ANALYSE SPECTRALE DE LA LUMIÈRE DU SOLEIL

La lumière du Soleil, réfractée à travers un prisme, donne, comme on sait, une bande colorée de diverses nuances : rouge, orangé, jaune, vert, bleu, indigo et violet. C'est ce qu'on nomme le Spectre solaire.

Newton, en étudiant les diverses parties du spectre solaire, ne put rien distinguer qui servît de limite précise aux diverses couleurs : elles paraissaient se fondre les unes dans les autres d'une manière insensible et sans interruption apparente. Persuadé, par ses expériences, que les rayons colorés de la lumière blanche possèdent, de l'extrême rouge à l'extrême violet, tous les degrés possibles de réfrangibilité, il regardait chacun de ces rayons comme simple et homogène, et pensait que la lumière décomposée par le prisme était étalée d'une manière continue sur toute l'étendue du spectre. Jusqu'au commencement du dix-neuvième siècle, les physiciens ont admis cette continuité.

C'est en cherchant à mesurer les indices de réfraction des rayons colorés, et en s'efTorçant de trouver dans le spectre des points singuliers propres à lui servir de repère, que Fraûnhofer découvrit, en 1815, ce fait capital, que la lumière du

spectre solaire n'est pas continue, qu'elle est sillonnée d'une multitude de raies fines et sombres, formant dès lors autant d'interruptions bruscpies dans la bande lumineuse.

Il employa dans cette expérience, qui exige les précautions les plus délicates, un prisme de flint-glass d'une grande pureté, exempt de stries, sur lequel venait tomber le faisceau solaire après avoir passé par ime fenêtre étroite parallèle à l'arête du prisme. Le spectre ainsi obtenu, étant observé avec une lunette qui en grossissait les dimensions, lui donna, au lieu d'une bande continue où les couleurs se fondaient sans interruption, un ruban rayé dans le sens de sa largeur d'une multitude de raies obscures et même totalement noires, trèsinégalement réparties dans toute l'étendue du spectre. La distribution de ces raies ne paraissait point d'ailleurs en rapport avec les teintes des couleurs principales.

Fraûnhofer varia de toutes les manières possibles son expérience; mais, tant que la source lumineuse employée fut la lumière du Soleil, soit directe, soit réfléchie, les mêmes lignes sombres apparurent toujours, conservant entre elles les mêmes rapports d'ordre et d'intensité. Si, au lieu d'un prisme de flint-glass, on se sert d'un prisme d'une autre substance solide ou liquide, les distances seules des raies varient, mais d'ailleurs elles occupent toujours les mêmes positions relativement aux couleurs du spectre.

L'illustre opticien de Munich étudia avec un soin infini ce remarqiiable phénomène, il fixa avec une précision extrême les positions de cinq cent quatre-vingts raies obscures, et, pour servir de point de repère et de comparaison, il distingua dans ce nombre huit raies principales, qu'il désigna par les premières lettres de l'alphabet. Les raies A, B, C se trouvent toutes les trois dans le rouge : la première à l'extrémité du spectre, la seconde au milieu du rouge, et la troisième à peu de distance de l'orangé. La raie double D forme à peu près la limite de l'oi'angé du côté vert; E est au milieu de cette

dernière couleur; F au milieu du bleu; G et la double raie H sont l'une à la fm de l'indigo vers le bleu, l'autre à la fin du violet.

Depuis 1817, époque à laquelle Fraûnhofer découvrit les raies qui portent son nom \ de nouvelles lignes sombres ont été observées, et l'on évalue aujourd'hui à plus de trois mille celles dont la position a été déterminée. Des raies aussi nombreuses sont difficiles à voir distinctement; il est nécessaire, pour cela, d'employer des prismes d'une grande puissance dispersive, ou des appareils formés d'une série de semblables prismes.

Fraûnhofer ne se borna point à étudier les lignes qui rompent la continuité de la lumière dans le spectre solaire. Il appliqua ses belles méthodes d'observations aux spectres des autres sources de lumière. Et d'abord, comme on pouvait le pressentir, il trouva les mêmes raies dans les sources lumineuses qui renvoient par réflexion la lumière du Soleil : la lumière des nuages ou du ciel pur, celles de la Lune et des planètes. Les raies y sont, à la vérité, d'une intensité moindre. En observant les étoiles les plus brillantes, par exemple le spectre de Sirius, il trouva que ce spectre est aussi strié de raies sombres; mais ces raies, beaucoup moins nombreuses, ne sont pas distribuées de la même façon que dans le spectre solaire; d'ailleurs, elles changent aussi d'une étoile à une autre. Enfin, il appliqua la même méthode à la lumière électrique : au lieu de raies sombres, il vit dans le spectre de cette lumière un certain nombre de raies lumineuses.

