LES RAIES DU SPECTRE SOLAIRE

Comme on peut s'en assurer, les raies A, B, C, se trouvent toutes les trois dans le rouge, la première h 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'orangé du côté du vert; E est au milieu de cette dei"nière couleur; F au milieu du bleu; G et la double raie H sont l'une à la lin de l'indigo vers le bleu, l'autre à la fin du violet. Deux autres groupes de raies ont été désignés par les lettres a elb, l'un dans le rouge, l'autre dans le vert.

Depuis 1817, époque à laquelle Frauenhofer découvrit les raies qui portent son nom, de nouvelles lignes sombres ont été observées, et l'on évaluait, il y a quelques années, à plus de 2000 celles dont la position avait été déterminée. Aujourd'hui ce nombre est doublé. M. Thollon, appliquant à l'analyse de la lumière solaire un spectroscope à vision directe de son invention', a obtenu un spectre de iO mètres de longueur entre les raies A et H. Sur cette étendue, il a pu dessiner 4000 raies. Le spectre obtenu par Angstrom contenait i<300 raies sur une longueur de 5 mètres.

On peut se faire une idée de cette multitude de stries par

Tig. lit. — Raies du groupe B tues dans le spcclroscopc i Tisian directe de H. À. Tbollon.

l'examen de la figure 115, qui reproduit une portion du spectre solaire comprise entre les raies principales D et E. Les figures H4, 115 et 116, qui représentent les groupes B, D et & de Frauenhofer, donnent une idée de la richesse des détails que le perfectionnement des procédés d'observation permet aujour-

1. Le spectroBCflpe de H. Thullon a un pouvoir diapcrsit énorme, qui cquitaul, dil-il, ï celui do 16 prismes i suirure de carbone de 60" ou de 31 prismes de flinl.

d'hui d'explorer. Brewsler, un des [ihysiciens qui se sont le plus occupés de ces recherches, outre les précautions indisjwnsables pour obtenir un spectre bien net et bien pur, augmentait la sensibilité de sa vue à l'aide du gaz ammoniac, dont l'action dissolvante détruit le voile fluide qui recouvre la surface de l'œil.

Frauenhofer 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'observation aux spectres des Pig. 115. — Raies du sutrcs sources de lumière. Et d'abord, comme sTiMion *'"'"*' °" 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, celle de la Lune et des planètes. Les raies y sont, à la vérité, d'une intensité moindre. En obsei'vant 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

Fig. M6. — Raies du groupe b, d'après H. Thdlon.

de la même façon que dans le spectre solaire; d'ailleurs, elles changent aussi d'une étoile à une autre. EnGn, il appliqua la même méthode à la lumière électrique : au lieu de raies sombres, il vil 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 importantes de

l'optique et, pour la chimie, la plus ingénieuse et la plus délicate méthode d'analyse. Essayons maintenant de donner une

idée de cette méthode, connue sous le nom à' analyse spectrale.

g 4. analyse spectrale. — méthode, instruments et procédés

d'observation.

Le spectre solaire et lés spectres stellaires sont, comme on vient de le voir, sillonnés de raies sombres qui indiquent des interruptions dans l'émission de la lumière et prouvent, contrairement à ce qu'on avait cru d'abord, qu'il n'y a pas, dans ces sources, de rayons possédant tous les degrés possibles de réfraiigibilité. Le contraire a lieu pour les spectres des corps incandescents à l'état solide ou à l'état liquide : les spectres de leurs lumières sont continus.

D'autres sources lumineuses donnent des résultats différents. Quand on introduit dans une flamme arlificielle, 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 Frauenhofer.

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 aussi avec la température; mais, de même que les raies noires du spectre solaire, elles occupent toujours les mêmes positions relatives, dont on a déterminé la concordance avec quelques-unes des premières.

On donne le nom de spectroscopes aux instruments qui servent à analyser les diverses sources de lumière, c'est-à-dire à étudier la composition des spectres que produisent ces lumières, lorsqu'elles sont réfractées par un ou plusieurs prismes.

