Découverte du renversement des raies par Foucault

L'arc électrique que l'on obtient entre des charbons, à l'aide d'une pile puissante, donne un spectre sillonné dans toute son étendue d'une multitude de raies lumineuses irrégulièrement groupées. En examinant ce spectre, Foucault (l) y remarqua une ligne double très-éclatante correspondant exactement à la raie D du spectre solaire. Ayant fait tomber sur l'arc une image solaire formée par une lentille convergente, afin de superposer le spectre électrique au spectre solaire et de constater la coïncidence de ces deux raies, il vit que la raie D de la lumière solaire se renforce considérablement quand les deux spectres se correspondent exactement. Quand, au contraire, ils débordent l'un sur l'autre, la raie D apparaît plus noire qu'à l'ordinaire dans la lumière solaire et se détache en clair dans la lumière électrique. Ainsi l'arc est un milieu qui émet pour son propre compte les rayons lumineux qui correspondent à la raie D et qui, en même temps, les absorbe lorsque ces rayons proviennent d'une autre source. C'est le principe du renversement des raies dont M. Kirchhoff a tiré depuis un si grand parti pour déterminer la constitution chimique du soleil et des étoiles. Foucault fit ensuite volatiliser dans l'arc électrique des métaux différents qui donnèrent chacun un système particulier de raies ; dans l'arc de l'argent en particulier, il trouva une raie verte pour ainsi dire ingrossissable par les prismes et d'un éclat éblouissant, à laquelle on peut donner autant d'éclat qu'on le veut, et qui peut être utilisée dans les expériences d'optique comme une véritable source de lumière simple.

Despretz (2) a constaté que la position des raies brillantes dans le spectre de l'arc électrique est complètement indépendante du nombre et de la disposition des éléments de la pile.

559. Expériences de Masson. — Masson publia peu de temps après (3), sur la lumière des étincelles électriques, un travail important qui ne parait pas avoir été assez apprécié.

Son appareil d'observation était un goniomètre de Babinet formé d'un collimateur et d'une lunette entre lesquels était

(*) Annales de Chimie et de Physique, 3e série, t. LYIII, p. 476. ('-) Comptes rendus de l Académie des sciences, t. XXXF, p. 418. ^5) Annales de Chimie et de Physique, 5e série, t. XXXI, p. 296, et t. XLV, p. 385.

placé un prisme, c'est-à-dire un instrument absolument identique au spectroscope si répandu aujourd'hui. Les étincelles étaient produites devant la fenle du collimateur ; on dessinait le spectre à la chambre claire ou on mesurait les déviations des raies principales.

Les décharges des machines ordinaires présentent de grands inconvénients pour ce genre d'expériences ; l'étincelle a peu d'éclat quand elle est courte et, si elle est longue, elle éclaire mal les appareils et devient très-irrôgulière. Masson s'est servi d'un condensateur que l'on chargeait d'une manière continue par une machine électrique, et qui se déchargeait de temps en temps par un micromètre à étincelles ; on obtient ainsi une lumière parfaitement fixe et d'un éclat que Ton peut accroître à volonté en augmentant la capacité du condensateur.

Masson étudia ainsi les spectres des étincelles produites entre des pôles de charbon ou entre des électrodes formés par les métaux suivants : cadmium, antimoine, bismuth, plomb, étain, fer, zinc et cuivre. Les figures 197, 198 et 199, qui représentent les spectres du cadmium, de l'antimoine et du bismuth, montrent quel est l'aspect général de ce phénomène. Le spectre de chacun des métaux est caractérisé par un système particulier de raies assez nombreuses, tantôt réparties dans toute l'étendue du spectre, tantôt concentrées en plus grande quantité dans une région, comme on le voit dans ces trois exemples. Toutefois la distinction des différents spectres n'est pas absolue, car Masson a constaté que plusieurs raies, en particulier celles qu'il a désignées par les lettres a, g, y et S, sont communes à tous les spectres observés, mais d'intensités variables.

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Masson répéta ensuite ces expériences en produisant les étincelles dans l'air raréfié ou dans des gaz différents : l'intensité de la lumière était alors variable avec la pression et la nature du gaz, mais la position et le nombre des raies n'étaient pas modifiés. Cependant, dans l'hydrogène, une raie rouge prit un éclat

Il 0 ,1

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Fis. 198.

considérable; c'était précisément la raie a qui se rencontre dans les spectres de tous les métaux.

