RECHERCHES SUR LES INTERFÉRENCES CALORIFIQUES

(Académie des Sciences, 27 septembre i8i7.)

Les expériences que nous allons rapporter ont été entreprises afin de rechercher si les rayons calorifiques donnent lieu, comme les rayons lumineux^ à des phénomènes d'interférence. Cette classe de phénomènes, qui résulte des influences mutuelles que deux rayons exercent l'un sur Tautre et en vertu desquelles ces rayons peuvent s'ajouter ou se détruire mutuellement, acquiert une importance considérable par les conséquences qui en résultent relativement à la nature de l'agent qui les produit. Ce sont, en efifet, ces phénomènes qui ont conduit à abandonner la théorie de l'émission de la lumière, et à considérer celle-ci comme constituée par des mouvements ondulatoires se propageant dans un fluide universellement répandu.

Les analogies nombreuses révélées par l'expérience entre les propriétés des rayons calorifiques et celles des rayons lumineux, ont amené à étendre l'idée des mouvements ondulatoires aux rayons calorifiques. Cette manière de voir est généralement admise aujourd'hui, et cependant elle n'est fondée que sur des analogies, car aucune des propriétés observées jusqu'ici dans les rayons calorifiques ne révèle en eux une nature ondulatoire. L'existence de phénomènes d'interférence serait décisive dans cette question et fournirait à la théorie de la chaleur rayonnante une base aussi solide que celle sur laquelle repose la théorie de la lumière.

4. En commun avec M. H. Fizeau. —Nous devons à M. Fizeau de pouvoir donner le texte et les ûgures de ce mémoire qui n'a pas été publié.

La recherche de phénomènes d'interférence dans les rayons calorifiques devait, en outre, jeter un grand jour sur la question distincte de la précédente et également importante, celle de savoir si la chaleur rayonnante et la lumière doivent être considérées comme étant d'une nature diiTérente ou identique. Les premières expériences de M. Melloni avaient révélé des dilTérences considérables et même des oppositions entre les propriétés des deux agents; ainsi des corps transparents pour la lumière arrêtaient la chaleur, et des corps opaques la laissaient passer. Ces phénomènes ne parurent explicables qu'en admettant une différence de nature entre la chaleur et la lumière; toutefois, dans ces derniers temps, ce même savant a fait de nouvelles expériences qui ont donné à la théorie contraire des résultats plus favorables. Dans ses derniers mémoires, il se déclare même formellement partisan de la théorie de l'identité. On verra par la suite de ce mémoire combien les résultats de nos expériences sont favorables à cette manière de voir.

Si les interférences des rayons calorifiques n'ont pas encore été constatées jusqu'ici, on doit en rechercher la cause dans les difficultés que présentent ces recherches, difficultés dont nous devons dire quelques mots, afin d'expliquer la nécessité des dispositions qui ont été adoptées dans les expériences. Il faut dire d'abord que les seules circonstances dans lesquelles il nous ait paru possible de tenter cette étude sont celles dans lesquelles les rayons lumineux interfèrent ; ainsi le procédé d'observation a consisté à chercher quelle est la distribution de la chaleur dans les divers phénomènes d'interférence de la lumière. Mais, l'on sait combien ces phénomènes sont délicats à produire, puisqu'ils dépendent de quantités aussi petites que les longueurs d'ondulation, longueurs qui, pour les rayons situés au milieu du spectre solaire, ne dépassent pas un demi-millième de millimètre. Les alternatives de couleurs ou d'éclat et d'obscurité qui constituent les franges d'interférence se produisent en général dans des points très-rapprochés les uns des autres : ce sont de petits phénomènes qu'il faut observer de près et souvent à la loupe.

L'intensité des rayons qui concourent à la production des franges est encore une cause de difficultés ; la source d'où la lumière émane ne doit

avoir que de petites dimensions et, par suite, l'intensité est nécessairement très-limitée.

Ainsi les expériences devaient consister à comparer les élévations de température produites par des rayons d'une faible intensité et dans des points très- voisins les uns des autres.

Les instruments thermoscopiques que l'on emploie pour étudier l'action calorifique de rayons trës-faibi£s, tels que le thermomètre différentiel à air et la pile thermo-électrique de M. Melloni, ne pouvaient pas convenir dans ces circonstances; ces instruments présentent une surface trop étendue, et il ne nous a pas paru possible d'en modifier la construction de manière à les rendre propres à ces recherches.

Nous avons fait usage de thernwmètres à liquides auxquels on peut donner des dimensions très-petites en leur conservant une grande sensibilité.

Les mouvements delà colonne étaient observés au microscope et mesurés au moyen de divisions placées dans l'oculaire. Parmi plusieurs thermomètres très-petits qui ont été essayés, le n° 5 s'est trouvé supérieur aux autres; c'est celui qui a été employé pour les expériences rapportées dans ce travail. (PI. III, fig. 5.)

