INTERFÉRENCES DES RAYONS CALORIFIQUES

( Académie des Sciences, 27 septembre 1847.)

Les expériences qui font le sujet de ce mémoire ont eu pour but de rechercher si les rayons calorifiques possèdent, comme les rayons lumineux, la propriété d'interférer ou de s'influencer mutuellement, de manière à s'ajouter et à se détruire suivant les conditions dans lesquelles ils se rencontrent.

Le procédé d'observation employé consiste à étudier la distribution de la chaleur dans les divers phénomènes qui prennent naissance lorsque les rayons lumineux interfèrent. Les franges qui se produisent dans ces circonstances étant de leur nature peu intenses et de petites dimensions, il a fallu recourir à des moyens thermoscopiques très-délicats.

Nous avons employé pour cette étude des thermomètres à alcool, auxquels on peut donner des dimensions très-petites et en même temps une grande sensibilité; les mouvements de la colonne étaient observés au microscope et des divisions placées dans l'oculaire servaient à les mesurer.

Le meilleur thermomètre que nous ayons pu nous procurer pour ces recherches a un réservoir sphérique dont la dimension n'excède pas 1"'M ; la valeur de 1 degré centigrade sur la tige est cependant encore de O^jOOS.

4. Extrait d'un mémoire présenté en commun avec M. H. Fizeau, et reproduit ci-après, page 133. Voir Comptes rendus de l'Ac. des Se, t. XXV, p. 447, 483.

En plaçant dans l'oculaire du microscope un micromètre divisé en dixièmes de millimètre, on s*est assuré que chaque division parcourue par la colonne équivalait à ^ de degré.

L'instrument était placé dans une enceinte exactement close, afin qu'il fût à l'abri des mouvements de l'air et des changements brusques de la température. Plusieurs ouvertures fermées par des glaces permettaient d'introduire les rayons soumis à Fexpérience et d'observer la colonne avec le microscope placé extérieurement. Une disposition particulière permettait, en outre, d'observer avec exactitude la position du thermomètre au milieu des franges lumineuses.

Des observations successives faites dans des points très-rapprochés faisaient connaître la distribution de la chaleur. Pour chaque point, l'ob* servation était double : l'une faite en admettant les rayons, l'autre en les interceptant; la moyenne des deux nombres obtenus donnait l'élévation de température due à l'action des rayons. Les changements de température de l'enceinte étant toujours lents et réguliers, leur influence se trouvait ainsi annulée.

Nous avons étudié de cette manière la répartition de la chaleur dans les principaux phénomènes où les interférences des rayons lumineux se manifestent. Après quelques essais, nous avons reconnu que, malgré la sensibilité de nos moyens thermométriques, cette étude n'était possible qu'en employant la lumière solaire pour la production de ces phénomènes, toutes les autres sources de lumière et de chaleur étant beaucoup trop faibles.

1* Franges produites au moyen de deux miroirs inclinés Vun sur l'autre. — En produisant ces franges dans des dimensions assez grandes pour que le réservoir du thermomètre n'occupât que le quart d'une frange brillante, nous avons trouvé des signes d'interférence incontestables dans le voisinage de la frange centrale blanche. Dans une des observations rapportées dans le mémoire, on a trouvé les nombres suivants pour les élévations de température en divisions du micromètre : 20; 9; 35; 9; 20. Le nombre le

plus élevé correspond à la frange centrale et les deux plus petits à la première frange obscure qui limite à droite et à gauche la précédente.

Les expériences ont été variées de plusieurs manières et toutes s'accordent à montrer que, dans ce phénomène, il existe des franges calorifiques de dimensions semblables à celles des franges lumineuses.

^ Spectres à bandes brillantes et obscures obtenues en analysant par le prisme les phénomènes d'interférence produits dans la lumière polarisée par les lames crisiallisées. — Lorsqu'on forme un spectre avec de la lumière modifiée par rinfluence combinée de la polarisation et de la double réfraction dans les circonstances où, pour de petites épaisseurs du corps biréfringent, se manifesteraient les couleurs des lames cristallisées, on donne naissance à un spectre discontinu formé de bandes alternativement brillantes et obscures, dues aux interférences des deux rayons produits par la double réfraction de la lame cristallisée.

