HAL Id: jpa-00242222
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00242222
Submitted on 1 Jan 1907
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
P. Zeeman
To cite this version:
P. Zeeman. Progrès récents en magnéto-optique. Radium (Paris), 1907, 4 (2), pp.57-66. �10.1051/ra- dium:019070040205701�. �jpa-00242222�
longueur d’onde, mais une différence d’intensité. Pour cette bande, le pouvoir rotatoire est nul an milieu positif du coté viotet et négatif du cote rouge ; la dis-
persion rotatoire a la même forme (lue la dispersion
anomale.
Ce résultat s’explique fort aisément en remarquant que l’inégalité d absorption de deux vibrations circu- laires entraine une modification des deux courbes due
dispersion anomale, et que la variation en fonction de la période de la différence des indices droits et gauches
doit avoir même forme que chacune des courbes de dis-
persion. Il snffit d’ailleurs d’une faible différence dans l’intensité de l’absorption des vibrations droites est
gauches pour donner lien à un pouvoir rotatoire notable :
c’est ainsi qu’aux environs de 657 J 6 le pouvoir rota-
toire magnétique varie rapidement malgré la faible
intensité de la bande. On peut se demander si les ano-
malies présentées par les corps magnétiques et la gran- deur de la dispersion rotatoire de certains d’entre eux ne pourraicnt se rattacher a un phénomène de même
nature.
Il résulte de cet ensemble d’observations que le phé-
nomène de la polarisation rotatoire 11lagnétiquc paraît
bien provenir du mouvement tourbillonnaire que prennent les électrons dans un chnmp magnétique et
est dû à l’effet simultané de la dispersion anomale et
des modifications subies par les bandes d’absorption.
Ces expériences ont fourni des exemples de différents types de dispersion rotatoire et ont montré en même
temps à quelle nature de modification de la bande
correspondante chacun de ces types se rattache.
11’ . - Conclusions.
En résumé, les phénomènes magnéto-optiques obscr-.
vés avec les cristaux de xénotime et do tvsonite ont
conduit aux résultats nouveaux suivants.
1° Les bandes d’absorption de ces cristaux sont
modifiées par un champ magnétique; l’ordre de gran- deur des déplacements, pour beaucoup de bandes
notablement plus grand que l’effet observé dans les vapeurs, conduit à penser que le rapport de la charge
n la masse est pour certains électrons environ neuf fois plus grand que pour les corpuscules cathodiques.
2° Le sens du phénomène correspond pour cer- taines bandes à des elecfrons possédant (les charges positives.
3° Les lllodificai ions observées, lorsque le faisceau
se propage normalement aux lignes de force, pour
rahsorplion de vibrations normales au champ e) à l’axe optique dépendent de l’orientation dc l’axe par rapport
au champ. Cette dépendance montre expérimentale-
ment qu’il ne suffit pas. dans les cristaux soumis an
champ magnétique, de considérer seulement les 111011- vements perpendiculaires a la direction de propaga- tion de la lumière, mais qu’il faut faire intervenir des mouvements parallèles à la propagation du faisceau.
4" Le spectre des vibrations parallèles au champ
subit également des modifications exceptionnellement grandes et pour la plupart dissymétriques.
5o Les manifestations très variables du pouvoir rota-
toire magnétique dans les eiivirons des bandes sont une conséquence des modifications de ces bandes est de la dispersion anomale correspondante.
Dans une prochaine étude, nous verrons comment la théorie de ces phénomènes permet de rendre compte avec plus de précision dc la plupart des effets
observés. (A suivre).
7 février 1907.
Progrès
récents enmagnéto-optique1
Par P. ZEEMAN,
Professeur de physique à l’Université d’Amsterdam.
AI l’intention de faire ici l’expose général des
recherches expérmentales qui m’ont occupé pendant ces quelques dernières années. Toutes
se rapportent aux liens qui existent entre lu magné-
tisle p1 la lumière, liens don1 la première manifesta-
1ion date de la découverte fondamentate de Faraday
en 1845.
...Faraday trouva que certaines substances (telles que 1. Conférence l’aite il la Royal Institution of Great Britain, 30 mars 1906.
le verre lourd qu’il employait), placées dans 11 n champ magnétique, Innl tourner If’ plan de la vibration d’mn rayon lumineux qui les traverse parallèlement aux lignes de force : c’est ce que nOlls appelons la rota-
tion magnétique dll plan de polarisation. Cette dér’oll- wrle ouvrait le chapitre des phénomènes magnéto- optiques.
