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RX
Pour démontrer que l'intégrale (3) est nulle, considérons seulement l'intégration relative à £. Il est facile de voir qu'on a, identiquement,
S1H 7T j^r Slfl 7T ttt COS 37T ôT
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L'intégrale se décompose ainsi en quatre autres, qui sont Ac * forme
I ^ sin J wtç.
, ' — co ç
Celte expression étant égale à W7r, d'après la valeur de
T- cil» 2
r° , sur m I •/ ?/ — r~ '
quia été donnée plus haut, on en déduit, pour l'intégrale cherchée, la valeur
laquelle est nulle évidemment.
Considérons de même dans l'intégrale (4) l'intégration relative à £. Si l'on change £en — £, dans l'expression différentielle, on obtient évidemment des éléments égaux et de signes contraires; et par conséquent l'intégrale, prise entre l'infini négatif et l'infini positif, doit être regardée comme nulle, pourvu qu'elle ne soit ni infinie ni indéterminée lorsqu'elle est prise entre zéro et l'infini positif. Or, si Ton désigne par p un nombre fini quelconque , on peut remplacer l'intégrale 9 prise entre zéro et l'infini positif, par la somme des deux suivantes :
sin 9ir
FU
+ J p ^ «»» * fi* Mn * EX Mn fl * RX
qui, toutes les deux, ont une valeur finie. La première ne contient, "n effet, aucun élément infini, et est prise entre des limites finies: la seconde est évidemment plus petite que
L'intégrale n'est donc pas infinie. Elle n'est pas non plus indéterminée, car il est visible que l'élément différentiel tend vers la limite zéro, lorsqu'on fait croître £ indéfiniment. Il est donc démontré que l'intégrale désignée plus haut par (4) est nulle.
Ainsi l'expression définitive de l'intensité lumineuse se réduit aux termes dont la somme est proportionnelle à la somme des ouvertures des deux diaphragmes. Le principe est donc vrai dans le cas partip ulier de deux ouvertures, comme dans le cas d'une seule.
Il est facile de passer de là au cas plus général d'un nombre quelconque d'ouvertures rectangulaires de grandeurs quelconques, séparées par des intervalles quelconques, et assujetties à la seule con-
dition d'avoir leurs bords parallèles à deux droites rectangulaires fixes. Sans recommencer de nouveau les calculs, on voit que l'expression définitive de l'intensité contiendra deux séries d'intégrales, savoir : i° les intégrales suivantes :
lesquelles, prises entre l'infini négatif et l'infini positif, donnent une somme égale à
R^^crf+^ + ^H i-f..,'L).
c'est-à-dire proportionnelle à la somme des étendues superficielle* des ouvertures, et s° une série d'intégrales de la forme suivante:
^rj) W L sin7r tr sin7r rx sln7r RT s,n *T?x
Xcos an
RX
RX + sln ^T\X smw TÛ sl,17r lRÂ sln7r M
XfOS 'J7T
Xsm fî7r
IU
Xsin sw
RX
En vertu des raisonnements qui ont été faits tout à l'heure , chacune des intégrales de celte dernière série est nulle entre — oc el -+-oc.H ne reste donc qu'une expression proportionnelle à la somme des ouvertures du diaphragme.
Soit enfin un diaphragme dont l'ouverture ait une forme et une grandeur quelconques. En décomposant cette ouverture en une infinité d'ouvertures rectangulaires infiniment petites, on peut lui appliquer les conséquences des raisonnements précédents.
Le principe que nous avions en vue d'établir se trouve ainsi démontré d'une manière générale * l) .
Il n'y a pas un mot à changer dans tout ce qui précède pour <ju'on puisse l'appliquer à un miroir. Le théorème est donc vrai dans le cas des miroirs et dans le cas des lentilles (2) .
