CHAPITRE II

Nous venons de voir comment l'hypothèse des électrons résulte de la manière la plus naturelle de considérer les phénomènes électrolytiques ; mais c'est dans un tout autre champ de la physique, — dans l'optique — qu'elle trouve une brillante et inattendue confirmation.

On sait que les belles et classiques expériences auxquelles sont attachés les noms illustres de Young, Fresnel et Foucault, ont contribué à démontrer de la manière la plus rigoureuse et la plus élégante, que la lumière est un phénomène vibratoire, et que l'hypothèse de Newton qui donna naissance à la théorie de l'émission — suivant laquelle tout corps lumineux émet des corpuscules spéciaux — doit, par suite, être définitivement abandonnée.

Les recherches célèbres de Macedonio Melloni (*)

(1) Des recherches bibliographiques précises conduisent à donner la priorité de cette idée au grand savant français Ampère (voir Ampère, Ann. de Chirn. et de Phys.^ t. LVIII, p. 432 (1835)) : c'est lui qui, le premier, sut tirer la conclusion définitive : les rayons lumineux et les rayons caloi'ifiques constituent des phénomènes de même nature, qui se transmettent sous forme d'ondes, dans le même milieu et ne difierent que par la longueur de ces ondes. En d'autres termes, les rayons lumineux sont des rayons calorifiques visibles. Ajoutons, en outre, que cette idée d'Ampère trouva au début des adversaires sérieux, parmi lesquels, précisément, Melloni [Ann. de Chim. et de Phys., t. LX, p. 418 (1835), et Forbes (Phil. Trans., Edinburgh, t. XIII, p. 131 (1836).

THÉORIES DE FRESNEL, MAXWELL, HERTZ l5

ont, d'autre part, établi l'identité entre la nature des phénomènes lumineux et celle des radiations calorifiques: deux phénomènes en apparence si divers.

Il est également reconnu que cette théorie ondulatoire de Fresnel exige l'existence d'un milieu capable de propager les ondes: d'où la nécessité d'admettre l'existence de l'éther^ substance répandue partout, aussi bien dans les espaces interplanétaires et interstellaires que dans les espaces interatomiques. Cette hypothèse de l'éther s'impose d'une manière irrésistible et semble presque acquérir les caractères de réalité et de certitude, quand on considère la perfection avec laquelle la théorie ondulatoire rend compte quantitativement et dans les plus menus détails de tous les phénomènes optiques.

A l'exemple de Fresnel, on a continué pendant longtemps à considérer les vibrations lumineuses comme des vibrations mécaniques de particules éthérées et matérielles ; mais on a reconnu plus tard, surtout après les travaux de Maxwell, que l'on pouvait considérer les ondes lumineuses comme des ondes électromagnétiques, et réduire ainsi en une seule deux classes distinctes de phénomènes physiques.

Cette théorie électromagnétique de la lumière a trouvé, dans ces dernières années, un solide appui dans les expériences bien connues de Hertz et, depuis, dans celles de divers autres physiciens, de sorte qu'aujourd'hui on ne se refuse plus à admettre que, en réalité, les phénomènes lumineux sont des phénomènes électromagnétiques, et que les ondes lumineuses ne diffèrent des ondes hertziennes que par certaines valeurs numériques.

Cependant la théorie électromagnétique de la lumière, telle qu'elle se dégage des propriétés du

à 6 LKS LI.ECTRONS ET LES PHÉNOMÈNES LUMINEUX

champ électromagnétique, ne rend pas compte, à elle seule, des phénomènes qui exigeaient, lorsque l'on adoptait la théorie mécanique, l'hypothèse d'une action de la matière pondérable sur l'éther. Pour compléter la théorie électromagnétique, il était donc nécessaire de faire intervenir en quelque sorte les atomes matériels. Ce fut le physicien hollandais Lorentz qui eut l'heureuse idée de considérer à la fois les atomes matériels et leur charge électrique. Ces charges peuvent être positives ou négatives, mais on doit supposer que les positives seulement ou les négatives seulement prennent part aux vibrations lumineuses et engendrent des forces électriques et magnétiques. C'est en tenant compte de ces forces qu'on arrive à une théorie électromagnétique de la lumière permettant d'expliquer les phénomènes qui échappaient à la théorie basée uniquement sur les formules de Maxwell ou de Hertz.

Nous allons maintenant considérer un phénomène très intéressant, découvert par M. Zeeman, élève de Lorentz, qui nous démontrera l'indépendance relative des électrons négatifs et la liberté caractéristique de leurs mouvements.