Ces liens entre le magnétisme el la lumière ont
toujours préoccupé Faraday qui cherchait incessam- ment des relations plus étroites et plus intines; il
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:019070040205701
chercha en mars 1862, dans une expérience qui fut, comme on sait, sa dernièr, à observer une modifica-
iioii dans le spectre d’une flamme soumise a l’action d’un aimant. Dans ses notes, Faraday conclut par ces mots " Le moindre effet sur la lumière polarisée on
non polarisée ne put être observé ». Nous savons main- tenant que les moyens d’investigation, du temps de
Faraday, n’étaient pas assez puissants pour déceler l’effet cherche. Depuis, divers physiciens ont fait des
recherches dans la même direction; quelques-uns ont
rendu compte de leurs résultats négatifs, d’autres ne
l’ont pas fait, car la plupart des physiciens ont une répugnance invincible pour la publication de résultats négatifs, bien qu’un ensemble de telles tentatives
infructueuses, exposées avec précision, aurait été des
plus intéressants et aurait pu avoir, dans la suite, une grande valeur.
Influence du champ magnétique sur les raies spectrales.
De mon côté, l’idée de soumettre une source de lumière à l’influence du champ magnétique nie Niiit
à l’espril au cours de recherches quantitatives sur le phénomène de Kerr concernant la lumière réfléchie par les miroirs aimantes. Je travaillais alors à Leyde
ait laboratoire du professeur Onnes. Mes efforts furent
encouragés par la lecture du mémoire de Faraday
relatant ses expériences négatives et aussi par une idée émise par lord Kelvin en 1856 que Maxwell donnait comme une remarque excessivement impor-
tante de Sir William Thomson. Si nous pouvons admettre que les forces qui agissent sur la propagation
de la lumière dans les substances aimantées existent aussi quand la source lumineuse est dans le champ magnétique, nous pouvons nous attendre à trouver
quelque effet direct du magnétisme sur la radiation.
Mes premières expériences suivies de succès datent
de 1896-1897; pendant les trois années antérieures,
j’avais obtenu aussi un résultat négatif, n’ayant lias
employé les appareils qui convenaient.
On sait qu’une flamme sodée émet principalement
deux espèces de radiations jaunes et que, par consé-
quent, lorsque ces radiations soni analysées avec un grand réseau concave de 1lowland, le spectre présente
doux raies jaunes. Avec un réseau de dimension moyenne, ces raies ont une distance d’un millimètre
et elles sont assez étroites. En août 1896, je trouvais
que, lorsqu’une flamme sodée est placée entre les pôles
d’un électro-aimant el regardée au spectroscope dans
une direction perpendiculaire aux lignes de force, les raies jaunes de son spectre deviennent un peu plus larges lorsque l’électro-aimant est excité1. Ce fait peul
aussi s’exprimer en disant que, à côté des vibrations 1. ZEEMAN. Verslagen Kon. Akademie v. Wetenschappeu, Ams- terdam, octobre et novembre 189fi. - Phil. Mag., mars, 1897.
primitives, une flamme placée dans un champ magné- tique émet d’autres vibrations, tes unes de fréquence
un peu plus grandes, les autres de fréquence un peu
plus petite (lui la vibration primitive.
Cette observation d’une petite modification des raies spectrales fut le point (1(’ départ dl’ mes travaux ultérieurs; j’ai pensé que cette modification, bien que
très petite, méritait un examen pins Il psi clair, en effet, que nous avons là 11 moyen d’étudier
les vibrations internes de la molécule Cll modifiant d’une manière simple les conditions dans lesquelles
elles ont lieu. D’ailleurs, ce résultat a été vérifié de tous cùtés c’t, comme je ne crois pas que l’existence de l’effet observé puisse être mise en doute aujourd hui, je passerai rapidement sur cette période de mes
recherches. L’élargissement des raies fut observé aussi dans la direction des lignes de force, puis il fut établi qu’a l’effet direct correspondait un effet inverse.
Quand de la lumière Idanche traverse de la vapeur de sodllllll incandescente, nous observons des raies d’absorption ; elles sont élargies, elles aussi, quand
la vapeur est soumise an champ magnétique. Les
influences secondaires furent écartées en modifiant convenablement les expériences. Dans un cas, aucun changement ne fut observe. Les spectres de bandes, tels que ceux de l’iode, du carbone et de l’azote, nue
subirent aucune modification; ni Becquerel, ni Des- landres, qui employaient des appareils plus puissants,
ne purent la mettre en évidence.