540. Masson obtint encore les mômes résultats en volatilisant les métaux dans l'arc de la lumière électrique, puis il eut enfin recours à la bobine d'induction. Les étincelles des bobines d'induction peuvent acquérir une grande longueur, mais elles ont

Fis. 199.

en général peu d'éclat; pour augmenter l'inlensité de la lumière, Masson mit les deux pôles de la bobine en communication séparément avec les armatures d'un condensateur. Dans ces conditions, la distance explosive est considérablement diminuée ; le premier effet de l'électricité induite est de charger le condensateur, et, lorsque la différence de potentiel des deux pôles a atteint une valeur suffisante, l'explosion qui a lieu entraîne toute l'élec-

tricité maintenue en réserve sur le condensateur, de sorte que la décharge correspond à une quantité d'électricité beaucoup plus grande. Nous reviendrons plus tard avec quelques détails sur le rôle du condensateur appliqué aux bobines d'induction. Cette nouvelle méthode a donné des spectres caractérisés parles mêmes raies, de sorte que Masson était autorisé, comme M. Wheatstone et à la suite d'expériences plus complètes, à terminer son mémoire par la conclusion suivante :

« La constitution des spectres électriques est pour une même substance, employée comme pôles, indépendante de la source électrique et du milieu dans lequel jaillit l'étincelle (*). »

M. Grove (2) et M. Poggendorff (5) eurent aussi, à la même époque, l'idée d'appliquer le condensateur à la bobine d'induction afin d'en tirer des étincelles très-éclatantes.

Pour obtenir par ce moyen une grande quantité de lumière, il faut augmenter autant que possible le débit d'électricité, afin de pouvoir accroître beaucoup la capacité des condensateurs. On emploie, par exemple, une puissante bobine d'induction capable de donner des étincelles de 50 à 40 centimètres, puis, comme courant inducteur , une pile composée d'un nombre d'éléments double de celui que peut supporter l'appareil quand on veut tirer de longues étincelles, ce qui n'offre ici aucun inconvénient, et l'on fait communiquer les pôles du fil induit avec les armatures d'une batterie assez grande pour que la dislance explosive soit réduite à quelques millimètres. Dans ces conditions, on obtient une succession rapide de décharges éclatantes; la lumière est assez vive pour que le spectre puisse être projeté sur un tableau et rendu visible à un nombreux auditoire.

541. Caractères spectroscopiques des différentes formes de la

décharge. — Si l'on veut se borner à étudier les spectres des métaux par l'étincelle électrique et faire la table des raies avec un spectroscope, il n'est pas nécessaire d'avoir un aussi grand éclat et l'on peut se servir d'une bobine de dimensions moyennes. C'est là le procédé généralement employé depuis les mémorables tra-

(l) Annales de Chimie et de Physique, 5e série, t. XLV, p. 410.

(-) Phil. Mag., 4° série, t. IX, p. 1. — Annales de Chimie et de Physique, 5e série, t. XL1II, p. 579.

(5) P°9(J' Annal., t. XCIV, p. 5 '25. — Annales de Chimie et de Physique, 5e série, t. XLIV, p. 382.

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vaux de MM. Kirchhoff et Bunsen sur l'analyse spectrale. Mais, sans insister sur ce point qui sort de notre cadre, on peut chercher dans l'élude du spectre un moyen de distinguer les différentes formes de la décharge. Malheureusement, nous n'y trouverons pas encore de caractères nettement tranchés.

Ainsi, quand on examine les spectres des étincelles proprement dites ou des traits de feu, on aperçoit les systèmes de raies caractéristiques des métaux qui servent d'électrodes, mais en même temps il y a dans ces différents spectres des raies communes qui appartiennent au milieu ambiant. Quand on diminue la longueur de l'étincelle, tout en augmentant la quantité d'électricité, les raies des métaux deviennent plus prédominantes, mais sans faire disparaître entièrement celles du milieu ambiant, ce qui est à prévoir puisque ce milieu s'échauffe aussi sur le trajet de la décharge.

La lueur électrique, au contraire, celle en particulier que l'on obtient dans les tubes de Geissler, est absolument indépendante de la nature des conducteurs. Le spectre de cette lueur se modifie d'une manière considérable quand on change les dimensions des tubes, la pression du gaz, la puissance de la décharge et diverses conditions de l'expérience, mais il est toujours caractéristique du gaz employé. Cette complication du spectre des gaz ordinaires et la difficulté de les obtenir purs à des pressions aussi faibles rend ce genre de recherches très-délicat, et, malgré le nombre déjà considérable de travaux qui ont été publiés sur ce sujet, la question des spectres des gaz ne paraît pas encore bien élucidée.

