une plus grande vitesse ({ne dans le vide; à la moindre compression éprouvée par le précipité, on observait un ralentissement dans la transmission de la lumière ^

De toutes ces expériences, nous devons tirer les deui conclusions suivantes : 1® la lumière pénètre dans les métaux jusqu'à une certaine profondeur, mais elle s'éteint rapidement, si bien que la théorie de Cauchy se tronte confirmée; 2® les actions mécaniques, telles que la compression, la percussion et Tétat de la surface exercent une grande influence sur le pouvoir d'extinction. L'absorption de la lumière par les métaux ne doit pas être entièrement attribuée aux actions mécaniques que le métal a subies pendant sa fabrication, car il s'observe également dans les' précipités mélalliques; mais il faut se rappeler que la lomière, en se réfléchissant à la surface d'un métal, èproine des modifications différentes, suivant le mode de préparation de ce métal.

On se demandera peut-être pourquoi la pression exerce une aussi grande influence sur les propriétés optiques des métaux.

A notre avis, cela résulterait de l'élasticité très-impa^ faite de ces corps. Leur limite d'élasticité est facilement dépassée, et alors les molécules ne pouvant revenir à leor position d'équilibre aussi rapidement qiie l'exige la tranémission d'une onde lumineuse, celle-ci s'éteint peu à peu. Dans leur action sur la lumière, les métaux se comportent de même qu'ils le font lorsqu'ils sont soumis à de poissants efforts mécaniques ; ils présentent alors une certaine mobilité de leurs molécules, ils deviennent ductiles, compressibles; on peut les contourner de mille façons, leur donner des figures diverses. M. Tresca a montré que, sons de fortes pressions, les métaux solides coulent comme des liquides et présentent même le phénomène de la contrac-

* Noigno, Mondes, !•' octobre 1863.

ÂCnON DES MÉTAUX SUR U LUMIÈRE. 275

tion de la veine. Les expériences ont porté non-seulement sur des métaux mous comme le plomb, mais sur le cuivre, le fer, etc. La déformation du métal sera permanente aussitôt que l'on aura* dépassé la limite d'élasticité, les molécules ne pouvant plus revenir à leur position primitive. Dans une mince feuille de métal chauffée, les molécules présentent la plus parfaite élasticité dont elles sont susceptibles; mais si cette même plaque est comprimée, la mobilité moléculaire diminue et certains modes de vibration deviennent impossibles; si enfin on dépasse la limite d'élasticité, les molécules ne peuvent plus reprendre exactement leurs positions d'équilibre; alors un certain nombre de vibrations communimiées à la matière s'éteindront peu à peu, et le métal agira comme un milieu coloré. Supposons que le tassentent des molécules augmente encore, tous les mouvements vibratoires sont arrêtés, mais la force vive de ces vibrations ne peut s'anéantir, elle devra donc se manifester sous une nouvelle forme dynamique, par exemple sous forme d'un courant électrique. Les métaux, surtout à l'état de pureté, se rangent à côté des corps mous; l'expérience la plus ordinaire ne nous apprend-elle pas en effet que, pour présenter une véritable dureté, ils doivent être soumis à des procédés spéciaux de fabrication ou Inen encore combinés à quelque substance étrangère? de cette façon, on modifie leur cohésion. Les recherches d'acoustique ont conGrmé l'opinion présente; car, dans les métaux (le fer et l'acier exceptés), le son se propage moins vite que dans le verrez Nous sommes donc conduits à dire que les métaux jouissent d'une élasticité trés-im« parfaite, comparable à celle du liège et des corps souples, mais mous (paille, coton, etc.). Ces substances manifestent une élasticité incomplète sous l'influence de pressions un

« Voy. Daguin,.t. I, p. 615. — Le fer du commerce n'est jamais pur, et l'acier est un corps composé.

peu énergiques ; mais elles étouffeiit rapidement les libnlions de toulc nature à cause de la lenteur avec laquelle leurs molécules reprennent leur position d'équilibre.

Les eipériences de Sénarmont sur la conductibilité calorifique des cristaux viennent ft l'appui de notre thèse'.

■ Voici comment I. de Sénarmont {Ànnateiileplt,ete/iim.,Uirtt' rie, t. IXI, p. 657] étudie la conduclibilité des cristaui. SujipoMRI. par exemple, deui pUques de quirtz taillées l'une parallèlsiÏKnl N

Fij. 17.

