SPECTRES DES SOURCES LUMINEUSES

. Production d'un spectre pur. — Pour obtenir un beau >, on emploie un prisme bien taillé et bien homogène; on le rès près do l'ouverture qui laisse pénétrer les rayons solaires a chambre noire et on éloigne l'écran à plusieurs mètres, est plus brillant si la petite ouverture circulaire par laquelle le ^Bamineux est admis est remplacée par une fente rectangu-

•eNMliuii duo & uuo couleur ua sullit pns pour eu fixer I» compoiilion. Divers t éveillent lu mdmo scnaatiun.

laire étroite S parallèle à l'arête réfringente du prisme. Mais, dans tous les cas, le faisceau incident est divergent, il en est de même des divers faisceaux colorés réfractés et les taches lumineuses données flur l'écran par les divers rayons colorés que disperse le prisme empiètent les unes sur les autres ; pour cette raison, les couleurs ne «ont ainsi que très imparfaitement séparées.

On obtient un spectre pur, c'est-à-dire où les couleurs sont le mieux séparées, par la disposition suivante (fig. 557) :

Les rayons, admis dans la chambre noire par une fente rectangulaire très étroite S, tombent sur une lentille convergente L placée à une distance de la fente supérieure à sa distance focale principale.

Sur un écran qui occupe le plan conjugué de la fente par rapport à la lentille, on obtient une image réelle S'. Un peu au delà de la lentille, on dispose un prisme P, ayant son arête réfringente parallèle à la fente et orienté dans la position du minimum de déviation pour les rayons jaunes. Au sortir du prisme, chacune des couleurs du spectre donne une image conjuguée de la fente. Ces images forment un spectre RV étalé perpendiculairement à la fente, et elles empiètent d'autant moins les unes sur les autres que la fente est plus fine. Si la lentille est distante de la fente de 2/°, la distance de la lentille à l'écran est également 2f, et les diverses images colorées de la fente •ont des dimensions égales à celles de la fente (675).

Au lieu de recevoir le spectre sur un écran, on peut examiner avec une loupe l'image réelle du spectre.

Le prisme peut aussi être placé en avant de la lentille. La figure 558 représente dans ce cas la marche des rayons.

Les rayons d'une couleur quelconque divergent d'un point du spectre virtuel vr de la fente. Ces rayons divergents sont rendus convergents par la

OPTIQUE 545

[lentille qui donne de r une image réelle rouge en R, tic u une image rdello

Fig. ;.58.

Ȕolettc en V. Les images V et R s'olitiennent en joignant u et r au bentre F<nptii|iio C de la lentille.

707. Raies du spectre solaire. — Quand on produit un spectre Itolaire très pur, on reconnaît que ce sperlre n'est pas absolument ponlina. H présente des intervalles obscurs très étroits et très nombreux, parallèles à larôte réfringente du prisme et irrégulièrement

'distribués. Ces raies noires sont connues sous le nom de raies de

Fraanhofer qui en a distingué 10 groupes principaux : A, B, C, D,

l, F, G, H et a, i ; A et a, B et C dans le rouge, D entre l'orangé et

Se jaune, E entre le jaune et le vert, Zi et F dans le vert, G entre le

Ifcleu et l'indigo, II à l'exlrôme violet. On compte actuellement plu-.

■leurs milliers de raies noires très fines dans le spectre solaire.

Pour une même substance réfringente, chacune des raies occupe jtoujuurs la mùme position dans le spectre et correspond par conséaent toujours au même indice de réfraction,

708. Propriétés lumineuses, calorifiques et chimiques du Spectre solaire. — L'intensité lumineuse des diverses parties du

ectre est variable; c'est vers le milieu du jaune, dans la région bomprise entre les raies D et E que se trouve le maximum d'éclat. Les ofTcts lumineux du spectre solaire sont accompagnés d'effets tlorificfues. En promenant le long du spectre un petit thermomètre sensible ou une pile thermo-électrique étroite, on observe une élévation de température dans tout le spectre visible, allant en croislanl du violet au rouge. L'eiïot calorifique se prolonge en deçà du touge, ce qui démontre l'existence do rayons invisibles moins réfrangibles que le rouge, ayant une action calorifique (476). Dans cette .partie Inft'a rouge du spectre on a constaté aussi l'existence de Dombreuses raies.