Telles sont les célèbres expériences qui ont servi de point de départ à une série de brillantes découvertes, dont l'ensemble constitue aujourd'hui une des branches les plus im-

1. En 1802, le physicien Wollaston avait signalé déjà quelques-unes des raies du spectre. Fraûnhofer ignorait cette observation, et a mérité, par ses études approiondies, d'être regardé comme le véritable auteur de la découverte.

portantes de l'optique, et pour la chimie, la plus ingénieuse et la plus délicate méthode d'analyse. Essayons de donner une idée de cette méthode, connue sous le nom à' analyse spectrale.

Le spectre donné par la lumière solaire est donc, comme on vient de le voir, sillonné de raies sombres qui indiquent des interruptions dans l'émission de la lumière et prouvent, contrairement à ce que pensait Newton, qu'il n'y a pas, dans ces sources, des rayons possédant tous les degrés possibles de réfrangibilité.

D'autres sources lumineuses donnent des résultats différents. Quand on introduit dans une flamme artificielle, par exemple dans celle d'un bec de gaz ou d'une lampe à alcool, certaines substances métalliques que la haute température de la source réduit à l'état de vapeurs, on n'observe plus de spectres continus, mais quelques "raies brillantes séparées par de larges intervalles obscurs. C'est ce qu'avait déjà remarqué Fraûnhofer. Depuis, le même fait a été étudié sous toutes ses faces et par diverses méthodes. On a reconnu que les raies brillantes des vapeurs métalliques varient en nombre et en position suivant la nature du métal ; leur intensité varie de même avec la température ; mais, de même que les raies noires du spectre solaire, elles occupent les mêmes positions relatives, dont on a déterminé la concordance avec quelquesunes des premières.

Pour étudier les spectres de cette nature, les physiciens emploient des appareils qu'ils nomment spectroscopes. La flamme d'une lampe à gaz est placée sur l'axe d'une lunette dans laquelle elle pénètre par une fente étroite et va rencontrer un prisme posé sur une plate-forme circulaire. Le spectre qui résulte du passage de la lumière à travers le milieu réfringent va former au foyer d'une autre lunette une image qu'on examine en mettant l'œil à l'oculaire de celle-ci.

Pour obtenir le spectre d'un métal, par exemple du sodium, on introduit dans la flamme de la lampe un fil de platine imprégné d'une dissolution concentrée d'un sel dont ce métal forme la base, de sel marin (chlorure de sodium), je suppose. Aussitôt on voit apparaître une raie jaune d'une grande intensité et aux contours très-nets. C'est la raie unique du spectre du sodium ^ .

Le lithium donne deux raies principales, l'une jaune d'un faible éclat, l'autre rouge et bi'illante ; le potassium fournit deux raies caractéristiques, une rouge, une violette; d'autres raies jaunes et vertes les accompagnent. Le calcium donne une raie verte très-vive, une orangée, une bleue. Le strontium, huit raies, dont six sont rouges, une orangée, une bleue; le baryum, deux raies vertes; le thallium, une raie unique, de couleur verte et remarquable par son éclat.

Un grand nombre de corps simples ont été étudiés de cette manière, les raies brillantes de leurs spectres reconnues et fixées de position, de sorte qu'il suffit d'examiner et de comparer aux résultats dont nous parlons le spectji^e d'une flamme, pour qu'on puisse en déduire la nature des vapeurs métalliques qui s'y trouvent en dissolution. De là, on le comprend, une nouvelle méthode d'analyse pour la chimie, méthode si délicate et si sensible, que la millionième partie d'un milligramme de sodium suffit pour qu'on voie aussitôt apparaître la raie jaune caractéristique du spectre de ce métal.

Cinq nouveaux métaux ont été découverts par cette méthode : les deux premiers, le caesium et le rubidium, par MM. Bunsen et KirchhofT; le tiwsième, le thallium, par M. Crookes et M. Lamy ; le quatrième, l'indium, par MM. Reich et Richter; le cinquième enfin, le gallium, par M. Lecoq de

1. Un plus graud pouvoir dispersif et une fente très-étroite montrent Cfue cette raie, la raie D de Fraunhofer, est double : on désigne l'une par la lettre D,, l'autre par Dj. Cette dernière est la plus réfrangible. Sept autres lignes ont été reconnues depuis dans le spectre du sodium.

Boisbaudran. Le nom du caesium lui vient de deux raies bleues; celui du rubidium, des raies rouges qui caractérisent son spectre ; le nom du thallium rappelle la raie verte caractéristique de ce métal, et celui de l'indium une raie bleue située dans l'indigo. Une pensée patriotique a fait donner au cinquième métal ainsi découvert (deux raies dans le violet) le nom de gallium, associant le nom de la France à cette nouvelle conquête de l'analyse spectrale.