Quant à Yaigrettc, qui se trouve placée par son aspect entre les deux autres formes de la décharge, elle possède aussi un spectre intermédiaire. On y voit en même temps des raies du gaz ambiant et d'autres raies appartenant aux métaux des électrodes. Suivant que la forme de l'aigrette elle-même se rapproche de celles de la lueur ou de l'étincelle, il y a prédominance des raies du gaz ou des raies du métal.

512. On sait que la lumière du soleil possède, outre les rayons lumineux ordinaires, des rayons uniquement calorifiques qui constituent un spectre moins réfrangible que le rouge, et des rayons dits chimiques ou ultra-violets qui se manifestent surtout

par leur action sur les substances facilement décomposables, comme le chlorure d'argent, et forment un spectre plus réfrangible que le violet. Les rayons infra-rouges n'ont guère été observés que par leurs effets calorifiques, mais la remarquable propriété qu'ils possèdent, comme l'a montré M. Ed. Becquerel, de continuer des actions chimiques déjà commencées par les rayons lumineux, permettra sans doute de les étudier avec plus de précision ; en tout cas, on a constaté qu'ils occupent dans les spectres de réfraction une étendue à peu près égale à colle des rayons lumineux. Les rayons ultra-violets, pour lesquels on peut prendre comme point de départ la raie H de Fraucnliofer, ne sont pas invisibles; en habituant l'œil à une obscurité profonde et prenant quelques précautions contre tout accès de lumière étrangère, on les aperçoit presque aussi loin que la photographie peut les saisir (*), mais ce dernier procédé est beaucoup plus commode et donne des résultats aussi précis que l'observation des rayons lumineux par la vision directe. La partie ultra-violette du spectre solaire a aussi une étendue à peu près égale à celle du spectre lumineux.

Les spectres de la lumière électrique ne présentent rien de particulier quant aux rayons calorifiques, mais ils sont en général remarquables par la grande étendue et l'intensité des rayons ultra-violets. M. G. Stokcs et M. W.-A. Miller (2) ont constaté que l'arc électrique produit parles piles donne un spectre très-étendu si l'on a soin d'employer, pour les observer, des prismes et des lentilles en quartz ou mieux en spath d'Islande, qui sont les substances les plus transparentes pour ce genre de radiations. L'étincelle électrique des condensateurs jouit delà môme propriété, et j'ai pu obtenir ainsi entre deux électrodes de cadmium, par exemple, et avec un prisme en spath, des spectres chimiques G ou 7 fois plus étendus que le spectre lumineux (5).

54û. Modifications du spectre des étincelles électriques. —

Cette circonstance mérite de fixer un instant l'attention. D'après la théorie de M. J. W. Draper (4), généralement adoptée et en

(*) Comptes rendus de V Académie des sciences, t. LXVIII, p. 402. (2) Pkil. Iransact. (18G2), part. II, p. 599 et 861. (5) Annales scientifiques de V École normale, lre série, t. IV, p. 22. ('*) Pkil. Magas., 3e série, t. XXX, p. 345.

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partie confirmée par l'expérience, on admet que les premières radiations émises par un corps que l'on échauffe peu à peu sont d'abord simplement calorifiques, peu réfrangibles et caractérisées par de grandes longueurs d'onde. A mesure que la température s'élève, en môme temps que l'intensité des premières radiations augmente, il s'en manifeste de nouvelles dont la longueur d'onde diminue de plus en plus, et dont la réfraction augmente d'une manière régulière. Ces nouvelles radiations deviennent bientôt lumineuses et finissent ensuite par envahir le spectre chimique. Toutes choses égales d'ailleurs, la richesse d'une source de lumière en radiations chimiques, ou à courtes longueurs d'onde, est d'autant plus grande que la température est plus élevée. Il semblerait résulter de là que la température des vapeurs rendues incandescentes par les décharges électriques doit être notablement supérieure à celle du soleil, puisque ces vapeurs possèdent un spectre chimique plus étendu ; car les conditions sont tout à fait comparables à cause des vapeurs métalliques qui existent en grande abondance à la surface du soleil. Cette proposition n'a rien en soi de contradictoire ni même d'improbable; on ignore, en effet, quelle peut être la température des étincelles et Ion admet volontiers que la température du soleil n'est pas hors de proportion avec celles que l'on peut réaliser dans les expériences de laboratoire. Néanmoins, l'absence de rayons très- réfrangibles dans la lumière qui nous vient du soleil ne sufiit pas pour résoudre cette question, car il est possible que ces rayons, s'ils existent, soient en très-grande partie absorbés par l'atmosphère terrestre et ne puissent parvenir jusqu'à nous, du moins sans avoir été transformés.