Avant que j aie résolu différentes questions qui se présentaient d’elles-mêmes, la belle théorie des phé-
nomènes électro-magnétiques et optiques développée
par mon ami le professeur Lorentz vint apporter un
. concnurs précieux à nlnn travail expérimental.
Dans cette théorie, on suppose que te monde maté- riel est constitué de trois éléments : la matière pon-
dérable, l’éther et les électrons. Je crois qu’il serait superflu de rappeler ici... que les électrons ou cor-
puscules sont d’excessivement petites particule élec- triquement chargées qui sont supposées présentes dans
tous les corps. Ces électrons peuvent osciller sous
l’action de forces qui tendent u les ramener vers leur
position d’équilibre. Par cela même qu’ils sont élec- triquement chargés, Usent une prise suffisante sur
l’éther pour y excite les oscillations électro-magné- tiques qui, suivant la théorie de Maxwell, constituent la lumière. La durée d’oscillation de l’électron déter- mine la position des raics dans le spectre et, pour
chaque changement de cette durée d’oscillation, nous
observerons un déplacement de la raie correspondante.
Dans la théorie de Lorentz, l’interprétation dt’
l’effet du champ magnétique est aussi simple qu’élé- gante. Les forces agissant sur l’électron oscillant dans
un champ magnétique sont exactement connues : ces
forces sont les mêmes que celles qui incurvent la tra- jectoire des rayons cathodiques dans nu tube h vide
soumis à l’action d’un aimant. Tons les mouvements
possibles des électrons dans tes molécules d’une flamme peuvent être regardés comme mouvements
résultant de trois mouvements particuliers, choisis
de telle façon que l’action du champ magnétique sur
Fig. 1.
chacun d’eux puisse êlre facilement prévue; la
lumière émise par la flamme est exactement la même
Fig. 2. Fig. 3.
que celle qui proviendrait d’une flamme contenant trois groupes d’électrons possédant chacun l’un de
ces trois mouvements simples. Dans le modèle de la
figure1, les électrons sont représentés parles petites
boules, la flèche indique la direction du champ magné- tique.
Comme mouvement simple, nous choisirons d’abord une oscillation parallèle aux lignes de force. Le groupe
d’électrons qui possède ce mouvement ne subit aucune
action de la part du champ magnétique: la période
que nous appellerons T. n’est pas modifiée. Les deux
autres mouvements simples seront des mouvements circulaires, s’effectuant dans le sens des aiguilles
d’une montre ou en sens inverse dans des plans perpendiculaires aux lignes de force.
Sur un électron possédant l’un ou l’autre de
ces mouvements circulaires, s’exercera dans le
champ magnétique, une force centripète ou cen- trifuge suivant: le sens de la rotation. Le champ magnétique doit donc produire un accroissement
ou une diminution de la vitesse (’1, par conséquent,
une diminution ou une augmentation de la pé-
riode. Au lieu d’oscillations de période T, nous obtiendrons, sous l’influence du champ magnéti-
que, trois mouvements oscillatoires tlc période T, T+v, T- v, il étant une quantité petitc..B
cliacun de ces mouvements des électrons corres-
pond alors une radiation de longueur d’onde dé- terminée, d’après la théorie électromagnétique de
la lumière et, dans le spectroscope, nous verrons
chaque raie se séparer en trois : chaque raie d(.-
vient un tripplet 1.
Les figures 2 (fer), 7) (zinc), 4etj (portions du spectres
du fer )2 donnent quelques exemples du raies qui se divi-
Fig. 4.
1. ZEDI AN. Verslagen Kon. Akademie B’. Wetenschappen, Amster- dam, mai, juin. octobre, 1897. Phil. Mag., juillet et septem- bre 1897.
2. Sauf les diagrammes, les figures sont des reproductions agrandies des clichés négatifs. L’échelle est différente dans les différents cas. La séparation de" composantes extrêmes est de l’ordre d’un sixième; de la distance des raies de sodium (raie, verticales de la fig. 12). La figure 2 est une 1 d lin des premiers clichés que j’ai obtenus. je dois au professeur Runge les figures 21, 22, 24. Pour cette dernière figure, les neuf com- posantes ne se distinguent plus dans la reproduction.
sont réellement en trois composantes, conformément a1 la théorie de Lorentz. On peut remarquer que chacune de ces composantes reste très étroite, eUes sont hil’ll définies ct sans non. Ce ne serait certainement pas le cas si toutes les molécules ne se comportaient pas
Fig. 3.
de la même manière et si cer-
taines conditions d’isotropie dos
molécules n’étaient pas rcm-
plies1.