Les rayons solaires exercent des actions chimiques. On connaît de

CODRS DE PHYSIQUE

nombreuses substances sensibles à l'action de la lumière. On peut citer certains sels métalliques et spécialement le chlorure d'argenl qui, sous l'influence des rayons solaires, change sa couleur biauctu contre une couleur ardoisée due à la production d'argent très divisé résultant de la décomposition du chlorure. Si l'on expose aux rayoo» d'un spectre une feuille de papier couverte d'une mince couche <J« chlorure d'argent, on la voit noircir depuis le jaune jusqu'au violet.; les rayons rouges et infra rouges n'exercent pas d'action sensibi*- La décomposition se poursuit au delà du violet dans une parlie infj"*sible du spectre appelée ultra violette. Les raies noires du spect-x^ visible et du spectre ultra violet sont inactives : elles se dessinent ^n blanc sur le fond noir altéré par les rayons actifs.

Kifc'. i:.u.

La figure 559 représente la répartition dans un spectre pri'j!/n,i^'(jri des effets calorifiques, lumineux et chimiques dus au rayonneme; solaire (724). La courbe de droite correspond au spectre chimiqa la courbe de gauche au spectre calorificjue, la courbe intermédiat comprise entre les raies A et H au spectre lumineux. Les ordonnéi des courbes sont proportionnelles aux effets (les courbes varient avela nature du prisme).

Bien que les radiations les moins réfrangibles soient plus apte* produire des effets calorifiques, et les radiations les plus réfrangibii à exercer des actions chimiques, il n'y a pas lieu de considérer trois espèces de radiations : calorifiques, lumineuses, chimiques. En effet, les rayons de réfrangibilité moyenne (entre E et II) produisent & la fols les trois effets et ces trois effets sont inséparables: toute diminution de l'un de ces effets pour une radiation déterminée est accompagnée d'une diminution proportionnelle des deux autres (486).

709. Spectroscope. — L'observation des spectres des différentes sources lumineuses se fait au moyen du spectroscope. Un spectros-

OPTIQDE

l'ûpe comprend un collimaleur, un prisme, une lunette astronomique et an mi'cromè/re (fig. ôGO).

Le collimateur L consiste en un tube portant à une extrémité une fenw verticale qu'on éclaire avec la source dont on veut étudier le spectre. Celle fente est placée au foyer principal d'une lentille convergente montée à l'autre extrémité du tube. Les rayons de la source G ^ui ont traversé le collimateur sortent de la lentille parallèlement à son axe principal "' et tombent sur un prisme dont les arêtes sont parallèles aux bords de la fenle du rollimaleur. Le prisme est disposé *o centre d'un cercle horizontal et orienté au minimum de déviation pour la partie moyenne du spectre.

Kig. 5fii>.

Fig. 5BI.

l-es rayons réfractés par le prisme tombent sur l'objectif d'une lunette astronomique L' dont l'axe, comme celui du collimateur, ^st dirigé suivant un des rayons du cercle horizontal.

Un spectre réel de la fente éclairée par la source se forme dans le plan focal principal de l'objectif de la lunette astronomique ; on l'ob- '^''^e avec l'oculaire o de la lunette, qui en fournit une image virtuelle (073).

y J Ce b'mI qns lorsqna l'angla du rayons eztrAmM qai tombent lur un prisme e*t nJ^ P«tit que les rayon* réfractés divergent approximalivement d'un point r (fig. hii). ^t^^^^ff réelle, obtenue en K, est donc d'autant plus parCtite que les rayons incidents 1^,,^^ plus voisins d'Otra parnlIAIes. On remplit cette condition en éloignant la fente du '^c nii mieux en faisant usage d'un collimateur.

COUHS DE PHVSIQLE

Les différentes régions du spectre sont repérées par rapport aux divisions d'un micromètre. Ce micromètre est une lame de verre sur laquelle sont tracés dos traits fins parallèles à la fente ; celte lime. placée à l'extrémité d'un tube L" au foyer principal d'une lentille, est éclairée par une bougie F.

Le faisceau de rayons parallèles qui sort de ce deuxième collimateur se réfléchit sur la face ab du prisme qui regarde la lunette etlombc sur l'objectif de cette lunette dans la même direction que les rayoM réfractés par le prisme (fîg. 5GI).

L'observateur voit à la fois dans le plan focal de la Innetlo, l'm ao

desnus de l'autre, le micromètre diviséetlespectre du faisceau disfierso.

Dans certains cas, pour établir des comparaisons très précises, il

est commode d'observer simuiUnément les spectres de deux lumières.

