U CONSTITUTION DES SPECTRES ULTRAVIOLETS

D'ÉTINCELLES OSCILLANTES

THÉORIE INTERFËRENTIELLE DES APPAREILS SPECTRAUX

La théorie ondulatoire de la lumière assimile cette dernière soit aux ondes sonores, soit aux ondes électromagnétiques.

Dans le premier cas on n'a qu'une simple comparaison ; les vibrations sonores sont, en effet, longitudinales et de plus, la vitesse de propagation des ondes sonores est incomparablement plus petite que celle qui correspond aux ondes lumineuses. Aussi la théorie élastique est obligée de faire appel à un milieu spécial — Véther — dont l'élasticité est définie précisément par la condition de ne propager que les vibrations transversales, et cela avec la vitesse caractéristique de la lumière : Sooooo kilomètres par seconde.

Suivant la deuxième assimilation, la lumière serait une oscillation électrique, et les deux faits fondamentaux suivants corroborent, en effet, cette hypothèse :

I** Dans les deux séries de phénomènes les vibrations sont transversales ;

2° Les deux phénomènes se propagent dans le vide avec la même vitesse.

D'où provient alors la différence des effets observés? — On l'attribue à la fréquence extrêmement grande des vibrations lumineuses. Il est facile de s'en rendre compte. Considérons, en effet, une

effet, que Thypothèse la plus naturelle est d'admettre que les oscillations lumineuses sont produites par des causes analogues dans le corps rayonnant et que les périodes des premières sont analogues à celles des oscillations qui prennent naissance dans le corps rayonnant: c'est-à-dire aux périodes des mouvements oscillatoires des atomes. Chaque radiatipn lumineuse, chaque raie dans le spectre correspondra donc, à une période identique du mouvement intramoléculaire.

L'on devine ainsi l'énorme importance que l'on doit attacher aux recherches sur la constitution des spectres. Lorsque nous voulons aborder Tétude des diverses propriétés de la matière au moyen d'autres phénomènes, Ton constate que la plupart des propriétés des éléments ne sont déterminées que d'une manière grossièrement approchéCy les valeurs numériques des constantes se rapportant, comme des moyennes à un nombre immense de molécules ou d'atomes se trouvant dans des conditions variées. C'est une statistique moléculaire. Mais considérons les spectres des gaz, par exemple ; ici les molécules et les atomes agissent individuellement : chaque atome envoie ses raies indépendamment de celles des autres.

Ajoutons encore que, tandis que chacune des autres qualités physiques ne nous donne, en général, qu'une seule valeur numérique isolée, les spectres nous en fournissent, au contraire, par leurs différentes raies, un nombre presque illimité, pour toutes les formes de vibrations de toutes les espèces diverses de la matière.

Notre connaissance imparfaite de la constitution des différentes espèces de spectres ne nous permet pas encore de les classer d'après des principes rationnels. Ordinairement, on les divise d'après leur aspect en trois groupes : spectres contimis, spectres de lignes ou de raies et spectres de bandes.

Les spectres continus sont considérés comme étant composés de vibrations homogènes extrêmement voisines ; tellement voisines que nos appareils spectraux actuels sont impuissants à les séparer (*).

(') Il suffit^ en effet, de supposer que l'espace compris entre les deux composantes D^ , D^ du doublet jaune du sodium est rempli par d'autres radiations dont les X ne diffèrent que d'un millionième de la différence X^ — \ ^^^^ longueurs d'onde correspondant à Dj et D^ , pour qu'aucun appareil spectral ne soit capable de les r<^soudre, de sorte que l'espace comprisentre ces raies D^ D2 paraîtra uniformément éclairé.

Quant à la valeur de la différence X^ — ^1 > ^^'^ ^^^

X2 — X| =(5895 — 0889)10 "^ cm. = o.ooG X 10 ^ cm. j un millionième de cette valeur vaudra donc 6X 10 ~** cm.

Mais ce n'est là qu'une manière simple d'envisager analytiquement un spectre continu.

Dans les spectres de lignes la plupart des raies se trouvent disséminées, sans ordre apparenty dans toute Tétendue du spectre.

Dans les spectres de bandes le nombre de raies est beaucoup plus grand et elles forment des bandes où des centaines de raies sont serrées si près Tune de l'autre qu'il faut des instruments à grand pouvoir de résolution pour les séparer.

