CHAPITRE VII

§ 1. DÉGOMPOSinOM DE LA LUHlèRE SOLAIRE PAR LA RÊFRACHON.

Le passage d'un faisceau lumineux d*un milieu réfringent dans un autre milieu ne produit pas seulement, quand Tincidence est oblique à la surface de séparation, le phénomène de déviation que nous venons d'étudier sous le nom de réfraction simple. Ce phénomène est ordinairement accompagné de modifications qui portent sur la couleur de la lumière transmise. Il est aisé de constater ces modifications, en obseiTant les images des objets tels qu'on les voit au travers d'un prisme ou d'une lentille ordinaire. Nous avons déjà fait remarquer que ces images sont presque toujours bordées de couleurs très vives reproduisant les nuances de l'arc-en-ciel.

Cette coloration des images par la réfraction est ce qu'on nomme la dispersion de la lumière. Elle vient de ce que la lumière du Soleil, celle des différentes sources lumineuses, directes ou secondaires, ne sont pas en général des lumières simples ou homogènes : elles sont en réalité composées d'une multitude de rayons de couleurs différentes, dont chacune a un degré particulier de réfrangibilité. En passant au travers d'un milieu réfringent, elles se décomposent : les rayons inégalement réfrangibles se dispersent ; chacun d'eux apparaît alors avec sa couleur propre. De là le phénomène que nous allons étudier maintenant, et qui était depuis longtemps connu par

quelques-uns de ses effets, quand Newton en a découvert la cause et fonnulé la loi.

Cette dispersion de la lumière blanche par réfraction se manifeste à nous tous les jours par nombre de phénomènes que les anciens connaissaient dès lors certainement comme nous S mais sans en avoir soupçonné la cause. Les pierres précieuses, les diamants, lancent des feux de diverses couleurs, et ce n'est pas une des moindres beautés de la précieuse substance de décomposer, à travers ses facettes, les rayons lumineux. L'arcen-ciel est un phénomène dû à la même cause, comme nous le montrerons dans là description des météores. Il en est de même des couleurs variées dont se teignent les nuages et les couches atmosphériques, à l'instant où ont lieu les crépuscules et les aurores. Enfin, dans les vases en verre contenant des liquides transparents, dans les morceaux de verre taillé dont on orne les lustres, on aperçoit dans certaines directions des franges irisées offrant dans toute leur pureté les couleurs les plus vives.

Si, dans l'intérieur de la chambre obscure, on reçoit directement sur un écran de papier blanc la lumière solaire, après qu'elle a passé par un trou percé dans le volet, l'image du Soleil sur le papier sera, comme on le sait, une tache ronde et blanche. Mais cette lumière blanche n'est pas simple. C'est un composé d'une multitude de couleurs ou de nuances qui sont elles-mêmes autant de couleurs simples. Ce résultat a été mis hors de doute par une suite d'expériences qu*on a variées sous toutes les formes, mais dont la plupart sont dues à Newton. Indiquons les plus concluantes.

i. Sénèque, dans le premier livre de ses Queitions naturellei, s'efforce de chercher une explication de Tarc^n-ciel et de ses couleurs. Au milieu d'une dissertation passablement longue et diffuse, on rencontre la mention de faits d'observation qui prouvent qu'à l'époque où écrÎTait le philosophe romain on connaissait plusieurs effets de la réflexion, de la réfraction et de la dispersion de la lumière, les miroirs concaves, les lentilles, etc. c L'eau qui jaillit d'un tuyau rompu, dit-il quelque part, ne présente-t-elle pas quelque chose de pareil aux couleurs de l'arc-en-cielT > Et plus loin : c On fabrique des baguettes de verre cannelées on à plusieurs angles saillants, lesquelles, si elles reçoivent transversalement les rayons du soleO, présentent les teintes de l'iris. •

On place sur la route des rayons solaires, après leur passage par le trou rond du volet de la chambre obscure, un prisme triangulaire en flint-glass, par exemple, de manière que ses arêtes soient placées horizontalement et que le faisceau lumineux pénètre obliquement par Tune des faces. Alors on aperçoit sur récran, au lieu de Timage ronde et blanche du Soleil, et à une certaine distance au-dessus du point où elle se formait avant Tinterposition du prisme, une bande allongée^ lumineuse, formée d'une suite de couleurs extrêmement vives : c'est celle bande qu'on nomme le spectre solaire.