Enfin, si Ton voulait déterminer la quantité totale de lumière qui existe dans le système de franges dont le foyer est environné, dans le ras d'un point lumineux unique, il est facile de voir qu'on aurait précisément à prendre les mêmes intégrales que ci-dessus, entre les mêmes limites, c'est-à-dire entre l'infini positif et l'infini négatif. On démontrerait ainsi que cette quantité totale de lumière est proportionnelle à la somme des étendues des ouvertures du diaphragme , quels qu'en soient la forme et le nombre. M. Kelland avait déjà obtenu ce résultat , mais seulement dans le cas d'ouvertures rectangulaires, égales et équidistantes, constituant un réseau de Frauenhofer [Transactions de la Société philosophique de Cambridge, t. VII).
01 11 est bon de remarquer que l'expression de l'intensité de la lumière
RTlal + r^ + r^-f.-.)
u est proportionnelle qu'en apparence au carré de la distance focale R, car il faudrait, pour tenir compte de l'affaiblissement de la lumière avec la distance, diviser précisément chaque ornent des intégrales par le carré de la distance de l'onde au point éclairé , c'est-à-dire à •rès-peu près par le carré de R.
0) Nos calculs et dm raisonnements ne semblent s'appliquer qu'au cas fiarticulier d'une lentille splanétiqne; mais si l'on remarque que , d'après la théorie générale des caustiques , w surface de Tonde réfractée par une lentille peu étendue diflere très-peu d'une sphère ayant pour centre le foyer des rayons centraux, on reconnaîtra que nos conclusions ont M la généralité désirable.
SLR L'EXPLICATION
I di;
iAyNALES DE CHIMIE ET DE PHYSIQUE, 3- SÉRIE, TOMB XXXI V. PAGE 128.)
Les couronnes sont les cercles colorés qu'on voit autour du soleil ou de la lune, lorsque l'atmosphère est chargée de vapeurs vésicu- I a ires, et qui paraissent immédiatement en contact avec le disque de ces astres, présentant leurs couleurs dans l'ordre caractéristique des phénomènes de diffraction, le rouge en dehors et le violet en dedans.
Les physiciens s'accordent à rapporter ces phénomènes à la diffraction produite par les globules de vapeur répandus dans l'atmosphère; et comme on peut reproduire des apparences tout à fait semblables en regardant un objet lumineux à travers une lame de de verre recouverte, soit de vapeur aqueuse condensée, soit d'une poussière à grains fins et sensiblement égaux, telle que la poussière du lycopode, il ne saurait y avoir aucun doute sur l'explication généralement admise. Mais il y a, dans la manière de présenter cette explication, des difficultés qui n'ont pas encore été résolues, à ma connaissance.
Quelques auteurs, ayant complètement assimilé le phénomène des couronnes au phénomène des réseaux, ont pensé que la distribution régulière des globules de vapeur ou des grains de poussière était aussi nécessaire que l'égalité de leurs diamètres, et qu'en conséquence le diamètre angulaire des anneaux ne dépendait pas de la grandeur des parties opaques, mais de la somme des grandeurs d'un intervalle opaque et d'un intervalle transparent (1) . 11 est facile
(,) Telle est l'opinion développée par M. Deleienne dans mi premier mémoire Mir I« VfihDRT, T. — Mémoires. y
98 SUK L'EXPLICATION
de prouver, par diverses raisons, que cette théorie n'est pas l'expression exacte des phénomènes.
Premièrement, il n'est guère possible de concevoir l'existence d'une distribution régulière des globules de vapeur qui flottent dans l'atmosphère ou des grains de poussière qu'on projette tout a fail au hasard sur une lame transparente.
En second lieu, dans son mémoire inséré au tome III des Astronomische Abhandlungen de Schumacher, Frauenhofer a déterminé, avec son habileté ordinaire, les lois exactes des apparences colorées produites par un système de disques circulaires opaques égaux entre eux, mais distribués d'une manière quelconque au devant de l'œil. II introduisait entre deux lames de verre un grand nombre de petits disques métalliques égaux, dont le diamètre lui était connu, et, plaçant ce système au devant de la lunette de son appareil, il mesurait les diamètres des anneaux colorés. Il a reconnu ainsi que les diamètres des anneaux brillants étaient en raison directe des longueurs d'ondulation, et en raison inverse des diamètres des disques, et nullement de la somme d'un intervalle opaque et d'un intervalle transparent. Ces lois ont été confirmées plus tard par les expériences de M. Babinet (IJ .