Mais, avant d'insister sur les caractères que présentent les

lumières émanées de sources différentes, quand on compare leurs spectres, il est nécessaire d'entrer dans quelques* détails sur les procédés d'observation et de décrire les appareils le plus ordinairement employés.

Les figures 117, 118 et H9 représentent un spectroscope à un seul prisme, le plus employé pour les expériences ordinaires. Au centre d'une plate-forme circulaire horizontale portée par un pied, se trouve disposé verticalement le prisme P, qui est le plus souvent en flint lourd très pur, et dont l'angle est de 60^ Deux corps de lunette C et B sont placés symétriquement par rapport aux faces latérales du prisme et dans la

Fig. 117. — Spectroscope horizontal. Marche du faisceau lumineux.

position de la déviation minimum eu égard aux faisceaux qui les traversent et qui sont réfractés par le prisme, La lunette C porte à son extrémité la plus éloignée du prisme, à la place de l'oculaire, une plaque métallique percée d'une fente verticale très fine (qu'on peut d'ailleurs rétrécir ou élargir à volonté). Devant cette plaque A se place la source lumineuse à analyser. Les rayons lumineux qui traversent la fente sont rendus parallèles par un système de deux lentilles, de sorte que c'est un faisceau vertical qui pénètre dans le prisme, s'y réfracte, et en sortant va tomber sur l'objectif de la lunette B. C'est en metlant l'œil à l'oculaire de cette seconde lunette que l'observateur va pouvoir étudier le spectre produit par la dispersion.

En E se trouve, en avant d'un troisième corps de lunette D, une plaque de verre sur laquelle est tracée une échelle micrométrique de divisions équidistantes très fines : celte échelle est disposée horizontalement et éclairée par une bougie. On oriente la lunette D de façon que l'image du micromètre E tombe sur la face latérale du prisme d'où émerge le faisceau lumineux de la source, et se réfléchisse précisément selon l'axe de la lunette 6.

Tout étant ainsi dispose, si l'on met l'œil à l'oculaire de celle-ciy on aperçoit très nettement d'une part le spectre étalé de la source qu'on étudie, avec toutes ses couleurs et ses raies, et d'autre part l'image du micro-

Fig. 118. — Speclroscope horiioDlal.

mètre qui se superpose a

la première et par conséquent divise le spectre en parties équidistantes et numérotées. On peut donc noter la position exacte occupée par telle ou telle couleur, ou par une raie déterminée du spectre observé.

On peut aussi comparer directement les parties de même réfrangibilité des spectres de deux sources différentes. Pour cela, on fixe à la partie supérieure de la fente du collimateur C un petit prisme en verre à réflexion totale, qui reçoit latéralement les rayons de la seconde source et les envoie dans l'axe de la lunette. Le faisceau est dispersé comme celui de la source qui est placée directement devant la fente. Alors l'observateur, en mettant l'œil à l'oculaire convenablement mis au point, voit les deux spectres disposés horizontalement l'un au-dessus de l'autre, position qui permet de reconnaître les raies communes ou de mesurer la différence de réfrangibilité de raies voisines.

Quand on observe, on a soin de recouvrir le prisme d'un tambour noirci à l'intérieur, de façon à éviter l'accès et l'influence des lumières étrangères. Celle pièce (iig. 118) est d'ailleurs percée de trois orifices circulaires, en regard des trois lubes du spectroscope.

Pour oblenir une dispersion plus forte et par suite des spectres plus étendus, permettant une étude plus complète des raies

Fig. 119. — ObservnliuD speclroïcojiique d'un solide mêlalliquc

et de leurs subdivisions, on emploie des spectroscopes à plusieurs prismes. La figure 120 représente, en plan, un de ces appareils où la lumière passe successivement à travers six prismes. On comprend que l'emploi des spectroscopes polyprismes est limité à l'analyse des lumières d'une grande puissance, puisque, en traversant une épaisseur aussi considérable de substances réfringentes, le faisceau perd de son intensité à chaque réfraction. On obtient un spectre beaucoup plus étendu, il est vrai, mais beaucoup plus faible.