Voici dans quel ordre s'y succèdent les couleurs, quand le prisme a sa base tournée vers le haut ; l'ordre serait inverse si cette base était tournée vers le plancher de la chambre obscure :

 l'extrémité inférieure du spectre est un rouge brillant, vif et plein, auquel succède une teinte orangée, et par gradations insensibles un magnifique jaune-paille. Vient ensuite un vert d'une pureté et d'une intensité remarquables, puis une teinte bleu-vcrdâtre, et, après, une couleur bleue prononcée qui se fonce jusqu'à l'indigo. Après l'indigo vient le violet, dont la nuance livide termine le spectre. On peut voir dans les planches II et III, figure 1, la suite des couleurs que présente le spectre après la décomposition par le prisme de la lumière blanche du Soleil .

Ainsi un tayon de lumière blanche est bien, comme noas l'avons annoncé, la réunion d'une série de rayons colorés dont nous venons seulement de nommer les principaux ; car la dégradation d'une couleur à la suivante se fait d'une manière

1. Il importe de remarquer que Timage, primitivement ronde, du Soleil se trouye dilatée dans une direction perpendiculaire à Taréte du prisme interposé. Latéralement^ la bande a une largeur égale au diamètre de l'image ronde. Si Ton fait varier Tinclinaison du prisme oa rincidence du faisceau, la bande lumineuse et colorée varie de longueur; mais il est une position, celle de la déviation minimum, pour laquelle la dilatation de l'image solaire devrait être nulle, si les rayons qui composent le faisceau avaient tous la même réfrangibilité. Or Newton a fort bien remarqué que, pour cette position du prisme, l'allongement de l'image peç»i|ste aussi bien que la coloration de ses diverses parties.

ÎDsensiblc, et il n'y a pas, de l'une à l'autre, de cliangcnicnt brusque de nuance, ni de solution de continuité'.

Une seconde expérience prouve à la fois qu'un rayon de chacune des couleurs du spectre est simple, et que son degré de réfrangibililé va en croissant du rouge au violet. Celte expérience consiste à laisser passer par un petit Irou pratiqué dans l'écran, à l'endroit oij se forme le rouge par exemple, un étroit

Fig. lUti. — Décomposition de la lumière par le prisme, loégalc réri'angjbilitc des couleun du spectre.

pinceau de cette couleur. Reçu sur un second écran (fig. 106), ce pinceau forme une image rouge en un point qu'on noie avec soin. Si, au lieu de le recevoir directement sur cet écran, on interpose un second prisme, le pinceau lumineux reçoit une nouvelle déviation, et son image va se former en un point plus élevé que l'image directe. Mais la nouvelle image est rouge comme la première, et de même forme si le prisme est conve-

1 . Sauf par des raies noires très Gncs dont nous parlerons plus loin.

nablement placé. La lumière rouge du spectre ne peut donc se décomposer.

Or la même expérience, répétée sur les couleurs successives, donne des résultats analogues. Donc toutes les couleurs du spectre solaire sont indécomposables ou simples. Mais leur réfrangibilité est croissante ; car on remarque que les distances entre les images directes des couleurs sur l'écran et Timage obtenue par la réfraction dans le second prisme sont d'autant plus grandes que la couleur est plus rapprochée de rexlrémité violette du spectre. Il suit évidemment de là que, lorsqu'on donne l'indice de réfraction d'une substance réfringente, il est nécessaire d'indiquer à quelle partie du spectre correspond cet indice. Par exemple, l'indice de réfraction du flint lourd, qui est 1,78 pour le rouge du spectre, est 1,86 pour le violet.

Si, au lieu d'un prisme formé de flint-glass, on emploie un prisme d'une autre substance réfringente, solide ou liquide, on obtient des spectres plus ou moins brillants et plus ou moins allongés ; si les prismes sont incolores, les spectres sont composés des mêmes couleurs, rangées dans le même ordre. Mais leur proportion, les espaces occupés par chacune d'elles, varient suivant la nature de la substance, tandis que l'ordre des couleurs reste le même. C'est le flint-glass qui, parmi les solides, donne le spectre le plus étendu, surtout dans le violet; c'est le sulfure de carbone parmi les liquides.

L'angle du prisme influe aussi sur l'étendue du spectre produit, étendue qui est d'autant plus grande que l'angle est plus ouveït. C'est un fait qu'on vérifie aisément par l'expérience, à l'aide des prismes à angles variables.

Ainsi la lumière blanche se décompose par la réfraction en rayons diversement colorés, et la couleur de chacun des rayons correspond à un degré de réfrangibilité particulier. Voilà pour l'analyse de la lumière.

§ S. RICOHFOSinOH OD STHTHÉSB DE LA LirtflÈltX.