Fig. 18.

l'autre perpendiculairement i l'axe, recouvertes d'une mince eowlii de cire. Les plaques sont percées au centre, et dans le trou ou ift- Iroduit un fil que l'on fait rougir en le mettant en communicalien aîec les deux pfties d'une pile B, à l'aide du mercure des coupea C «t d. Le corps gras fond tout autour du point où la chaleur est appliquée et forme i la limite de la fusion un bourrelet liquide qui correspond à une lignr ùotlierme. Quand la plaque est refroidie, le bourrelet est encore distinct, et on peut prendre la mesiire dts divers diamètres de la courljc qu'il dessine, l.es courbes obtenues iTtc te cristal de roclie rendent manifeste l'iiiéfalité du pouvoir conducteur dans les dilféretites direcliouii. {SuU du traducteur.)

)'après ce physicien, les seuls exemples d'ellipsoïdes thcrnîques aplatis se trouvent dans les cristaux négatifs toarmaline, spath d'Islande, et surtout dans ceux qui ibsorbentle rayon ordinaire; réciproquement, les elliploîdes allongés appartiennent aux cristaux positifs (quartz, j^bce), et principalement à ceux qui absorbent le rayon atraordinaire.

AinH, le mouvement absorbé correspond toujours à Vaxe te moindre élasticité. Donc, une diminution d' élasticité peut 'endre tm corps transparent incapable de propager les ondes lans une direction donnée.

Ces courbes thermiques circulaires, dans les corps ho. D(^ènes, deviennent des ellipses lorsqu'on exerce une iression latérale sur ces substances, et le petit, axe des Uipses est dirigé dans le sens de la compression. Pour es liquides, ils transmettent les pressions avec la même ntensité dans tous les sens; aussi la propagation des nouvements vibratoires se fait-elle avec une égale facilité 'ans les divers points de leur masse; de plus, on peut les oumettre aux actions physiques les plus variées, pourvu oe leur composition chimique ne change pas ; ils consereront une intensité spécifique de réfraction^ constante. la un mot, aucun d'entre eux ne présente de propriétés omparables à celles des métaux.

Quelques liquides cependant font tourner le plan de polaisation de la lumière, mais c'est là une action propre à la Qolécule et non à la masse fluide ; aussi se retrouve-t-elle lans la substance prise à l'état de vapeur; du reste, il est ennarquable que les liquides actifs sont tous d'origine organique.

Notre conclusion finale sera donc celle-ci : tout changer Dent survenu dans la densité ou dans l'agrégation moleulaire d'un corps modifie en même temps la facilité avec

' Moigno, Mondeif scieuce pure, 23 novembre 1863, p. 680.

laquelle les mouvemenls vibratoires sont transmis par sa masse dans les différentes directions; et il peut anÎTer dans certains cas que Télasticitë (ce terme étant employé dans son acception la plus générale; voy. plus haut, p. 349) devienne insuHisante pour permettre la propagation di mouvement, d*où l'opacité complète ou partielle de ceP laines substances.

Il est nécessaire ici de mettre en parallèle les propriétés des corps diaphanes et celles des métaux, car cette comparaison fera saillir en pleine lumière leur complète discordance.

1® Tous les corps métalliques sont conducteurs de Télectricité et du calorique ; les corps transparents, au contraire, sont idiolectriques, isolants et très-mauvais conducteon de la chaleur.

2<^ Dans les corps métalliques, les molécules peuvent être dérangées de leur situation d'équililnre, et même dans des limites assez étendues; de plus, elles demeurent d'une façon permanente dans les nouvelles positions qu'on {ew a fait occuper; il y a quelques exceptions, l'acier, par exemple; mais alors interviennent des influences étrangères. Dans les corps transparents, au contraire, les déplacements moléculaires sont seulement possibles dans des limites excessivement restreintes, et si on parvient i maintenir les molécules dans un état forcé, au moindre effort le corps se brise ; donc, d une manière générale, leur élasticité est plus parfaite, bien que moins développée; aussi ne sont-ils ni ductiles ni malléables.

5^ Les corps métalliques sont opaques, à moins qo'ibne soient en lames très-minces; les corps non métalliques sont généralement transparents quand ils sont parfaitement purs. Si quelques-uns de ces derniers sont opaques, cela résulte de ce qu'ils agissent à la façon des métaux surce^ tains rayons; ainsi, dans les cristaux, cet effet est' dû, comme nous Tavons vu, à l'élasticité qui n'est pas égale