Les rayons de l'une des lumières G pénètrent directement par la mo»tié inférieure de la fente du collim»" teur, l'autre lumière il éclaire lat^ ralement un petit prisme à réflcxi*^* totale I, appliqué sur la rooï*^ supérieure de la fente (fig. 562). L-*^ deux spectres sont vus l'un audess de l'autre dans le plan focal de lunette, les régions de même réfrangibilité étant superposées.

itr^

Fig. 5fi2.

710. Différents types de spectres. — On distingue trois lyp^^** de spectres :

1" Spectres continus sans raies. — Ce sont les spectres dess^^ lides et des liquides incandescents. Au rouge naissant, vers 500*, lei^ spectre ne contient que des radiations rouges et infra rouges, grande longueur d'onde ; des rayons plus réfrangibles s'ajoutent mesure que la lempéniture s'élève; le violet appnraît à la tempéralu blanche <'\ Les llammes des becs de gaz, de l'huile, d'une bou

(t) L'iioergie tut&lv rayonaée par ud« stiui-ce lumioeuse comprend nna énergie* & la fois lumineuse et calorifique et une énergie calorifique obscure. Celle-ci ne » qu'à éclLiuffcr l'air ambiant. iMais aux lenipéiaturcs élevées, l'énergie lumineuse n' qu'une petite fraction de l'énergie totale, car les radiution.4 obscures infra rûa\ BagtnonlenI d'intensité à mesure que le spectre s'ét«nd vers le violet. L<a rCMi luniineii,r, o'e«t-îi-diri' le rapport entre l'énergie lumineuse et l'énergie totale augm quand la tompénitnre s'élève, mais il reste bible. Il n'est que 0,04 pour an» lam] gaz, 0,1 pour une lampe électrique à incandosceoce, 0,2 pour une lampe électrique â a D'après cela, il est évident que loi procédés d'éclairage sont susceptibles de grac— — -* perfectionnements au point de vue économique.

OPTiyUE

I spectres continus : c'est le spectre du charbon incundesision dans la tliimme. Les charbons de l'nrc vollaïque, 3èctriques à incandescence sont aussi des sources à ontinus. La lumière rayonnée par ces sources comprend hfinité de radiations simples qui se succèdent sans interans ces spectres, la partie infra rouge et la partie ultrn Dl continues comme la partie lumineuse, si grande que soit Il du spectre. La flamme d'un bec de gaz dans lequel on fait excès d'air ne donne plus de spectre lumineux, lorsque la p du charbon en suspension dans la flamme est complète I).

WB continus sillonnés de raies noires. — Le spectre solaire risé par des raies noires très fines et très nombreuses. La la I<une et des planètes n'est que de la lumière solaire rée donne le même spectre avec les mômes raies. Le» étoile» t dites présentent des spectres continus, sillonnés de raies différente* des raies du spectre solaire.

très discontinus. — Les flammes qui ne contiennent pas de •olides, donnent un spectre discontinu, forme >

Ipioeuses isolées, séparées par de larges in- ■Bcars'*'. Tels sont les spectres de ga: rare- ■ l'incandescence par le passage d'étincelles l Pour obsen-er ces spectres, on enferme un pe pression de quelques millimètres dans un are terminé par deux renflements où passent tine sondés (fig. 563j. La partie capillaire speclroscope : eDe s'illumine viTement i jaillir dans le tube par les fib a et ib les mie bobine d'induction ; arec l'hydrogèM, •enleiDent.

les t^pean mélaUiqaei incaades- Am spectres discontinus.

ies métalliques. — En éclairant la teoU ! avec U flamme très cluode et à peine kbec BoBsea. on n'obtient pas de spectre. Si l'oa introdsit

Fig *».

r> ^tzM râiaMid* «amctra i

cialement les rayons qu'elle a la propriété d'émettre (485). C( relalion entre l'absorption et l'émission se démontre par l'expérieiiM' suivante.

Si l'on reçoit directement sur la fente d'un spectroscope la flamint d'un bec Dunsen contenant un sel de soude, le spectre lumineux n présente que la double raie jaune caractéristique du sodium.

Éclairons par un prisme latéral à réflexion tolale la fente du spectroscope avec la lumière Drummond [ch&ax rendue incandescente ptr la combustion du gaz d'éclairage dans l'oxygène), nous observons au-dessous du spectre du sodium un spectre continu . Entre la chaui incandescente et le prisme à réflexion totale interposons une flamme d'alcool contenant un sel de soude : nous voyons apparaître daDS le

tVJ.v^.^-

Fig. àG4.

spectre une double raie noire exactement en prolongement des i^ raies brillantes du sodium. Parmi toutes les radiations émises psf^ chaux incandescente, la vapeur de sodium a donc arrêté préciscm* les radiations qu'elle émet elle-même.