Dans les S|)ectroscopes que nous venons de décrire, les faisceaux incidents et émergents font entre eux un ccrliiln angle, de sorte que l'observateur ne vise point directement la source de lumière qu'il analyse. Mais on construit aussi, pour la commodité des observations , principalement des observations astronomiques, des spectroscopes à visim directe, où un même tube de lunette contient à la fois la mire ou fente par où vient la lumière, l'appareil dispersif et la lunette à laquelle est

adapté l'oculaire. f'f- ^2». — SpeclroMopc horiiontal i pmme»

^ . multiples.

Entrons maintenant dans quelques détails sur les divers procédés d'observation employés selon la nature des sources lumineuses qu'il s'agit d'analyser.

Nous avons vu que la lumière solaire, directe ou réfléchie, donne un spectre de couleurs vives, sillonné d'un nombre considérable de raies obscures plus ou moins fînes, tandis que le spectre d'un liquide ou d'un solide incandescent (d'un bain de métal en fusion , d'un fer rouge par

exemple)esl absolument Fis. 1!1. — DiBpoiilion des prismos liins un

„ Finoclroi>cope ï tision directe.

continu. Quant aux gaz

incandescents, le spectre de leur lumière est discontinu : il est constitué par un nombre limité de lignes brillantes ou de bandes lumineuses, que séparent de larges intervalles obscurs. Mais cela suppose que la flamme du gaz analysé ne contient en suspension aucune particule solide ou liquide ; si cette condition n'est pas remplie, si, comme il arrive pour les flammes éclairantes d'une bougie, d'un bec de gaz ordinaire, des particules solides de carbone existent dans la source lumineuse, alors le spectre est

continu comme dans le cas des solides et liquides incandescenls*. 11 semble toutefois qu'il y ait des exceptions à cette loi. Par exemple, la flamme d'un bec à gaz dans lequel on fait amver un excès d'air, donne un spectre continu, tandi« qu'il devrait être formé de raies brillantes, A la vérité, ces bandes existent, et c'est la faible intensité du spectre qui, en rendant ces bandes imperceptibles, fait croire à la continuité. Or c'est précisément cette circonstance qui permet de se servir d^m bec de Bunsen pour l'observation spectroscopique des corps solides, quand ces corps sont aisément vaporisables, ce qui est le cas des métaux alcalins ou terreux.

Pour étudier les spectres de ces corps simples, on introduit dans la flamme un fil de platine imprégné d'une dissolution saline de l'un d'eux. L'eau commence par s'évaporer, le sel en dissolution se vaporise à son tour, et l'on voit apparaître dans le spectre les raies caractéristiques du métal (voy. pi. II).

Quand le corps est difficilement volatilisable, on en obtient le spectre en faisant éclater l'étincelle d'induction d'une bobine Ruhmkorff entre deux électrodes formées du métal en question. Comme alors la lumière se produit dans un milieu gazeux, le spectre qu'on obtient est un mélange du spectre du gaz et de celui du métal. Il faut donc pouvoir distinguer les raies brillantes qui appartiennent à chacun d'eux. Or on a constaté que les raies du spectre métallique se mpntrent principalement dans les parties de l'étincelle les plus voisines des pôles : c'est la partie intermédiaire qui renferme plus spécialement les raies du milieu gazeux.

Du reste, on fait cette distinction des deux genres de raies à l'aide de dispositions particulières dont nous allons donner la

i . U est d'au 1res cas où le spectre d'un gaz n'est pas discontinu : si Ton lait brûler dans Foxygèoe Yan des gaz suivants : hydrogène, oxyde de carbone, hydrogène sulfuré, solfore de carbone, le spectre de leurs flammes ne renferme aucune raie ni bande, brillante ou sombre. Il est vrai qu'il ne s'agit point là de gaz simples. On doit aussi remarquer que tout solide incandescent ne donne pas un spectre continu. MM. Bahr et Bunsen ont reconnu que l'erbine calcinée dans la flamme d'un chalumeau à gaz ne se fond pas, mais répand one lumière verte qui, analysée par le prisme, donne un spectre à raies brillantes, c'est-k-dire discontinu. Le môme phénomène s'observe pour le didymc.