La question est donc d'expliquer comment des disques ou des globules circulaires égaux entre eux, mais distribués sans aucune régularité, produisent un système d'anneaux colorés aussi réguliers et soumis à des lois aussi simples. Frauenhofer pense que chaque globule produit individuellement un système d'anneaux, et que la superposition de ces systèmes identiques constitue l'apparence observée. Tous les globules envoyant par diffraction la même couleur dans une direction donnée, l'œil ne doit voir que cette couleur dans cette direction ; il voit une autre couleur dans une direction différente, et la succession des couleurs présente les mêmes alternatives que dans le cas d'un seul globule. Il est facile de voir combien cette application est imparfaite : elle suppose d'abord, ce qui n'est pas
couronnes (Mémoires de la Société royale de Lille, 1837), et admise par divers auteurs de traités de physique. Dans un second mémoire publié en 1 838 dans la même collection , M. Delezcnne a réfuté lui-même les expériences qui l'avaient conduit a cette théorie. Nous croyons donc inutile de les discuter.
»') Comptes rendus des séances de l'Académie des sciences, t. VI.
admissible, qu'autour de chaque globule la lumière est diffractée comme s'il n'y avait pas d'autres globules dans le voisinage ; elle ne ne tient aucun compte de l'interférence possible des rayons diffractés par des globules différents; enfin, elle ne considère pas même exactement l'action exercée par un globule unique placé à la surface d'une onde lumineuse.
M. Babinet a donné le véritable principe de la théorie dans son mémoire d'optique météorologique inséré au tome VI des Comptes rendus de l'Académie des sciences : «Un point lumineux, dit M. Ba- «binet, produisant son image ordinaire au fond de l'œil, si, hors «de la ligne qui joint le point à l'œil, mais assez près de cette «ligne, on place un petit obstacle opaque, l'effet de ce petit corps «opaque sera exactement le même que celui d'une ouverture toute «pareille illuminée par la lumière incidente, en sorte que, autant le «globule semble devoir produire d'opacité, autant, en réalité, il «produit d'illumination. Ce paradoxe trouve son explication très- « facile dans la théorie des ondes. En effet, il résulte des interfé- « rences que la partie efficace d'une onde se réduit à un petit cercle «tel, qu'entre le rayon direct venu du centre du cercle et celui qui «vient de la circonférence de ce cercle il y ait un quart d'onde de «différence. Tout le reste de l'onde peut être considéré comme «s'entre-détruisant mutuellement par l'effet des interférences; mais, «par l'interposition d'un globule, vous supprimez une partie de «cette onde nécessaire à la destruction des ondes élémentaires qui «existent dans son voisinage, vous faites renaître celles-ci que la «partie supprimée ne détruit plus, et vous revenez au théorème ci- « dessus, savoir : que le globule interposé produit autant d'illumit nation qu'il semble devoir en éteindre. Ensuite le carré de l'inté- Rgrale des petits mouvements dérivés vous dira à quelle position, «à quelle distance angulaire cette illumination sera efficace, et «quelle sera l'intensité de cette lumière à toute distance angulaire « des particules considérées. »
On peut opposer à cette théorie la même difficulté qu'à celle de Frauenhofer. Elle serait exacte s'il n'y avait qu'un seul globule entre l'ail de l'observateur et le corps lumineux, ou si du moins les globules étaient séparés par des intervalles très-grands relativement à
52t>bb\*
leurs dimensions; mais, du moment où leurs distances sont assez petites pour que les effets de l'un d'entre eux soient modifiés par les globules voisins, on ne voit plus ce qui doit résulter de toutes ces modifications.
L'explication suivante nous paraît dégagée de ces diverses difficultés.