Ce thermomètre est à alcool, le réservoir est sphérique et de 1""",1 de diamètre ; la moitié de la surface sphérique a été couverte de noir de fumée ; c'est sur cette surface que tombaient les rayons.

Malgré ses petites dimensions, l'instrument est encore très-sensible ; pour l degré centigrade, la colonne parcourt une étendue d'environ 0",008, et cette valeur est sensiblement la même pour plusieurs degrés successifs.

Lorsque l'on observe les mouvements de la colonne au moyen du microscope, les indications de l'instrument acquièrent une délicatesse bien plus grande.

Le micromètre placé dans l'oculaire étant divisé en dixièmes de millimètre, on a placé au foyer du microscope, au lieu du thermomètre, une échelle divisée, et l'on a trouvé qu'un demi-millimètre de cette échelle occupait sensiblement 25 divisions de l'oculaire; or un degré occupant sur la lige du thermomètre une étendue de 0'",008, on voit que chaque division de l'oculaire parcourue par la colonne vaut 7^ de degré.

La chaleur d'une bougie placée à une distance de 0'%50, sans écran intermédiaire, produit dans la colonne un mouvement de 7 divisions. L'instrument possède, en outre, la propriété de donner des indications dans un temps trës*court. Dans nos expériences, le temps nécessaire pour que la colonne parvint à son état stationnaire a toujours été compris entre 30' et 60'.

Pour apprécier ces faibles changements de température, il a fallu garantir l'instrument des mouvements de Tair et de l'influence calorifique de l'observateur. La figure 2 (PI. 3) représente la disposition adoptée.

Le thermomètre fixé sur un support (fig. 1) était placé en t dans une enceinte en bois exactement close ; quatre ouvertures a, 6, c, d percées dans les parois de cette enceinte étaient fermées avec des glaces.

Une lampe placée en L éclairait la tige de l'instrument à travers la glace a qui était dépolie.

L'éclairement, dans ce cas, est bien meilleur; une lentille servait à concentrer la lumière sur cette glace.

Par la glace b, on observait, au moyen du microscope M ; les rayons soumis à l'expérience pénétraient à travers la glace c, rencontraient la boule du thermomètre en t qui formait écran pour une partie d'entre eux et sortaient par la quatrième glace d.

Dans ces expériences, il était nécessaire de connaître exactement la position du thermomètre dans le phénomène lumineux soumis à l'examen ; on a satisfait à cette condition en plaçant sur le trajet des rayons à leur sortie de l'appareil d'abord une lentille m^ puis un écran blanc N à des distances relatives telles qu'il se formait sur l'écran une image nette de la boule du thermomètre; on pouvait ainsi observer sur l'écran la position du thermomètre par rapport aux franges, comme si l'écran avait été placé au lieu même occupé par le thermomètre.

Dans cette disposition, l'on voit que le thermomètre ne pouvait pas être déplacé pour explorer les diverses franges; c'était, au contraire, le système des franges qui était mobile et que l'on faisait passer sur la boule du thermomètre.

Les élévations de température observées dans ces circonstances sont

en général très-petites; parement elles atteignent ftO divisions et n'ont jamais dépassé 50; ainsi, en général, elles sont inférieures à ^ de degré. Pour des excès de température compris dans des limites aussi restreintes, on doit regarder comme certain que les excès sont proportionnels aux intensités des rayons qu'ils produisent; ainsi la mesure des élévations de température donne immédiatement les intensités des rayons.

Si la température de l'enceinte où est placé le thermomètre pouvait être maintenue parfaitement stationnaire, la mesure dont nous parlons serait facile et certaine; mais il n'en est pas ainsi, et cette température varie toujours un peu ; aussi la colonne thermométrique n'est jamais parfaitement immobile ; elle est toujours animée d'un mouvement d*élévation ou d'abaissement qui toutefois n'a jamais lieu que d'une manière lente et uniforme.

Ce mouvement propre de la colonne tantôt s'ajoute au mouvement dû à l'action calorifique des rayons, tantôt s'en retranche; mais comme il est sensiblement uniforme, il est facile de rendre son influence nulle. Pour cela, on fait deux observations : l'une par élévation, en admettant les rayons; l'autre par abaissement en les interceptant. La demi-somme des deux nombres obtenus est l'élévation de température due à l'action seule des rayons.

Les phénomènes lumineux qui ont été soumis à ces moyens d'observation sont :

1* Les franges d'interférence produites au moyen de deux miroirs inclinés l'un sur l'autre;

2** Les spectres à bandes obtenus en analysant par le prisme les phénomènes d'interférence produits dans la lumière polarisée par les lames cristallisées.