description. I^ figure 122 repi-éscnle le tube qu'a imaginé M. Plûcker pour l'analyse speclrale des gaz. Il se compose de deux tubes de 2 à 3 centimètres de longueur et de 5 à 10 millimètres de diamètre intérieur, que relie un tube presque capillaire soudé aux deux premiers et formant avec eux des angles plus ou moins ouverts. Aux deux extrémités des tubes laides sont fixés deux fils de platiae qui pénètrent à l'intérieur par une extrémité et ressortent rc-

i, , I Fie, 122. — Analjsc ïueclrale lies 'bm- Tube

courbés au dehors par ~ di piacker.

l'autre extrémité. Après

avoir fait le vide et introduit le gaz à la pression voulue, à

l'aide d'une tubulure latérale, on ferme celle-ci à la lampe. Si

alors on met les fils en communication avec les pôles d'une

bobine d'induction, on voit apparaître d'un fil à l'autre une

lumière qui, dans la partie rétrécie du tube, oHi-e l'aspect

Fig. (25. ~ Analyse nper Ira le drs gai. TuIk- de M. Grissler.

d'une ligne de feu continue. C'est celle ligne de lumière qu'on place eu avant de la fente du spectroscope. Dans l'appareil de Geissier (fig. 123), les trois tubes sont sur le prolongement l'un de l'autre.

Voici (fig. 124) une autre disposition due à M. Salet : Un gros Uibe de verre de 1 1/2 à 2 cenlimèlres de diamètre, de 15 h 20 centimètres de longueur, est fermé à l'un de ses bonis, et porte à l'autre bout un bouchon en caoutchouc percé de deux ouvertures par où pénètrent à l'intérieur deux lubos concenlri-

ques élroits renfermant les fils des rhéophores, el un autre tube rccourI)é servant à faire le vide (ians l'appareil el à y introduire le gaz à expérimenter. liCs fils métalliques se recourbent à l'in- Icrieur du gros tube, el se trouvent ainsi en regard, de façon qu'en mettant leurs extrémités extéiieurcs en commiyiication avec les pôles d'une bobine, l'étincelle éclate et produit ainsi dans le gaz la lumière qu'on observe ensuite à l'aide du spectroscope.

Les spectres des pri ncipaux gaz simples sont représentés dans la planche III avec leurs raies caractéristiques. Mais il ne faut pas oublier que ces raies varient de nombre et d'éclat pour un même gaz, suivant que la pression est plus ou moins grande. L'apparence spectrale varie aussi suivant la température du gaz et selon la tension de l'étincelle électrique qui produit l'incandescence'. Ainsi la substitution d'un condensateur ou d'une machine de Hoitz à la bobine de Ruhmkorff suffit à Fi(!. 12(. — Analyse modifier le phénomène. Pour que les obser- Apparèii ds u! Sificl. vations spectroscopiques soient comparables, il est donc nécessaire qu'elles soient faites dans tes mêmes conditions physiques, et avec des instruments de même puissance.

Les procédés d'observation viennent d'être sommairement

i. Par eiemplc, la toufrc Yolatilisc danB un tube de Plâckcr et chaufTé k une haule Ionpéraliirc donne • une magnifique lumière d'un bl«u tendre qui ne résoudra p*r te prisnte eo bandes fbri nigiiliùres dans lesquelles un fort grossissement permet d'aperceroir de fines lignes nuire». Si l'on tail communiquer chaque p6\c de la bobine d'induction qui sert Ji iiire l'eiprrience avec une des armatures d'une boulcillc de Lejdc, l'étincelle dans l'air wra plus nouii'ie; dans le tube de PlUckrT, elle srra plus lumineuse, et elle changera de eouleurel d'aspect, si l'on chaufTo un peu plus ou si l'on emploie un appareil d'induction un peu plus Tort. La décharge dcvienara filifoimc blcu-verdilrc et si>n spectre sera exclusiveinenl composé de traits déliés el brillants. Ces deux speclres s'observent quel que soit le métal des électrodes ; ils sont k un même degré caractéristiques du soufre, mais ils ' rien dn comnmn et ne »e transforment pas l'un dans l'autre par transition il (G. Salft, art. Lduiï.nt du DicUoimaire de chimie de N. Wuriz.)