544. Toutefois la multiplication des radiations émises par une source de lumière ne se fait pas exactement dans l'ordre indiqué par M. Draper, au moins quand il s'agit de vapeurs incandescentes, comme les gaz qui brûlent sans donner de produits solides, ou les corps volatilisés par l'électricité. Quand on volatilise un sel de soude dans un chalumeau à oxygène (*), on constate d'abord dans le spectre, à mesure que la température s'élève, 5 ou 6 groupes de raies de couleurs différentes, tout à fait ana-

(*) Cotnples rendus de V Académie des sciences, t. LXIX, p. 557.

logues à la double raie D qui caractérise seule la présence du sodium dans les flammes à température peu élevée; puis la lumière générale augmente de plus en plus et le spectre s'illumine dans toute son étendue. On obtient exactement les mêmes effets avec une étincelle électrique entre deux métaux, quand on augmente la puissance de la décharge : les raies observées à une température inférieure deviennent plus éclatantes, mais d'une manière très-inégale, et il en apparaît successivement de nouvelles qui se distribuent très-irrégulièrement dans toute l'étendue du spectre, de sorte que l'espace a une tendance manifeste à se couvrir entièrement Je lumière et à prendre l'aspect du spectre continu que donnent les corps solides incandescents. Ainsi M. Frankland (*) a constaté que la flamme de l'hydrogène, dont la lumière est si faible dans les conditions ordinaires, acquiert une intensité considérable quand ce gaz brûle dans l'oxygène à la pression de 10 atmosphères, et fournit alors un spectre parfaitement continu du rouge au violet. De même, la décharge de la bobine d'induction acquiert un accroissement d'éclat très-marqué quand on la fait passer au travers d'un gaz tel que l'air, l'hydrogène ou l'oxygène à une pression de 2 ou 5 atmosphères. M. Cailletet (2) a constaté aussi que, si l'on produit une étincelle dans un gaz dont on augmente graduellement la pression jusque vers 40 ou 50 atmosphères, les raies prennent bientôt un éclat inattendu, puis s'élargissent, s'estompent, et finissent par se dissoudre dans le champ du spectre, devenu brillant, vivement coloré et continu.

Ajoutons encore, pour terminer, que dans les tubes à gaz trèsraréfiés le phénomène présente une nouvelle complication. Le spectre d'un même gaz, comme l'ont montré en particulier les expériences de MM. Plucker et Hittorff (5), peut présenter des apparences très-différentes suivant la partie de l'étincelle que l'on observe, la manière d'exciter la décharge, la pression du gaz et même la forme du tube; mais ce genre de recherches présente, comme nous l'avons déjà dit, de très-grandes difficultés.

(*) Annales de Chimie et de Phijsique, ¥ série, t. XVI, p. J05. (2) Comptes rendus de V Académie des sciences, t. LXXIV, p. lk282. (5) Proceedings ofthe royal Society, vol. XIII, p. 155. — Annales de Chimie et de Physique, 4e série, t. II l, p. 505.

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545. Enfin, il n'est pas nécessaire, pour observer les spectres des substances métalliques volatilisées par l'étincelle électrique, d'employer les métaux eux-mêmes comme électrodes, et Ton peut recourir aux dissolutions salines. Masson avait observé que les décharges électriques dans les liquides donnent un spectre continu, au moins quand on n'a pas recours à la lumière des piles; M. Daniel (l) s'est assuré que, si l'on supprime alors les appareils de condensation pour diminuer l'énergie de la décharge, on retrouve dans le spectre les raies des électrodes et, dans certains cas, avec des solutions métalliques par exemple, des raies qui appartiennent au liquide lui-même ou aux substances qu'il tient en dissolution. Les raies caractéristiques des métaux dissous deviennent tout à fait prédominanles si l'on provoque l'étincelle, comme Ta indiqué M. Ed. Becquerel, entre deux électrodes dont l'une est noyée dans le liquide à une petite profondeur, l'autre à l'extérieur et très-près de la surface.

Nous n'insisterons pas davantage sur cette question, parce que l'analyse spectrale est devenue une véritable science déjà trèsétendue aujourd'hui, et qu'une revue même rapide des principaux résultats auxquels a conduit l'application des phénomènes électriques nous éloignerait trop de notre sujet.

(') Comptes rendus de V Académie des sciences, t. LVII, p. 98.