Le modèle de la figure 1 peut
nous servir encore pour illus-
trer quelques autres points qui
1’urent prévus par la théorie de Lorentz. Considérons la lumière émise iB angle droit des lignes
de forée. Les trois espèces de
radiations vues dans cette di- rection sont dues chacune a une
seule espèce de vibration et, par conséquent, sont polarisées.
Nous pouvons donc étcindre soit la composante centrale, soit les deux composantes extérieu-
res du triplet à l’aide d’un
Nicol. Dans l’une des nloitiés du cliché de la figure 5, ce
sont les composantes extérieures qui sont éteintes,
dans l’autre moitié, c’est la composante centrale.
Ainsi, pour la première fois, nous pouvons obtenir
des radiations polarisées à partir des moléculcs d’un
Fig. 6.
gaz ; tous les essais fai1s dans ce but avaient échoué
jusque-là.
Pour quelques raies, la composant centrale pl ifs composantes extérieures sont d’intensité différente.
Quand cela se présente, nons pouvons nous dispenser
de spectroscope et observer une polarisation partielle
1. LORENTZ. Ann. de Physik., Bd. 03, p. 578. 1897.
de la lumière émise par la vapeur dans le champ,
comme l’ont trouvé Egorotfct Georgiewsky.
Nous allons iiiaiiite nant examiner la lumière émise dans la direction des lignes de forée (fig. 6). On voit
d’abord cplc chaque raie doit se dédoubler en deux
composantes. De pins, les deux composantes doivent
être polarisées circulairement, mais dans des sens opposés. Avec un dispositif convenable, on peut
éteindra l’une des composantes dans une partie du champ du spectroscope et l’autre dans l’autre partie.
Fig. 7.
J’ai observé pour la première fois cette polarisation
circulaire dans le cas des raies du sodi1m : la polari-
sation est complète, il n’y a aucune trace de polarisa-
tion rectilignc ou clliptique1 (fig. 7).
Lors de cette première ohservation, je n’avais pas
employé ce dispositif : la position de la raie était
déterminée au moyen d’un réticule ct, en renversant le courant magnétisant, on voyait la raie se déplacer. Je
ne dissimulerai pas qu’aucune observations ne m’a rendu plus heureux que celle-ci.
J’ai déjà fait remarquer que l’on peut aussi étu- dier les raies d’absorption que l’on voit apparaître quand de la lumière blanche est transmise u tra- verts la vapeur. Nous avons alors l’effet inverse...
qui joue un rôle dans une expérience duc a Righi 2,
dans le cas d’un rayon lumineux parallèle aux lignes de force. Considérons un rayon horizontal
parallèlc à l’axe d’un électro-aimant dont les pièces polaires sont percées et supposons que des lVicols croisés soient placés devant ct derrière, comme
dans l’expérience de Faradav. Une flamme sodée
placée dans le champ, émettant deux radiations de
longueur d’onde dillérentc el polarisées circulai-
rement absorbe les radiations de même longueur
d’onde et de même sens, sans arrêter les radiations
polarisées dans le sens opposé auxquelles est due
la brillante lumière jaune qui apparaît sur 1 écran.
Toutefois, l’interprétation de cette expérience est incomplète, au moins pour les vapeurs denses, et la rotation du plan due polarisation trouvée par Faraday
y joue un rôle, comme nous le verrons plus loin.
1. Cf. LARMOR. Act. her and, Matter, li. 545, 1900.
2. RIGIII. C. R., 1129. p. 216, 1898; C. IL. 128, p. 45, 1899;
Nuoro Cimento (9,, 8, p. 102. 1898.
L’action du champ magnétique sur les raies spec- trales nous permet de savoir si ce sont des électrons positifs ou négatifs qui sont en vibration dans une
flamme. D’après le sens des phénomènes observés dans la direction des lignes de force, on trouve que ce sont, des électrons négatifs Ilni donnent naissance ;, toutes
les radiations. Il ne s’en suit pas toutefois que les molécules lumineuses aient une charge négative. Au contraire, les recherches de Lenard et de Stark ont montre qu’une partie au moins du spectre est due à dcs atomes chargés positivement.