Jusque-là le spectroscope, quelque admirables que soient les progrès qu'il avait fait faire à l'analyse chimique, ne sortait pas du domaine des laboratoires : il permettait d'analyser, de reconnaître des substances terrestres que nous pouvons voir ou toucher, indiquant même la présence de corps jusqu'alors inconnus. Mais ce n'est pas à cela que devait se borner sa puissance. Grâce à lui, on est allé plus loin ; on a pu aborder et résoudre en partie un problème qui paraissait inaccessible aux investigations humaines : étudier la composition chimique des astres, celle du Soleil, celle des étoiles, de ces soleils si prodigieusement éloignés de nous, des nébuleuses que les télescopes nous montrent plongées dans les abîmes de l'éther, à de telles distances que l'imagination peut à peine en sonder la profondeur.

Voici, en quelques lignes, les expériences qui ont conduit à un si merveilleux résultat.

Plaçons la flamme d'un bec de gaz en avant de la lunette du spectroscope, et affaiblissons-la au point de n'avoir plus qu'une flamme bleuâtre, à peine sensible. En cet état, elle ne fournit pas de spectre ; il y a obscurité complète derrière le prisme. Mais qu'on introduise un sel métallique dans la flamme, un peu de sel marin par exemple, aussitôt apparaît la raie jaune du sodium : c'est ce que nous venons de voir tout à l'heure. Si, en même temps, et dans le même prisme, on introduit un rayon du Soleil, de façon que le spectre du sodium et le spectre solaire se superposent, on remarquera,

comme le fit le premier Léon Foucault, une coïncidence parfaite dans la position de la raie jaune du sodium et de la double raie sombre D de Fraûnhofer.

Maintenant, à la lumière du Soleil substituons la lumière intense connue sous le nom de lumière de Drummond, — on l'obtient en brûlant un fragment de chaux dans un bec de gaz mélangé d'oxygène ; — le spectre de cette lumière, vu isolément, offre un vif éclat et une continuité parfaite : il ne contient aucune des lignes sombres du spectre solaire. Mais si on fait en sorte qu'il recouvre exactement le spectre du sodium, en faisant passer la lumière Drummond au travers de la flamme sodée, aussitôt la ligne jaune du sodium disparaît et fait place à une ligne obscure, occupant précisément la même position que la raie brillante.

C'est ce phénomène que M. KirchhofTa désigné sous le nom de renversement du spectre des flammes . Il a été constaté sur un assez grand nombre de spectres métalliques. «Si l'on fait arriver, dit-il, un rayon solaire au travers d'une flamme de lithium, on voit apparaître dans le spectre, à la place de la raie rouge, une raie obscure qui rivalise par sa netteté avec les raies de Fraûnhofer les plus caractéristiques, et qui disparaît lorsqu'on enlève la flamme de lithium. Le renversement des raies brillantes des autres métaux s'obtient moins facilement ; cependant nous avons été assez heureux, M. Bunsen et moi, pour renverser les raies les plus brillantes du potassium, du strontium, du calcium et du baryum.... »

Maintenant, quelle conséquence tire-t-on de ce fait singulier? C'est que les vapeurs métalliques, douées de la propriété d'émettre en abondance certains rayons colorés de préférence aux autres, absorbent au contraire ces mêmes rayons émanés d'une source lumineuse et traversant la première source. Ainsi, la lumière du sodium, qui émet des rayons jaunes, absorbe précisément les rayons jaunes de la lumière Drummond, à leur passage dans la première, tandis qu'elle est parfaite-

te-

ment transparente pour tous les autres rayons. De là, cette raie noire qui vient se placer , dans le spectre continu, à la place qu'occupait la raie brillante" du sodium .

Si cette absorption est un fait général , il faut en conclure que les raies noires, observées dans le spectre solaire, indiquent le renversement d'autant de raies brillantes, qu'émettraient isolément les vapeurs métalliques de son atmosphère. Cette atmosphère joue , pour nous, le rôle du brûleur obscur de Bunsen, et la vive lumière du corps du Soleil, celui de la lumière Drummond, dans la même expérience.

En étudiant à ce point de vue les raies ~ ~ '"'= noires du spectre

solaire. Bunsen et Kirchhoff ont pu constater la coïncidence

^Ds^

d'un grand nombre d'entre elles avec les raies brillantes de certains métaux. Par exemple, les soixante-dix lignes brillantes du fer, variées de couleur, de largeur et d'intensité, coïncidaient, sous tous ces points de vue et d'une façon si précise avec soixante-dix raies sombres du Soleil, qu'il fut impossible de douter qu'il y eût dans l'atmosphère solaire du fer à l'état de vapeur métallique. Les mêmes savants ont reconnu la présence de sept autres corps simples : l'hydrogène, le cuivre, le zinc, le chrome, le nickel, le magnésium, le baryum, le calcium et le sodium. La figure 38 est la reproduction, d'après KirchhofF, d'une portion du spectre solaire où se trouve marquée la coïncidence de plusieurs raies métalliques avec les raies sombres de ce spectre.