Découirerte de la polarisation rotatoire par Araffo

— La polarisation rotatoire fut découverte par Arago en 1 8 1 1 , en même temps que la polarisation chromatique ^'). En étudiant l'action de la lumière polarisée sur les lames cristallines, il reconnut qu'une lame de quartz perpendiculaire à l'axe présente des propriétés tout à fait spéciales. Tandis qu'en général une lame d'un cristal à un axe taillée perpendiculairement à Taxe ne modifie en aucune façon l'état de polarisation des rayons qui la traversent normalement et ne donne pas de colorations dans l'analyseur, une lame de quartz perpendiculaire à l'axe, lorsqu'elle est traversée normalement par des rayons polarisés parallèles entre eux, fait apparaître dans l'analyseur devx images teintes de couleurs très-vives et complémentaires entre 'lies. Ces colorations se distinguent de celles qu'on observe dans la olarisation chromatique par deux caractères spéciaux :

i"* Les teintes des deux images ne changent pas quand on fait 'i:irner la lame de quartz autour d'une droite parallèle à l'axe.

a" Si l'on fait varier l'angle formé par la section principale de

^ * ^ Méfn. de ta prem, clasip de Vîn$t., t. XII, p. gS.

YitoiT, VI. — Optique, IL i5

218 POLAIUSATION ROTATOIRE.

Tanalyseur avec le plan primitif de polarisation, chaque image passe par une série de teintes qui varient d'une manière continue. Ces teintes se reproduisent lorsqu'on fait tourner l'analyseur de 180 degrés, et les couleurs des deux images s'échangent par une rotation de 90 degrés.

Arago remarqua que ces phénomènes s'expliquent en admettant que chaque rayon simple reste polarisé rectilignement après son passage dans la lame de quartz, mais que le plan de polarisation tourne d'un angle variable avec la couleur; de là la dénomination de polarisation rotatoire, qui fut donnée à l'action exercée par le quartz sur la lumière polarisée.

248. liois. expérimentales établies par Biot. — C'est à Biot qu'on doit d'avoir établi, par de longues séries d'expériences poursuivies avec la plus grande persévérance, les lois expérimentales de la polarisation rotatoire ^^K 11 opérait sur les rayons médiocrement homogènes que fournit la décomposition prismatique de la lumière solaire; pour mesurer la rotation du plan de polarisation des rayons d'une certaine couleur, il plaçait l'analyseur de façon à éteindre complètement l'image extraordinaire en l'absence de la lame de quartz; cette lame étant ensuite placée sur le trajet de la lumière polarisée, il suffisait de mesurer l'angle dont il fallait faire tourner la section principale de l'analyseur pour éteindre de nouveau l'image extraordinaire. Cet angle n'était autre que celui dont avait tourne^ le plan de polarisation. Biot arriva ainsi aux lois suivantes :

i'' La rotation du plan de polarisation produite par une lame de (juartz perpendiculaire à l'axe est proportionnelle à l'épaisseur de cette lame : elle est la même pour des lames de même épaisseur taillées dans des cristaux différents et ne change pas quand on retourne la lame face pour face.

9° Parmi les cristaux de quartz il y en a qui font tourner le plan de polarisation vers la droite (pour un observateur qu'on suppose couché dans le rayon, les pieds tournés du côté d'où vient ce rayon), et d'autres qui font tourner ce plan vers la gauche. Les premiers

t') M,hn. tle rAcail, tles Sf., I. 11, p. 'il.

LOIS EXPÉRIMENTALES. il9

jont dits dextrogyres et représentés par le signe y^; les seconds sont ippelés lévogyres et représentés par le signe ^. A épaisseur égale , les lames de ces deux espèces de cristaux produisent des rotations ^ales mais de sens contraires.