Mais si telle est en effet la composition de la lumière, il doit en résulter qu'en réunissant, dans une proportion convenable, toutes les couleurs du spectre, le mélange des rayons colorés doit former un faisceau de lumière blanche. Des expériences variées confirment pleinement cette conséquence de l'analyse de la lumière. La plupart de ces expériences sont dues à Newton, qui les décrit dans son Optique, et l'on ne fait guère aujourd'hui que les reproduire dans les cours, avec de légères modifications.

Fig. 107. — Recomposition de la lumière par une lentille.

La plus simple de toutes consiste à recevoir sur une lentille convergente le spectre solaire étalé par un prisme. Les rayons diversement réfrangibles qui composent le spectre vont converger en des foyers distincts, mais rapprochés. En plaçant un écran de papier blanc au foyer où se confondent les rayons des diverses couleurs (c'est le foyer conjugué du point où les rayons émettent du prisme), on aperçoit une image blanche du Soleil (fig. 107). En approchant l'écran de la lentille, les rayons de couleur, non réunis encore, reparaissent d'autant

plus vifs que l'écran est plus loin de ce foyer. Au contraire, l'écran est-il éluigné de la lentille, à partir du point de convergence les couleurs reparaissent encore, de sorte que le rouge, précédemment en bas, se trouve placé en haut, et le violet, d'abord en haut, est situé à la partie inférieure de l'image colorée.

A l'aide de deux prismes de même substance et de même

angle, mais opposés de position, ainsi que le montre la fig. 108,

le faisceau de lumière blanche qui tombe dans le premier

prisme se divise en rayons divergents et diversement colorés,

mais la réfraction les ramène au parallélisme à leur émergence

du second prisme ; et

alors, au lieu d'un

spectre, on obtient un

faisceau de lumière

blanche composé par

la réunion des rayons

de diverses couleurs.

Seulement, le bord su-

périeurdp l'image reçue

Fig. 108. — Recomposition de la lumière par les prismei. SUrun écraU est r0Ug6,

et le bord inférieur est violet. Cela vient de ce que, parmi tous les rayons de lumière blanche formant le faisceau, les rayons moyens seuls donnent lieu à des spectres dont les couleurs se rassemblent ensuite, tandis que les rayons extrêmes du spectre ne se sont superposés avec aucune autre couleur, et la recomposition n'a pu s'effectuer en ces points.

Deux spectres obtenus au moyen de deux prismes différents et projetés en sens inverse sur un écran donnent du blanc, à l'endroit où les couleurs se superposent.

Le spectre donné par un prisme étant observé avec un Sfr cond prisme, on retrouve une position pour laquelle l'image reçue dans l'œil est ronde et blanche.

Toutes ces expériences et d'autres encore sont décrites par

Newton avec une clarté et une simplicité admirables. « Jusqu'ici, dit-il, j'ai produit du blanc en mêlant les couleurs des prismes. Maintenant, pour mêler les couleurs des corps naturels, prenez de l'eau un peu épaissie avec du savon, et agitezla jusqu'à ce qu'elle s'élève en écume. Après que celle écume sera uil peu reposée, vous n'avez qu'à la regarder allenlivemeut, et vous verrez partout diverses couleurs sur la surface de chacune des bulles dont cette écume est composée. Mais si vous vous éloignez au point de ne pouvoir plus distinguer les couleurs l'une de l'autre, toute l'écume vous apparaîtra d'une parfaile blancheur. » {Optique, liv. 1.)

Il essaya aussi d'obtenir la couleur blanche par le mélange, en proportions diverses, de certaines poudres colorées. De l'orpiment (sulfure d'arsenic de couleur jaune-orangé) mélangé de pourpre, de vert-de-gris et d'azur lui donna un composé d'un gris cendré qui, exposé au soleil et comparé à un morceau de papier blanc de même grandeur posé à côté du mélange et à Tombre, parut d'un blanc éclatant. Newton explique la couleur grise des mélanges de ce genre par l'absorption de la lumière des éléments, et c'est pour obvier à cette diminution d'éclat qu'il jugea convenable d'éclairer fortement le composé par les ravons solaires.

Enfin, si l'on fait tourner rapidement un cercle, divisé en secteurs qu'on a colorés des couleurs principales du spectre, autour d'un axe qui passe par son centre (fig. 109), on voit, à mesure que la rotation devient plus rapide, les couleurs disparaître à l'œil. Le disque prend une teinte d'autant plus blanche que la proportion des diverses couleurs aura été mieux observée. On comprend qu'alors, les impressions successives des diverses couleurs sur la rétine se confondant, grâce à la rapidité du mouvement, les choses se passent comme si les rayons faisaient leur impression simultanément, et la sensation qui en résulte est celle de la couleur blanche.

Toute lumière dont le Soleil est la source, celle des nuages, de ralmosphcrc, la lumière de la Lune et des planètes, donne