Voyons maintenant quels sont les principaux modes de production des spectres. La plupart des gaz peuvent devenir fluorescents par illumination, ainsi que l'ont montré Lommel(*), Konnen(*), Wiedemann et Schniidt('), etc. Mais la méthode la plus employée, en laissant de côté les spectres de flamme, est celle qui consiste à produire l'émission par des décharges électriques. L'on peut faire usage de trois procédés : la décharge dans les gaz raréfiés, les étincelles entre électrodes métalliques ou solutions salines et enfin Tare électrique. Mais nos connaissances actuelles sur le mécanisme de l'émission des radiations de ces difi^érentes sources de lumière sont, malheureusement, fort peu étendues. L'interprétation des phénomènes spectraux est par suite extrêmement difficile. Quoique les premiers faits précis remontent à plus de cinquante ans, c'est seulement depuis une quinzaine d'années que cette étude a donné lieu à un ensemble de recherches de grande précision et il s'en faut encore de beaucoup que les résultats soient complets. Toutes ces recherches montrent que rémission dépend du mode d'excitation, et les diff*érences obtenues pour les spectres d'un même corps, suivant le mode d'excitation employé, semblent devov* écarter complètement l'hypothèse suivant laquelle ces différences ne seraient fonction que de la température seule. Nous insisterons davantage sur ce dernier point dans le courant de ce travail.

Lorsque l'on emploie comme moyen d'excitation la décharge par étincelle, ces phénomènes sont encore plus complexes et particulièrement difficiles à interpréter car l'étincelle électrique est elle-même un phénomène très complexe. L'on peut cependant caractériser une étincelle par son intensité (son éclat^ et par sa nature ; ces quantités

(*) LoMMEL, Wied. Am., t. XIX, p. 356 (i883). (*) IL KoNitEN, WiedAnn., t. LXV, p. 267(1898).

Q) E. WiEDEMANN et G.-G. ScHMiDT, Wied. Ann., t. LVI, p. 18 (1896) j t. LVII, p. 4^7 (1896).

INTaODUGTlON 8

dépendent en premier lieu de la résistance et de la self-induction du circuit de décharge ; elles dépendent également de la nature et de la forme des électrodes, de la distance explosive et de la nature du gaz dans lequel éclate Tétincelle (*). Des expériences très élégantes de MM. Schuster et Hemsalech(*) ont en outre montré qu'une étincelle électrique se produit de la manière suivante : la couche d'air qui se trouve entre les deux électrodes est d'abord percée par la décharge initiale et Tair qui se trouve dans le voisinage immédiat parcouru par cette décharge est chauffé jusqu'à l'incandescence ; c'est ainsi que naît le trait lumineux. Mais immédiatement après, l'espace qui sépare les deux électrodes est comblé par la vapeur métallique engendrée par la première oscillation, donnant ainsi naissance à Vauréole., Les oscillations qui suivent traversent cette vapeur et la réchauffent. La décharge initiale donne le spectre du gaz ambiant ; les oscillations qui traversent l'auréole donnent le spectre du métal constituant les électrodes. L'on voit donc le rôle important que ces oscillations vont jouer dans la production du spectre caractéristique du métal. C'est à M. Hemsalech que revient l'heureuse inspiration d'étudier le rôle que jouent les oscillations rapides et lentes d'une décharge électrique dans la production des raies spectrales. Ces recherches sont pour ainsi dire le corollaire d'une autre série de recherches de MM. Schuster et Hemsalech, qui établissent que l'augmentation de la self-induction du circuit de décharge d'un condensateur est accompagnée de transformations considérables dans le spectre de l'étincelle jaillissant entre des électrodes métalliques communiquant avec les armatures du condensateur. M. Hemsalech constate d'abord qu'au début toutes les raies d'un spectre s'affaiblissent avec l'augmentation de la self-induction ; parmi ces raies, il y en a qui s'affaiblissent rapidement, d'autres qui diminuent lentement et d'une manière continue, d'autres enfin qui diminuent jusqu'à atteindre un minimum et augmentent ensuite en intensité, atteignent un maximum et diminuent de nouveau. Il est ainsi conduit à une classification des raies spectrales suivant leur manière de se comporter vis-à-vis de la self-induction du circuit de décharge.

(1) E. NécuLCBA, L'étincelle électrique. Rôle de la self-induction dans la décharge oscillante d'un condensateur. Etude des spectres produits par Tétincelle électrique. L'Éclairage Électrique, t. XXYIII, p. 3o6-2i3 (igoi). Compte rendu de la thèse de M. Hemsalech.

(*) A. Schuster et G. Hemsalech, On the Constitution ofthe Electric Spark. P/t{7. Transact. Série A. t. 198, pp. 1 89-318 (1899).

Voir la note toute récente de M. Hemsalech dans les Comptes rendus (a5 juin 1906).