L'étude de la répartition de la chaleur dans ces spectres devait présenter beaucoup d'intérêt ; car non-seulement elle devait permettre de décider si les bandes alternativement brillantes et obscures que l'interférence y produit sont communes au spectre lumineux et au spectre calorifique, mais encore si les rayons calorifiques invisibles qui existent au delà de l'extrémité rouge possèdent, comme la lumière, la propriété d'interférer.

3» Enfin nous avons étudié également le phénomène de la diffraction produite par un bord rectîligne unique. La doctrine des interférences jouant un rôle important dans l'explication théorique de la diffraction, cette étude se rattachait naturellement à notre sujet.

1** Franges (T interférence produites au moyen de deux miroirs inclinés l'un sur Vautre. — Nous rappellerons seulement en quelques mots les conditions dans lesquelles cet important phénomène se produit, afin de pouvoir expliquer les dispositions particulières que nos recherches ont rendues nécessaires.

Lorsque l'on reçoit la lumière émanée d'une source lumineuse de petites dimensions sur un système de deux miroirs plans inclinés l'un sur l'autre sous un angle peu différent de 180% de manière à produire après la réflexion un entre-croisement des rayons réfléchis par l'un et l'autre miroir, on voit apparaître, dans le lieu de l'espace où les deux faisceaux se rencontrent ainsi, des lignes alternativement lumineuses et obscures, sensiblement rectilignes et parallèles entre elles lorsqu'on ne les observe que dans une petite étendue.

Ces franges ont une largeur particulière dans chaque espèce de lumière simple et sont d'autant plus resserrées que les rayons qui les produisent sont plus réfrangibles; il en résulte, lorsque l'on emploie la lumière blanche, un phénomène compliqué de la superposition de tous les systèmes de franges produits parles rayons simples de diverses couleurs.

Dans cette circonstance, les franges sont colorées d'une manière variée et disposées symétriquement des deux côtés d'une frange blanche centrale. Quelques essais nous ont bientôt fait voir que l'emploi de la lumière blanche était nécessaire pour produire le phénomène avec l'intensité convenable à l'étude thermbmétrique que nous voulions faire.

La grandeur des franges était une condition très-importante; il fallait qu'elles fussent beaucoup plus larges qu'elles ne sont ordinairement lorsque l'on produit le phénomène dans le but d'observer seulement les interférences des deux faisceaux ou de mesurer les longueurs d'ondulation, comme l'a fait Fresnel; car évidemment leurs dimensions devaient surpas-

ser celles du thermomètre destiné à donner la température de leurs diverses parties. Le raisonnement et l'expérience montrent que plusieurs éléments influent sur cette grandeur; d'abord la distance, à laquelle on observe le phénomène : plus on s'éloigne de l'appareil des miroirs et plus les franges se dilatent^ mais en perdant de l'intensité ; en second lieu, la distance qui sépare l'appareil des miroirs de la source de lumière : plus on diminue cette distance et plus les franges se dilatent sans perdre d'intensité, mais en devenant moins nettes; enfin l'angle que forment entre eux les deux miroirs : plus cet angle s'approche de 180° et plus les franges sont larges. Mais en augmentant la valeur de cet angle, on introduit une autre cause de complication qui dépend de la diffraction que la lumière éprouve sur les bords des miroirs; lorsque les deux miroirs sont presque dans le même plan, les deux faisceaux ne se rencontrent que dans une petite étendue, et la portion de chaque faisceau qui seule contribue à la formation des franges est justement celle qui a été réfléchie sur le bord du miroir et, par conséquent, troublée dans sa marche par l'effet de la diffraction.

Si l'on remarque que la diffraction consiste surtout en des changements considérables dans l'intensité des rayons et que le phénomène des interférences exige pour se reproduire avec netteté une intensité égale dans les deux faisceaux qui se rencontrent, on voit combien l'influence de cette cause doit compliquer le phénomène des interférences. Nous avons bientôt reconnu qu'il n'était pas possible de s'affranchir de cette difficulté et en même temps de produire des franges d'une largeur convenable; il a donc fallu renoncer à produire un système de franges et à placer successivement le thermomètre dans ses diverses parties; les résultats obtenus dans des circonstances aussi complexes eussent été peu utiles à la solution de la question qui nous occupe.

Le moyen que nous avons employé et qui nous a donné des résultats nets et réguliers est fondé sur les faits suivants :

Lorsque l'appareil des miroirs est bien réglé, la frange centrale blanche est située juste au milieu de l'espace éclairé par les deux faisceaux; dans cette position, les deux rayons qui se rencontrent se sont réfléchis à des distances égales des bords des miroirs ; malgré la dif-

fraction, ils ont donc la même intensité, ce qui est la condition la plus favorable aux interférences.