On réalise dans un cours cette expérience du renversement delî'*'* du sodium en formant sur un écran, comme le montre la figure 56i." spectre d'une fente F éclairée par la lumière Drummond. Dans" flamme d'un bec Bunsen h on brille un fragment de sodium : lar**! apparaît en noir dans le spectre S primitivement continu.

716. Origine des raies du spectre solaire. — Le glo** solaire serait une masse incandescente présentant un spectre coo"""' entourée d'une atmosphère dont la température est moin* élevée «p" celle du noyau. Celte atmosphère renferme des vapeurs qui absorlie"

OPTIOUB

idiatidns qu'elles ont la propriété d'émettre. Si l'on reçoit à la 709, dans un spectroscope (à l'aide du prisme latéral à réflexion ')le spectre d'une flamme chargée de sudium et le spectre solaire, tconuait que la double raie sombre D du spectre solaire est le ngemenl rigoureux de la double raie brillante du sodium. On se 'e ainsi conduit à admettre la présence de la vapeur du sodium l'atmosphère solaire. La présence de l'hydrogène, de Vhélium, odium, du baryum, du fer, du magnésium, du zinc, du )/, etc., à l'état gazeux dans l'atmosphère solaire résulte de la irdancc entre les raies brillantes de ces métaux en vapeur et kines raies noires du spectre solaire. L'absence de concordance lenser que le lithium, le strontium, l'aluminium, l'argent, etc., krenl pas dans la composition de l'atmosplière solaire.

lune et les planètes réfléchissent la lumière solaire et donnent le le spectre que le Soleil. Les étoiles donnent des spectres diiïérents. ipectre des nébuleuses non résolubles est formé de raies bril-

; ces nébuleuses doivent donc être formées de gaz incanlents.

17. Raies telluriques. — Après avoir éprouvé des absorptions iversant les vapeurs de son atmosphère, la lumière solaire en ve encore par son passage à travers l'atmosphère terrestre. On en effet certaines raies du spectre solaire augmenter de largeur intensité quand le Soleil est voisin de l'horizon et que ses rayons Brsent une couche d'air plus épaisse. Les raies noires du spectre re qui résultent d'absorptions par l'atmosphère terrestre sont raies telluriques ; il y en a qui sont dues 'a l'absorption par gène de l'air ; un grand nombre sont dues à l'absorption par la Br d'eau de notre atmosphère, on les reconnaît à leur coïncidence les raies d'absorption que produit une couche épaisse de vapeur I dans le spectre continu d'une source artiflcielle.

i8. Phosphorescence. — Certains corps, après avoir été éclairés, propriété de continuer à émettre des radiations lorsque la, ire a cessé d'agir sur eux. Ces corps sont dits phosphorescents. fsyons les plus réfrangibles, violets et, ultra violets, sont habi-

raent ceux qui produisent la phosphorescence. La plupart des tances, sauf les métaux, se montrent phosphorescentes. La durée émission lumineuse après l'éclairement dépend do la nature du

; elle n'est quelquefois qu'une très petite fraction de seconde, elle

atteint plasieurs heures pour certains sulfures de baryum, ealatm, strontium.

Flaorescence. — La fluorescence diffère de la phosphorescence ei ce que les substances fluorescentes n'émettent de lumière que pédant leur éclairement. Les rayons actifs sont spécialement les rayons très réfrangibles et la lumière émise est moins réfrangible que 11 lumière active. Parmi les corps fluorescents on peut citer le t/iatt fluor qui a donné son nom au phénomène, le verre coloré en jaune par l'uranium, la solution de sulfate de quinine, etc.

La phosphorescence et la fluorescence résultent d'une absorption de radiations suivie d'une émission par les molécules du corps i!e radiations moins réfrangibles que les radiations qui ont agi.

LBNTILLBSIACHROMATIQUBS

719. Nous avons vu qu'une lentille convergente concentre, ap"*** réfraction, en des foyers conjugués distincts (697), les rayons diverses couleurs issus d'un même point lumineux, le foyer vi ^^ étant plus rapproché de la lentille que le foyer rouge.

Fig. r>6j.

Fig. 566.

L'efl"et est le même avec une lentille divergente : le foyer virtii« violet correspondant à un point lumineux de lumière blanche est pi"' voisin de la lentille que le foyer rouge.