Lorsqu’une raie donne untriplet, nous pouvons, en Juesurant lécartement des raies, trouver la masse liée
à l’électron ou, en d’autres mots, nous pouvons déter- miner le rapport de la charge e a la masse ifi de l’i’lec- tron. C’est ainsi que j’ai fait la première détermina-
tion de e m que j’ai trouvé de l’ordre de grandeur de
107 unités électromagnétiques par gramme1. Les
mesures les plus précises pour les différentes raies
spectrales conduisent actuellement à des valeurs com-
prises cnlrc 1,4 et 1,8 ’107. Cc nombre est d’envi-
ron 1500 fois plus grand que celui qui correspond à l’hydrogène en électrolyse.
Nous pouvons donc conclure que la majorité au
moins des raies spectrales est due aux vibrations de l’électron négatif. Cette conclusion n’est pas seulement vraic pour les vapeurs incandescentes de sodium ou
de mercure ; tous les éléments qui peuvent colorer la
flamme ou se vaporiser dans l’étincelle, ont leurs
raics spectrales modifiées par le champ magnétique.
Dans tous les éléments, par conséquent, ces électrons négatifs sont présents.
Indépendamment, l’étude des rayons cathodiques
dans les tubes a vide conduisait expérimentalement
aux électrons. La structure discontinue de l’électricité fut aussi mise en évidence par d’autres phénolnènes
et, de ce coté, les physiciens furent ramenés par des méthodes purement expérimentales au corpuscule négatif de J.-J . Thomson, 1500 fois plus petit que l’atome d hydrogène, en parfait accord avec l’électron
nécessaire pour l’interprétation de l’influence du champ magnétique sur les raies spectrales.
Tous les caractères fondamentaux dela modification des raies spectrales purent alors s’interpréter et l’exac-
titude de cette interprétation fut démontré sans doute possible. Le phénomène est maintenant connu en
détail, grâce aux travaux de Becquerel, Cornu, Cotton, Michelson, Kent, Kônig, Righi, Heese, Uungc, Paschen,
Gray, Preston, Lodge, Lord Blythswood et autres, et
du coté théoriquc, de Larmor, Fitzgerald, Jeans et J.- J. Thomson.
Toutes les raies spectrales ne sont pas détriplées : quelques-unes donnent des quadruplets, d’autres des
1. ZLEMAN. Vcrsagcn Kon. Akademie, Amsterdam, novembre 1896, § 23.
sextuplets. Les raies D1 et D2 dans tes champs intenses
eu soiit un exemple 8 et 9). Tout u’ système de raies, même dans les champs les pl us intenses, est compris tout entier dans LLU espace égal nLL sixième
de la distance des raies du sodium. Dans quelques cas
des subdivisions un peu plus compliquées ont été observées,
cii particulier par Michelson. Le modèle simple que nous avions
envisagé pour la molécule lu- mineuse est insuffisant; nous retiendrons plus loin sur ce sujet et nous allons d’abord examiner les phénomènes qui accompagnent l’effet inverse.
Les recherches que j’ai pour- suivies dans ce sens à Amster-
Fig. 0.
dam, en collaboration avec mes élevés les D18 Hallo et
Gcest, me furent suggérées par les recherches théori- ques du professeur Voigt de Gôttmgen. La théorie de Lorentz se rapportc à une seule particule vibrante et
ne peut s appliquer qu a des
substances de faible densité qui
émettent des raies spectrales
très étroite. Pour de plus gran-
des densités et, par conséquent,
pour des raies plus larges,
l’influence mutuelle des molé- cules doit être introduite. Il semble toutefois, qu’une théorie
de l’émission d’un système de
molécules douées d’actions mu-
tuelles soit d’une très grande
difficulté. Pour le cas de l’ab-
sorption, le problème est plus
commode et a été traité par le
professeur Voigt dans sa théorie
des phénomènes magnéto-opti- ques1. 11 ne s’est pas servi di- rectement des électron ; nlais
il ajoutc de nouveaux ternles,
convenablement choisis, aux
Fig. 9.
équations du mouvement dans un milieu absorbant.
Sa méthode établit une relation entre la rotation du
plan de polarisation et la modification des raies spec-
trales, relation indiquée presque simultanément par
Fitzgerald. Ceci conduit à un résultat intéressant, non prévu jusqu’ici par la théorie des électrons et dont
nous allons maintenant nous occuper.
Rotation du plan de polarisation au voisinage
d’une bande d’absorption2.
La rotation magnétique du plan de polarisation est
extrêmement petite dans tous les gaz et aussi dans la 1. VOIGT. Ann. der Physik.. Bd. 67, p. 545, 1899.
’2. ZELMAK. Proc. Ac. Sciences, Amsterdam, mai 1902. -