Considérons la surface d'une onde lumineuse sur laquelle se trouvent distribués, d'une manière irrégulière, un grand nombre de corpuscules opaques, circulaires et égaux. Tous les rayons qui viennent de la surface de l'onde, parallèlement à une direction donnée, tomber sur l'ouverture de la pupille ou sur l'objectif de la lunette qui sert à l'observation du pbénomène, convergent en un même point de la rétine ou du plan focal de l'objectif, et l'intensité de la lumière en ce point résulte de leur interférence réciproque. Comme ils constituent un cylindre oblique, ayant pour base l'ouverture de la pupille ou celle de l'objectif, il est clair qu'ils proviennent d'une partie de la surface de l'onde (supposée sensiblement plane), égale en étendue à cette base, et, par conséquent, très-grande par rapport aux longueurs d'ondulation et par rapport aux diamètres des corpuscules. Les divers cylindres parallèles à diverses directions ne proviennent pas de la même partie de la surface de l'onde, mais de parties égales et recouvertes de globules irrégulièrement distribués. Néanmoins il est facile de voir que les intensités de la lumière aux divers points de convergence doivent varier de la même manière que si tous ces cylindres provenaient d'une même partie de la surface de l'onde sous diverses inclinaisons, et c'est évidemment aux variations de ces intensités, si elles ont lieu suivant une loi régulière, que sont dues les apparences des couronnes.
Le problème peut donc être remplacé par un problème équivalent. Il s'agit de déterminer suivant quelle loi varie l'intensité de la lumière envoyée dans diverses directions par une portion limitée d'onde plane, recouverte de corpuscules égaux et circulaires, distribués sans aucun ordre régulier. Cette portion limitée de l'onde est de forme circulaire, et peut être assimilée à une ouverture circulaire de très-grande dimension; mais il est inutile de restreindre ainsi la question, et Ton peut la résoudre en supposant une forme
juelconque à l'ouverture hypothétique qui représente une partie de 'onde plane.
Pour y parvenir, il suffit de remarquer qu'une onde plane, tombant sur une très-grande ouverture de forme quelconque, n'envoie iu delà de l'ouverture une lumière sensible que dans la direction normale à Tonde, et que, dans toute direction tant soit peu différente, les vitesses envoyées par les divers éléments se détruisent presque entièrement par interférence. Si l'on dispose sur cette ouverture un grand nombre de petits corpuscules opaques, de manière il la transformer en quelque sorte en une réunion de petites ouvertures, on rend sensible la lumière envoyée dans des directions autres que celles des rayons incidents. 11 suit de là que la vitesse de vibration envoyée dans une telle direction par les parties de l'onde non interceptées par les corps opaques est sensiblement égale et de signe contraire à celle qu'enverraient les parties interceptées, puisque, si les corps opaques n'existaient pas, la résultante de- ces deux vitesses serait à peu près nulle. L'intensité de la lumière étant d'ailleurs proportionnelle au carré de la vitesse de vibration , on voit que les intensités produites par les deux parties de la surface de l'onde sont sensiblement égales entre elles. Donc, en définitive, les effets d'une grande ouverture recouverte de corpuscules opaques sont identiques à ceux d'un système de petites ouvertures égales aux grains opaques et distribuées de la même manière.
Si, comme cela a lieu dans les circonstances favorables à la production naturelle ou artificielle des couronnes, tous les grains opaques sont circulaires et égaux entre eux, on a simplement à considérer les phénomènes produits par un système de petites ouvertures circulaires égales entre elles, mais irrégulièrement distribuées, et la question n'offre plus de difficulté. Considérons l'une quelconque de ces ouvertures circulaires : la vitesse de vibration qu'elle envoie dans une direction donnée dépend de l'angle ^ compris entre cette direction et la normale; on peut donc la représenter par le produit d'une fonction de cet angle et du sinus d'un nrc proportionnel au temps, c'est-à-diro par
F(^)sin *?7r,p ; •
W La fonction qui *»sl ici rli'»si^n«»f» p;ir F(0) nVsf point exprimai)!? ?n formos finis,
Les éléments d'une deuxième ouverture circulaire enverront dans la même direction des vitesses qui ne différeront des vitesses envoyées par les éléments correspondants de la première que par une différence de marche constante pour tous les éléments, mais dépendant de l'angle Ç> et de la position relative des deux ouvertures. Soit <?! celte différence : on pourra représenter la vitesse résultante par
F(f)rin«(J-£).