Cette expérience a été décrite avec détail dans un précédent travail sur le phénomène des interférences dans le cas de grandes différences de marche. Nous rappellerons seulement que, dans cette circonstance, bien que Tobservalion porte simultanément sur les rayons de toutes les couleurs, c'est comme si Ton observait dans de la lumière simple, car les effets de l'interférence sont distincts et séparés pour chaque rayon simple.

La recherche de la distribution de la chaleur dans ces spectres présentait un intérêt particulier, surtout parce qu'il devenait possible d'étudier, sous le point de vue des interférences, les rayons calorifiques obscurs découverts par Herschell au delà de l'extrémité rouge du spectre visible. Nous rapportons avec détail les résultats de cette étude dans le cas d'une lame de gypse de 0"", 83. Une lame de celte épaisseur produit dans le spectre huit bandes obscures; la largeur des bandes brillantes qui les séparent était telle que le thermomètre occupait un sixième de la bande située dans le jaune. Pour la partie du spectre calorifique formée par les rayons invisibles situés au delà du rouge, la position du thermomètre a été relevée à chaque observation et rapportée au spectre visible.

Il résulte de cette étude que la chaleur est distribuée comme la

lumière dans le spectre visible, le centre des bandes lumineuses présentant un maximum de chaleur et le centre des bandes obscures un minimum ; dans la région invisible du spectre, la distribution est analogue : on a fixé la position de quatre bandes non calorifiques séparées par des bandes calorifiques.

Pour distinguer de ces bandes d'interférence trouvées dans la région calorifique invisible les inégalités d'intensité signalées dans cette région par J. Herschell, on a constaté qu'elles disparaissaient en tournant de &5 degrés la section principale de la lame de gypse. Nous avons trouvé que cette intensité varie, en elTet, d'une manière très-irrégulière : à une distance de la raie A, égale à celle qui sépare cette raie de la raie D, nous avons reconnu l'existence d'une raie très-large où il n'existe aucune chaleur sensible.

En tournant l'un des plans de polarisation de 90 degrés, on donne naissance à un spectre complémentaire du précédent et qui a été étudié de la même manière. Les bandes calorifiques sont alors remplacées par des bandes non calorifiques et réciproquement.

En substituant à la lame de gypse une lame de cristal de roche perpendiculaire à Taxe, on peut observer dans le spectre les rotations que les plans de polarisation des couleurs éprouvent de la part de ce cristal; le phénomène consiste en des bandes semblables aux précédentes ; la distribution de la chaleur est semblable aussi.

En ajoutant aux modifications que subissent les rayons dans les circonstances qui viennent d'être rapportées celles qui résultent de la réflexion totale dans le parallélipipède de Fresnel, on produit des phénomènes d'interférence qui se manifestent toujours dans le spectre par des bandes diversement situées; la distribution de la chaleur suit tous ces changements.

Ainsi l'on trouve toujours : 1** que des bandes d'interférence se manifestent dans toute l'étendue du spectre calorifique toutes les fois qu'il s'en produit dans le spectre lumineux ; 2"" que, dans toute l'étendue du spectre lumineux, les bandes lumineuses coïncident avec les bandes calorifiques.

3* Diffraction produite par un bord rectiligne unique. — Nous avons, de plus, étudié le cas le plus simple de la diffraction, celui où l'on produit des franges par Tin terposi lion d'un écran terminé par un bord rectiligne : ce phénomène étant nécessairement très-petit, son étude a présenté des diflScultes assez grandes ; cependant nous avons obtenu des résultats intéressants en produisant les frangQs dans des dimensions telles que le thermomètre occupât la moitié de l'espace compris entre la première et la seconde frange obscure, telles qu'on les voit avec un verre rouge. La position de la limite géométrique de l'ombre avait été déterminée par un procédé parti* culier.

Lorsque le thermomètre, d'abord situé dans l'intérieur de l'ombre, pénètre graduellement dans l'espace éclairé, on observe qu'il commence à monter avant d'atteindre la limite géométrique de l'ombre ; il continue à monter rapidement en pénétrant dans la première frange brillante, atteint un maximum vers le bord de cette frange voisin de la première frange noire, puis descend d'une manière continue à mesure qu'il pénètre dans l'espace éclairé pour atteindre bientôt un état stationnaire. Ainsi, dans le lieu occupé par la première frange brillante, il existe une frange calorifique de diffraction dans laquelle la température est plus élevée que dans les points où les rayons parviennent directement sans avoir été influencés par l'écran.