Mais au lieu de la frange centrale blanche, on peut produire dans le même lieu une frange d'un autre ordre sans changer sensiblement les autres circonstances. Il suffit de mouvoir l'un des miroirs parallèlement à lui-même d'une quantité très-petite; on établit ainsi une différence de marche entre les deux rayons qui permet de faire passer successivement les franges des divers ordres dans le même lieu; pour remplacer ainsi la frange centrale par celles des premiers ordres dont l'étude promettait le plus de résultats, le mouvement est si petit que les autres conditions peuvent être regardées comme n'ayant pas sensiblement varié.

Dans le fait, nous n'avons fait que nous rapprocher de ce cas théorique. Il est très-difficile de donner à l'un des miroirs un mouvement tel qu'il reste parallèle à lui-même ; dans l'appareil dont nous disposions, ce déplacement se compliquait d'un petit mouvement angulaire; mais en se bornant à l'étude des deux ou trois premières franges, l'inconvénient qui en résulte est insensible.

La disposition générale de l'expérience était la suivante : un faisceau de lumière solaire était introduit horizontalement dans une chambre noire et maintenu fixe au moyen d'un héliostat; afin d'avoir une plus grande intensité, on a muni cet instrument d'un prisme dans lequel la lumière subissait la réflexion totale.

Dans l'ouverture du volet de la chambre noire, le faisceau de lumière rencontrait une lentille cylindrique biconvexe de 0'",01 de foyer et placée verticalement; le foyer linéaire produit ainsi était la source de lumière. A 0'",23 de la lentille se trouvait l'appareil des miroirs, disposé de manière à produire une réflexion très-oblique. Ces miroirs étaient de petites glaces parfaitement planes, noircies à leur seconde surface. Le thermomètre placé au milieu de son enceinte et au devant du microscope était éloigné des miroirs de 2'",68.

Entre les miroirs et le thermomètre, à 0'",/i8 de ce dernier, il y avait une lentille cylindrique disposée de manière à contracter les franges dans le sens de leur longueur, afin d'augmenter leur intensité. Au delà du ther-

momètre, à 0°',33, les rayons rencontraient la lentille sphérique; enfin, à 1 mètre plus loin, l'écran blanc sur lequel venait se peindre Hmage du thermomètre et des franges dans lesquelles il se trouvait plongé.

Comme les franges colorées ne présentent pas de point de repère bien déterminé, on observait sur Técran en regardant à travers un verre rouge. Dans ce qui suit, la position du thermomètre est rapportée aux franges brillantes et obscures formées par les rayons rouges; mais c'étaient toujours les franges produites par la lumière blanche qui étaient reçues sur Tinstrument, excepté dans un cas dont nous parlerons plus loin.

L'observation a donné les résultats suivants :

Dans la première frange brillante ou centrale, la colonne du thermomètre monte.

Dans la première frange obscure, elle redescend, mais d'une quantité inférieure à celle dont elle avait monté dans la frange centrale.

Dans la seconde frange brillante, elle monte de nouveau, mais beaucoup moins que dans la première.

Dans la seconde frange obscure, elle baisse, mais d'une manière à peine sensible.

Dans la troisième frange brillante, elle continue à baisser d'une petite quantité.

Il n'a pas été possible d'aller plus loin, et déjà pour ces dernières franges le déplacement subi par le miroir trouble le phénomène d'une manière sensible, car le thermomètre ne se trouve plus exactement au milieu de l'espace où les deux faisceaux s'entre-croisent, et même l'entrecroisement des faisceaux a changé par l'effet du mouvement angulaire dont nous avons parlé. Mais pour les trois premières franges, le résultat obtenu nous parait à l'abri de toute difficulté; les expériences ont été répétées à plusieurs reprises avec quelques différences dans la disposition des pièces, et le résultat a été très-régulièrement Je même ; en faisant passer successivement sur le thermomètre les trois premières franges, on fait monter, redescendre et monter de nouveau la colonne et le minimum correspond à la frange obscure.

Le tableau suivant renferme les élévations de température observées

sous rinfluence de ces diverses franges d'après la méthode rapportée plus haut, et dans trois circonstances différentes. La série  a été obtenue avec la disposition que nous venons de décrire : le thermomètre occupait environ le quart de la frange centrale. Pour la série B, on a dilaté ces franges au moyen d'une lentille cylindrique divergente placée après les miroirs, ce qui a produit une diminution d'intensité. Enfin la série C a été obtenue dans les mêmes conditions que A, mais avec l'addition d'un verre rouge qui ne laissait passer que les rayons les moins réfrangibles.

3e 1 POSITIONS

^ DU TBBRVOMfeTRB RAPPORTÉES

BRILLANTE