Pour vérifier ces deux lois, il faut se servir de lames assez minces )Our que la rotation soit inférieure à 180 degrés, sans quoi on serait exposé à se tromper sur le sens et sur la valeur de la rotation. Pour se faire une idée de l'épaisseur des lames qu'on doit employer, 1 suffit de savoir que, pour les rayons rouges transmis par le ^erre coloré au moyen de l'oxyde de cuivre, la rotation produite 3ar une lame de quartz d'un millimètre est d'environ 18 degrés. En employant des lames dont l'épaisseur crott graduellement, on 3eut du reste s'assurer que la rotation reste proportionnelle h l'épaisseur, même lorsqu'elle dépasse une demi-circonférence.

Le sens de la rotation est en général le même pour les lames taillées dans le même cristal de quartz. Cependant il existe des exceplions à cette règle, surtout dans la variété de quartz qu'on désigne sous le nom Samithysie. Ces anomalies s'expliquent par la complexité le la cristallisation. Si un cristal de quartz est formé de cristaux de signes contraires accolés par les faces parallèles à l'axe, une lame taillée dans le cristal perpendiculairement à l'axe donnera dans l'analyseur deux images dont chacune sera formée de plusieurs parties teintes de couleurs complémentaires; les régions différemment colorées de chaque image seront limitées par des triangles équilatéraux ou par des hexagones réguliers. Un tel cristal pourra du reste présenter une transparence et une limpidité parfaites, de sorte qu'il serait impossible de reconnaître autrement que par les phénomènes de la polarisation rotatoire qu'il est formé du groupement de plusieurs cristaux.

Les phénomènes se compliquent encore lorsque les cristaux de signes contraires s'accolent par des faces inclinées à l'axe. Dans ce cas, en effet, la lame, entre les régions entièrement dextrogyres et les régions entièrement lévogyres, doit être considérée comme formée par la superposition de deux lames de signes contraires variant d'épaisseur d'un point à un autre. Il en résulte que dans chacune des images de l'analyseur, entre deux régions colorées de teintes plates et cornplé-

mentaires, on trouve une région où la coloration varie d'une manière continue. MM. Gustave Rose et Descloizeaux ^^^ ont donné de nombreux exemples de pareils groupements par des faces inclinées à l'axe, dans leurs travaux sur les propriétés optiques du quartz.

S"" La troisième loi démontrée par Biot consiste en ce que la rotation du plan de polarisation va en croissant du rouge au violet et varie à peu près en raison inverse du carré de la longueur d'ondulation. Cette sorte de dispersion est beaucoup plus marquée que la dispersion prismatique, et il est impossible de tailler des lames assez minces pour ne pas donner des colorations sensibles dans la lumière blanche ; il résulte en effet de la loi précédente que la rotation des rayons violets est environ trois fois plus grande que celle des rayons rouges. Biot obtint les nombres suivants pour les rotations produites par une plaque de quartz de i millimètre d'épaisseur.

XROTATIOII Dr PLAX DE POLARlSATIOtl.

Rouge extrême. . . 645 17* ag' 47"

Verre rouge 638 iS'aô' o'

Limite du rouge et de Torangé 696 ao* a8' 47'

Limite de Torapgë et du jaune 571 aa* iS'Ag'

Jaune moven 55o a4* o' o'

Limite du jaune et du vert 53a a5* 4o' .3i'

Limite du vert et du bleu 49a 3o" a'45"

Limite du Meu et de l'indigo 459 34" 34' 18"

Limite de Findigo et du violet 489 37* 5i' 58"

Violet extrême 4o6 44' A'SS"

2^9. lileMire de la dispersion rotatoire. — Lors des premières expériences de Biot, les raies de Frauenhofer n'étaient pas encore connues, et il n'existait par conséquent aucun moyen de définir exactement les différentes régions du spectre. Plus tard Biot, pour déterminer la loi de la dispersion rotatoire, se servit de rayons léfinis par les raies du spectre et fit usage des longueurs d'ondulation trouvées par Frauenhofer; mais, comme il mesurait toujours la rotation du plan de polarisation par le même procédé, ses résultats ne présentent pas une rigueur suflisante.

t'i Méin. den Sav. étranf».^ I. XV, p. Uoh.