Nous savons qu'un gaz lumineux émet des radiations, dont les périodes vibratoires sont bien déterminées mais isolées, c'est-à-dire ne se suivant pas avec continuité ; aussi le spectre de la lumière émise par un gaz se réduit-il à un nombre limité de raies fines (spectre de lignes), qui sont autant d'images de la fente à travers laquelle on dirige la lumière avant de l'analyser au moyen d\m prisme ou d'un réseau.

C'est ainsi que le spectre de la lumière émise par le sodium à l'état gazeux, par exemple, contient, deux raies jaunes extrêmement voisines (désignées

PHENOMENE DE ZEEMAN

par la lettre D, affectée respectivement des indices 1 et 2 : D^ et Dg) qui, avec un spectroscope peu puissant, paraissent confondues en une seule.

Zeeman démontra que, si le gaz est placé dans un champ magnétique intense (entre les deux pôles d'un puissant électroaimant, par exemple) chaque raie simple de son spectre est remplacée généralement par un groupe de raies nouvelles.

Deux cas principaux sont à considérer :

1° Le rayon lumineux est parallèle aux lignes de force magnétique ;

2° Le rayon lumineux est perpendiculaire aux lignes de force magnétique.

Quant au cas général, il est naturellement plus

compliqué, et nous nous bornerons à renvoyer le lecteur à des mémoires originaux (^).

Considérons donc un gaz lumineux, de la vapeur de cadmium, par exemple, placée entre les deux pôles opposés d'un électroaimant ; cette vapeur de

(1) A. RiGHi. — Mem. délia R. Ace. di Bologna[W], t. VIII, p. 263, 1900.

lO LES ELECTRONS ET LES PHENOMENES LUMINEUX

cadmium peut être obtenue facilement en faisant éclater des étincelles électriques entre deux fils de cadmium métallique. Si l'on examine au moyen d'un spectroscope la lumière qui se propage dans le sens des lignes de force (premier cas), c'est-à-dire d'un pôle de l'aimant vers l'autre, l'on constate facilement que la raie verte du spectre du cadmium, qui, en l'absence de champ magnétique, apparaît simple et nette dans le spectroscope (A, fig. 1), est remplacée, dès que l'on lance le courant dans la bobine de l'électroaimant, par deux autres raies nouvelles B et C, une de chaque côté et à égale distance de la raie primitive A, qui a disparu.

. Fig. 2

Si l'on étudie un faisceau de lumière dirigé /)er/>e7idiculairement à la direction du champ magnétique, c'est-à-dire perpendiculairement aux lignes de force magnétique (deuxième cas), et qu'on le reçoive dans un spectroscope, on constate que la raie primitive unique A est remplacée par trois raies B, A', G (fig. 2), dont la raie médiane. A', équidistante des deux au-

PHENOMENE DE ZEEMAN

très B, C, occupe exactement la même position que la raie primitive.

Fig. 3

Des phénomènes identiques sont observés avec d'autres raies spectrales; avec certaines autres raies, le phénomène est, au contraire, beaucoup plus com-

Fig. 4

plexe. Ainsi, par exemple, pendant que la raie D^ du doublet jaune du sodium se décompose en quatre raies différentes A, B, C, D, (fig. 3) sous l'action d'un

champ magnétique perpendiculaire au faisceau lumineux (deuxième cas), la raie D2 du même doublet se décompose en un groupe de six raies distinctes A, B, G, D, E, F, (fig. 4).

La théorie de Lorentz explique parfaitement ces phénomènes (^) ; du moins ceux correspondant aux cas les moins compliqués. Nous ne considérons ici qu'un cas seulement, celui qui se rapporte à la figure 1, par exemple, et qui correspond à celui présenté par la lumière émise par la vapeur de cadmium dans la direction des lignes de force du champ magnétique.

Fig. 5

Supposons une particule électrisée, attirée vers une position d' équilibre 0 (fig. 5) , qui vibre circulairement autour de cette dernière en décrivant une circonférence de rayon OA. Cette particule électrisée vibrante engendrera des ondes lumineuses. Proposons-nous d'étudier la lumière qui se propage dans la direction perpendiculaire au plan de la circonférence. Si, dans cette direction, une force magnétique agit, il existera à chaque instant une force électromagnétique analogue à celle qui agirait sur un élément de courant électrique dirigé suivant la vitesse

(1) Voir à ce sujet, H. Poincaké, Électricité et Optique, 2" édition, chapitre VIII . (Paris, 1901). {"E- N-l