Les vitesses envoyées par les autres ouvertures auront des expressions semblables, et, en définitive, la vitesse envoyée parle système entier dans la direction <p sera
F (<p) I sin 27T ç + sin 97r (f ~~ y) "*" s * n 27r VT ~ Xy "*" * * ' J '
et l'intensité de la lumière sera, d'après les règles connues des interférences,
[F(<p)] 2 [(i+cos27r^ + cos2*r-^H ) 2
+ f Sin 27Ty + sin 'JTTy + • • • )" I •
Si N est le nombre des ouvertures, celle expression se réduit à / S S
[F((p)J 2 (N + 2COS27r^ + 2COS27r-^H
+ 2 COS 2K-y — + 2 COS 27T- L -j- — - +
+ 2 COS 27T - Jt y — - + 2 COS 3 7T -^-v- — ' +
mais M. Knochenhauer a démontre qu'elle était égale à la série suivante :
î {Trrsm(p\* î /7rrsin^\ 4 i [irrsinp
)\ * î f irrs\n<P \ *__ i / 7rrsinft \ •
rillp \"T"j"(i.a.3)MA X ) +
où A désigne la longueur d'ondulation et r le diamètre de l'ouverture (Die UndulatioMthéorie de* Lichte*, p. 33). M. Schwerd a donné une table des valeurs de celle fonction et de son carré depuis <p =■ o jusqu'aux valeurs où elle cesse d'avoir une valeur sensible; de telle sorle qu'on peut la considérer comme aussi bien connue que si elle était susceplible d'une expression finie.
Or, si les ouverlurcs sont distribuées sans aucune loi régulière , les différences de phase <^, ^ 2 ,..., S l — $ 2 , $ l — S 5 ,... auront, juel que soit £, un très-grand nombre de valeurs différentes les unes des autres, de façon que les cosinus auront un très-grand nombre de valeurs distribuées irrégulièrement entre + 1 et — 1. Leur somme sera donc, en définitive, à très-peu près nulle et négligeable devant N. L'intensité de la lumière aura donc pour expression
De là résulte évidemment l'identité des anneaux colorés d'une seule ouverture et de ceux d'un système d'ouvertures pareil au système considéré. Il n'y a de différence que sous le rapport de l'intensité.
Le phénomène des couronnes doit donc être soumis aux mêmes lois que celui des anneaux colorés d'une ouverture circulaire. Il en résulte que les diamètres des anneaux brillants ne doivent pas être exactement proportionnels aux nombres o , a, A , 6 , . . . , comme on 'a dit quelquefois, mais varier un peu moins vite.
Les diamètres des anneaux obscurs doivent aussi varier moins rite que les nombres î , 3, 5, . . . , et même , pour le premier anneau, a différence doit être assez grande. En effet, les déviations des naxima de lumière sont, dans le cas d'une ouverture circulaire, >roportionnelles aux nombres
?t celles des minima proportionnelles aux nombres
Ces résultats paraissent, au premier abord, entièrement contraires *ux expériences de Frauenhofer. Lorsque Frauenhofer a mesuré e diamètre des couronnes, comme il a été dit plus haut, il a trouvé jue, dans les anneaux produits par des disques métalliques de 5^,027 de diamètre, les déviations de la couleur rouge étaient égales à
0Î KsOCHKSHAtJBR, p. 26.
et ces nombres suivent une loi toute différente de la loi théorique qui vient d'être énoncée comme applicable aux déviations des maxima de lumière. Mais il faut remarquer que Frauenhofer n'a pas mesuré les diamètres des couronnes produites par la lumière rouge homogène : il a simplement déterminé les positions des anneaux rouges dans le système d'anneaux colorés produits par la lumière blanche. Or, en examinant ces anneaux, on reconnaît que les points qui paraissent colorés en rouge sont précisément ceux où l'intensité de la lumière est la plus faible. Ainsi les anneaux rouges ne correspondent point aux maxima d'intensité de la lumière rouge, mais aux minima moyens de la lumière blanche. Leurs diamètres doivent donc varier suivant la loi qui exprime la déviation des minima de lumière. Telle est effectivement la loi des nombres trouvés par Frauenhofer; les déviations 3' 1 5", 5'58" et 8'4i" sont exactement proportionnelles aux nombres 1098, 2009 et 3916, donnés par M. Knochenhauer.