Plus récemment M. Broch ^^\ et après lui M. Wiedemann, ont appliqué à la mesure de la déviation du plan de polarisation la méthode de MM. Fizeau et Foucault; les résultats ainsi obtenus sont beaucoup plus exacts que lorsqu'on cherche à isoler une portion du spectre. Dans ces expériences, les rayons solaires étaient introduits dans la chambre noire par une fente étroite, et polarisés par un prisme de Nicol placé derrière la fente; ils traversaient ensuite normalement la plaque de quartz et étaient reçus sur un analyseur formé par un second prisme de Nicol. Le faisceau émergent était décomposé par un prisme dont les arêtes étaient parallèles à la fente ; on obtenait ainsi un spectre dans lequel on distinguait les raies de Frauenhofer. M. Broch observait ce spectre à Taide d'une lunette de Galilée; M. Wiedemann, pour plus de précision, se servait d'une lunette astronomique munie d'un réticule.

Lorsque la section principale de l'analyseur est parallèle au plan de polarisation des rayons d'une certaine couleur, ces rayons manquent dans l'image extraordinaire, et par suite le spectre présente dans la région qui correspond à ces rayons une bande noire plus ou moins large. Si la plaque de quartz est suffisamment mince pour r|ue la différence des déviations que subissent les plans de polarisation des rayons correspondant aux deux extrémités du spectre (ou, comme on dit pour abréger, l'arc de dispersion) soit inférieure à 180 degrés, il n'y a qu'une seule bande noire dans le spectre, parce qu'il n'y a qu'une seule espèce de rayons dont le plan de polarisation soit parallèle à la section principale de l'analyseur, et cette bande se déplace de façon à parcourir toutes les régions du spectre lorsqu'on fait tourner la section principale de l'analyseur. Si l'arc de dispersion est compris entre n et n-4- 1 demi-circonférences, ii y aura n + 1 bandes noires qui se déplaceront dans le spectre par la rotation de l'analyseur.

Pour mesurer la déviation du plan de polarisation des rayons qui correspondent à une raie de Frauenhofer, on choisit une plaque assez mince pour que l'arc de dispersion soit inférieur à 180 degrés; on fait coïncider la raie avec le fil vertical du réticule et on fait tourner l'analyseur de façon que le milieu de la bande noire se trouve

<•> Ann, de chim, et de phj$,, (3), XXXIV, p. 11g.

ii'2 POLAKlSATiON ROTATOIRE.

sur cette raie : Tangle que forme la section principale de l'analyseur avec le pian primitif de polarisation est alors égal à la déviation cherchée. Pour que la bande noire ne fasse pas disparaître la raie et pour qu'on puisse observer la coïncidence, il faut que la plaque de quartz ne couvre qu'une moitié de la fente , de sorte qu'une moitié du spectre ne soit pas modifiée par le quartz.

A mesure que l'épaisseur de la lame de quartz augmente, l'arc de dispersion devient plus grand, et par suite les rayons qui sont presque com|)létement éteints sont compris entre des limites moins étendues, de sorte que la bande devient plus étroite; mais, d'un autre côté, plus la plaque est épaisse et moins la bande se déplace dans le spectre pour une même rotation de l'analyseur; la sensibilité du procédé augmente donc d'une part parce que la bande se rétrécit, et diminue de l'autre parce qu'elle se déplace moins vite; il faudra déterminer par l'expérience l'épaisseur qu'on doit donner à la lame de quartz pour obtenir les résultats les plus précis.

Le tableau suivant contient les valeurs trouvées par M. Broch pour les rotations des principales raies du spectre produites par une lame de quartz d'une épaisseur égale ù i millimètre.

PK0DUIT8 RAIBS. H0TAT10N6. de la

rotaiioQ par X'.

D 3i*/io' 7611

E a7'ti8' 7696

G 4a"ia' 7863

Les nombres contenus dans la dernière colonne du tableau montrent que la loi de la raison inverse du carré de la longueur d'ondulation n'est qu'approximative. Le produit de la rotation par le carré de la longueur d'ondulation varie dans le rapport de is à i3 et va en croissant du rouge au violet, ce qui avait déjà été indiqué par Biot.