Une lentille, quelle qu'elle soit, disperse donc les foyers conjuga^^ de diverses couleurs d'un point sur une petite longueur vr, dont les foyers rouge et violet sont les points extrêmes (fig. 565).

La séparation des images de différentes couleurs conduit à des images aux contours irisés. Considérons en effet un objet AB, les images de différentes couleurs d'un point B se font sur le même ax*

secondaire BC, car la position du centre optique est indépendante de la couleur, mais ces images sont espacées de Y en R ; il se fait autant d'images difTérentes de l'objet qu'il y a de couleurs, et ces images se trouvent dans des plans conjugués diiïérents, le plan conjugué violet étant plus rapproché de la lentille que le plan conjugué rouge. D'un ïiol 0 on voit donc les images V, J, R dans des directions difTérentes Kg. 566), l'image paniit blanche au centre et irisée sur les bords ; la été est en outre diminuée par ce fait que les images observées ans une même direction OM ne sont pas les images colorées d'un Dèiue point puisqu'elles ne correspondent pas à un même axe secon-

On corrige à peu près complètement cette dispersion des images produite par la réfraction ou cette aberration de réfranglbUité en assemblant deux lentilles de substances différentes, de courbures convenablement choisies. On appelle achromali<iut' un système réfringent donnanti des images sans irisations.

Une lentille achromatique convergente est formée de deux lentilles : l'une C, convergente en crotcn (/lass (silicate de potasse et de chaux i>naloguc au verre ordinaire], l'auli'e F, divergente, plus faible, en

Fig. .Sh7 Fig. D08.

•"'(//iWi (plus dispersif, une partie de I;i chaux est remplacée par de oxyde de plomb), celte seconde lentille recouvrant exactement une ^88 faces de la première (fig. 567).

Oupeutconcevoircomraent ~^-

"* «.VDIi^mc C8t siuceptiblc "*•'<! acttroinatiquc.

'^'^nsid^rons en premier ueii une ieiilillc convergente '^«vani les rayons d'un P*""! P Bilii«} sur Bon iixo '"■'"cijiaJ (fig. 568) : Ifs rayons '*''ttClés rouBcs t't violets «oovcrgeni en U ci en V.

/il

Fig. 580.

Considérons, en second lieu, une lentille divergente recevant un rayon convergent (689,2») suivant SP,, (Pi entre le deuxième foyer principal et 1» lentille) (fig. 569) : les foyers conjugués du point P| s'étaleront entre R m V, et le rayon rouge sera cette fois le moins écarté de la lentille parce qu'il est le moins dévié.

Assemblons une lentille convergente et une lentille divergente (fig. 570). V et R seraient les deux points où les rayons violet et rouge issus de P viendraient rencontrer l'axe après avoir traversé la première lentille seule; la deuxième lentille portera R en P' ; mais on conçoit que le foyer V qui doit être, dans cette seconde réfraction, plus écarté que le foyer R, pourra aussi être reporté en P'.

Fig. 5"0.

Avec deux lentilles de tnâme substance, les deux foyers conjugués V et K ne pourraient être reportés en un même point P' sans que les foyer» des autres couleurs fussent en même temps amenés exactement en coïncidence en P', mais comme un systèrne homogène ne peut produire de déviatio" sans dispersion, la déviation serait annulée et le système cesserait d'êti* convergent.

Il faut donc pour que le système reste convergent que les deux lentil^** soient de substances différentes; on démontre alors qu'il est possible ^ choisir ces substances de manière à amener exactement en coïncidence ^^ foyers définitifs de deux couleurs quelcomjues, mais de deux couleurs set»^^ ment ; une dispersion subsiste donc, mais elle est très petite et d'ordini»-*'^ négligeable, quand l'achromatisme a été réalisé pour le bleu et l'orangé,

La distance focale F du système des deux lentilles (689,2") est don *^' par la relation

f étant la distance focale de la lentille convergente de crown et /'la ^^^' tance ftioale de la lentille divergente de flint.

Lorsqu'un système déterminé aura les mêmes foyers principaux p^^ l'orangé et le bleu, les foyers conjugués orangé et bleu correspondant àb- * foyer lumineux quelconque seront aussi en coïncidence.

■pr = vr, les é<[uations

ée

Si, en efl'et, on a

p'^po'

etl + -L = P Pi'

doiuieront pour un même point de distance p des valeurs égales p'a etp'a

OPTIQUE

est l'emploi des lentilles achromatiques qui rend possible la traction des puissantes lunettes astronomiques et des raicros- B de fort grossissement.