Les observations de Frauenhofer, bien loin de contredire la théorie, la confirment complètement. Néanmoins, afin de ne conserver aucun doute sur ce sujet, j'ai pris quelques mesures avec la lumière rouge homogène, et le résultat en a été exactement conforme aux lois théoriques. Au centre d'un théodolite semblable à celui de Frauenhofer, qui permettait de mesurer les angles de déviation à quinze secondes près, j'ai fixé une plaque de verre recouverte de poussière de lycopode, sur laquelle j'ai fait tomber des rayons de lumière venus d'une lampe électrique placée à 8 mètres de distance, et, disposant au devant de la lunette de l'instrument un verre rouge d'une teinte bien homogène, j'ai déterminé les déviations des deux premiers anneaux.
J'ai trouvé ainsi pour la déviation du premier anneau obscur i*9u'45\ ut P our ce " e du deuxième 2°4*j'. Admettant la première déviation comme exacte, la théorie donnerait a°44' pour la seconde. Itar la tu&ne méthode, j'ai déterminé, dans le phénomène produit parla lumière blanche, la déviation des deux premiers minima de l*mwr*\ et j'ai obtenu les nombres i°i5'45"et 2°2i'. Prenant ta uiviuier nombre comme exact, le second serait, d'après la
11 ne peut rester aucun doute sur la vraie lot des phénomènes *■•.
J'ai cherché encore à vérifier la théorie précédente en produisant es phénomènes de diffraction dus à un système d'ouvertures circuaires égales, irrégulièrement distribuées. J'ai fait percer, dans dierses plaques de cuivre, un grand nombre de prtils trous circulires, égaux entre eux, mais distribués sans aucun ordre. En les •laçant au devant d'une lentille achromatique, à ude grande disante de l'ouverture très-petite par où s'introduisait la lumière, j'ai btenu, au foyer de la lentille, des systèmes d'anneaux concenriques, entièrement semblables à des couronnes. Toutefois, le diaaètre des trous devant être d'au moins | de millimètre, si Ton veut u'ils soient bien réguliers et bien égaux, les anneaux ainsi obtenus ont beaucoup moins larges que les couronnes produites par le lyco- •ode, et je n'ai pu en mesurer le diamètre, à l'aide de mon lliéodoite, avec une exactitude suffisante.
Les raisonnements développés dans ce mémoire peuvent s'appli- [uer, sans modification, à la théorie des phénomènes produits par in système de fils étroits, égaux et parallèles, mais séparés les uns les autres par des intervalles inégaux. Il en résulte que ces phénoaènes doivent être identiques à ceux que produirait une fente reciiîgne d'une largeur égale au diamètre des fils, et qu'en conséquence n doit observer un système de franges dont les déviations sont en aison inverse des diamètres des fils. Telle est la loi démontrée expérimentalement par Young, et d'après laquelle ce physicien a consruit l'instrument connu sous le nom d'ériomètre. On voit que les bjections opposées par divers auteurs à cet instrument ne sont pas mdées.
Je ferai remarquer, en terminant, qu'il n'est pas toujours permis, lans la théorie de la diffraction, de substituer un système de petites
(» FraaeDhofer a commis une erreur du même genre que celle qui vient d'être signalée, ans l'interprétation de ses expériences sur les phénomènes de diffraction produits par ne ouverture étroite à bords reclilignes. Il a mesuré les dévia lions des franges rouges ui s'observent quand on fait usage de lumière blanche, elles a trouvées exactement proorlionnelles aux nombres a, h , f>,elc. Celle loi est précisément celle que la théorie idique pour les minima d'intensité; les rnaximn correspondnnt à des déviations proporlonnellesaux nombres 0, a, 86, ^1,91, (),\)h , elc. Les franges rouges étant, comme dans ? cas des couronnes , les points les moins «'claires de l'ensemble des franges, les expériences de Frauenhofer s'nrcordenl avpc la Ibéorie qu'elles paraissent contredire.