Mais la région spectrale explorée par M. Hemsalech est comprise entre X= 5900 unités d'Angstrôm et X = 3 5oo unités d'Angstrôm ; il y avait donc un réel intérêt à prolonger ces recherches au delà de X = 35oo et aller aussi loin que possible dans Textréme ultraviolet, région très riche en raies provenant de séries différentes ; ayant par conséquent des caractères différents dont Tétude permettra de pénétrer petit à petit dans Tédifice moléculaire et nous rendre compte un jour des mouvements intramoléculaires qui engendrent les différentes radiations. C'est cette région extrême ultraviolette que nous nous sommes proposé d'étudier au point de vue de Tinfluence de la selfinduction sur le caractère des raies provenant d'une étincelle éclatant entre. des électrodes métalliques Q. Nous avons eu à surmonter de grosses difficultés expérimentales et nous avons souvent été obligé de reprendre les questions théoriques, concernant le réglage des appareils spectraux, depuis leur origine. La région ultraviolette ne nous est, en effet, accessible que par la photographie ; d'où des tâtonnements extrêmement longs et pénibles pour la mise au point ; difficulté infiniment supérieure, assurément, à celle que Ton rencontre dans des conditions analogues lorsque Ton veut étudier spec- Irographiquement le spectre visible ; dans ce dernier cas les réglages préalables à Tœil supprimant presque complètement les interminables tâtonnements nécessités par la région invisible du spectre. Ensuite, les radiations ultraviolettes sont absorbées par la plupart des milieux dispersifs, d'où la nécessité de se borner à un système optique en quartz dont la faible dispersion est manifestement insuffisante pour explorer une région aussi riche en raies que la région ultraviolette. Il ne fallait, d'autre part, songer à Temploi de spectres de diffraction, rintensité lumineuse des raies étant, à la suite des pertes par réflexion, etc., trop inférieure pour pouvoir profiter de l'avantage d'un fort pouvoir de résolution. Augmenter le nombre de prismes, c'eût été encore sacrifier une forte partie de la lumière, à cause des pertes par transmission et réflexion. Nous avons néanmoins pu utiliser certains artifices optiques qui nous ont permis d'amplifier la faible dispersion naturelle des prismes en quartz de manière à obtenir avec lin seul prisme de 60** une dispersion comparable, dans la région extrême ultraviolette, à celle correspondant au spectre du premier

(*) E. Néculcéa, Comptes Rendus, t. CWXIV, p. 1/49^ (a3 juin igoa); p. 1572 (3o juillet 1902); t. CXXXV, p. a5 (7 juillet 1902).

ordre d'un réseau plan ordinaire de Rowland. Nous avons ainsi pu étaler la région spectrale comprise entre X = 2 70o et X 2 000 sur une seule plaque photographique de 3o centimètres de longueur: plus qu'il ne fallait pour étudier avec beaucoup de précision le caractère des raies de cette région spectrale inabordable spectroscopiquement Ç). Ce sont ces recherches qui feront Tobjet de la dernière partie du présent travail.

La première partie de ce travail a été consacrée à une étude d'ensemble de la constitution de l'étincelle électrique. Les diflicullés expérimentales que nous avons rencontrées lorsque nous avons entrepris l'étude spQCtroyrapliique de la région ultraviolette nous ont, ensuite, décidé de donner un aperçu synthétique de la théorie des appareils spectraux basée sur Voptique physique, cette théorie n'étant que très peu connue et trop peu appréciée par la plupart des spectroscopisles. La raison en est peut-être qu'elle n'a pas encore été constituée en corps de doctrine et que l'ancienne théorie basée sur des constructions d'optique géométrique est absolument insuffisante. Nous verrons que les considérations d'optique physique jettent, au contraire, une vive lumière sur nombre de points, restés obscurs, concernant le choix et le fonctionnement d'un appareil spectral. C'est Lord Rayleigh quia, le premier, introduit dans la théorie des instruments optiques les principes d'optique physique ; ses mémoires de 1879 et 1880 (publiés dans le Philosophical Magazine^ marquent un énorme progrès dans cette théorie : au moyen de la notion du pouvoir théorique de résolution d'un instrument optique de Rayleigh et au moyen de la notion de la.puretédu spectre (Reinheit des Spectrums)de Helmholtz, l'on peut échafauder toute la théorie des appareils spectraux. C'est ce que nous nous proposons de montrer dans la deuxième partie de notre travail. Dans la troisième partie nous nous occuperons de la description et du réglage des appareils électriques et optiques qui nous ont servi à l'étude de la région extrême ultraviolette des spectres d'étincelles oscillantes et enfin la quatrième partie sera consacrée aux tableaux numériques synthétisant nos mesures spectographiques.

(*) C'est-à-dire à l'observation directe des spectres, à l'œiL