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Submitted on 1 Jan 1925
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La diffusion de la lumière par le méthane et ses homologues gazeux
J. Cabannes, J. Gauzit
To cite this version:
J. Cabannes, J. Gauzit. La diffusion de la lumière par le méthane et ses homologues gazeux. J. Phys.
Radium, 1925, 6 (6), pp.182-198. �10.1051/jphysrad:0192500606018200�. �jpa-00205204�
LA DIFFUSION DE LA LUMIÈRE PAR LE MÉTHANE ET SES HOMOLOGUES GAZEUX par MM. J. CABANNES et J. GAUZIT,
Faculté des Sciences de Montpellier.
Sommaire. 2014 La lumière diffusée transversalement par les hydrocarbures saturés
gazeux de la série grasse n’est pas complètement polarisée. Le facteur de dépolarisation
vaut 0,015 pour le méthane (éclairé en lumière naturelle) et varie peu lorsqu’on passe du méthane à l’éthane, au propane, au butane normal, au pentane normal, à l’isopentane et
à l’hexane normal. Nous avons cherché la cause de cette dépolarisation et nous l’avons
attribuée à une anisotropie de l’atome de carbone : l’atome de carbone n’aurait pas exacte-
ment la symétrie du tetraèdre régulier.
L’intensité lumineuse diffusée transversalement par les 4 premiers carbures a été comparée à celle que diffuse le gaz carbonique. La loi de lord Rayleigh généralisée par l’un de nous se vérifie bien avec les carbures en C2, C3, C4; avec le méthane, l’intensité mesurée dépasse de près d’un dizième l’intensité prévue.
I. DESCRIPTION DES EXPÉRIENCES.
1. Introduction. - On admet dans la théorie électronique de la réfraction e~, de la
diffusion de la lumière par les gaz transparents que les molécules contiennent des électrons
capables d’entrer en vibration sous l’action d’une onde lumineuse. Chaque molécule
se polarise lorsqu’elle est éclairée, et, dans le cas où elle est anisotrope, l’axe du doublet et la distance des pôles induits par le champ électrique de l’onde varient suivant l’orientation de la molécule par rapport à ce champ (l~).
L’indice de réf raction V. dans la région de transparence fait connaître la valeur moyenne de la polarisation induite des molécules lorsqu’elles prennent indistinctement toutes les orientations possibles, sans donner aucune indication sur leur anisotropie; mais cette aniso-
tropie nous est révélée par les deux constantes de diffusion (dépolarisation p et intensité R
de la lumière diffusée latéralement). ..
Si l’étude expérimentale de la diffusion de la lumière par les gaz apparaît ainsi plus
riche en résultats, du point de vue moléculaire, que celle de la réfraction, ce fait remar- quable provient des deux manières différentes dont on doit grouper les électrons pour obtenir soit l’onde régulièrement réfractée, soit les petites ondes diffusées. Dams le calcul de l’onde régulièrement réfractée, on ajoute les déplacements de tous les électrons que contient l’unité de volume sans faire intervenir séparément les molécules ; il est au contraire néces-
saire, pour évaluer la lumière diffusée par un gaz, de une à une chaque molécule et
de chercher l’intensité lumiîzeuse qu’elle diffuse, indépendamment des molécules voisines.
Dans le travail actuel, nous avons choisi comme sujets d’expérience les hydrocarbures
saturés gazeux de la série grasse parc~ que l’on possède déjà sur leur structure moléculaire des renseignements précis. Le méthane, l’éthane, le propane, le butane normal, le pentane
normal et l’isopentane, enfin l’hexane normal ont été successivement étudiés. La molécule
relativement simple du méthane se complique progressivement lorsqu’on passe d’un terme au suivant, et l’hexane contient déjà vingt atomes par molécule; mais il n’y a parmi ces
nombreux atomes que du carbone et de l’hydrogène, et l’on peut espérer atteindre des lois
simples et relativement faciles à interpréter.
(~) Cette polarisation induite se superpose d’ailleurs en général à une polarisation permanente, le centre
des charges négatives de la molécule ne coïncidant pas. sauf dans quelques cas simples, avec celui des charges positives.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:0192500606018200
2. Préparation des hydrocarbures. - Nous avons préparé les
terrnes de la série par le procédé Griznarcl à partir des iodures purs de méthyle, d’éthyle, d’isopropyle et de butyle normal (1). Ce mode de préparation, très simple, est aujourd’hui classique. On forme le dérivé organo-magnésien que l’on décompose ensuite avec précau-
tion par l’eau. Les deux réactions s’effectuent dans le même ballon muni d’une ampoule à
brome et d’un réfrigérant à reflux. Pour éliminer sûrement toute trace d’éther, nous faisions passer lentement les gaz dans un long tube de verrue presque horizontal rempli d’acide sulfurique. Après avoir laissé dégager les fractions de tète, qui peuvent entraîner un peu d’air, on recueille les gaz dans une cloche sur la cuve à eau. Il n’y a plus qu’à les aspirer
dans le récipient qui permettra de les étudier. L’opération se fait à travers un tube dessé- chant à anhydride phosphorique et un tube à coton hydrophyle tassé. Ces tubes et le
récipient ont été préalablement vidés ; des robinets très légèrement paraffinés établissent la communication soit avec la pompe, soit avec la cloche.
Le pentane iioriiial et l’isopentane provenaient des collections de l’Institut de Chimie de
Montpellier où ils étaient conservés en tubes scellés. La densité des liquides à O’C (0,6454 g:cm3 pour le pentane normal et 0,6393 pour l’isopentane) nous aurait sans doute permis de les caractériser; mais nous étions en été ; à la température du laboratoire (28 à 30°C), la tension de vapeur de ces liquides était déjà très élevée ; nous avons jugé beaucoup plus facile de mesurer des températures d’ébullition.
On introduit le pentane à étudier dans un tube à essai A retourné sur une cuve à
mercure constituée par le très petit cristallisoir B (fig. i). Le tout est placé dans le grand
cristallisoir 31 N qu’on remplit d’eau dont on élève. peu à
peu la température en agitant. Lorsque l’ébullition du
pentane commence, on note la température du bain ; on
mesure la pression atmosphérique et la hauteur de mer- cure A B. Notre isopentane bout à 31°C sous la pression
normale (2), notre pentane normal à 32°C sous une pres- sion de 630 rnm de mercure. On a là une méthode de me- sure des tensions maxima commode et rapide : elle n’exige
pas, au-dessus du liquide A, une atmosphère parfaitement privée d’air.
G’hexane nornial, préparé par Kahlbaum à partir de l’iodure de propyle, nous avait été donné par M. Aubert,
du laboratoire de M. Cotton.
Pour introduire la vapeur de pentane ou d’hexane dans Fig. 1
le récipient d’observation, on a commencé par remplir de ,
carbure liquide une petite ampoule à robinet qu’on a reliée au récipient par l’intermé-
diaire des tubes à anhydride phosphorique et à coton hydrophile. Après avoir fait le vide dans les tubes jusqu’au robinet de l’ampoule, on a ouvert ce robinet et laissé la pression
maximum s’établir.
3. Tubes en croix. - Nous ne décrirons pas en déiail les récipients à gaz formés de deux tubes de verre en croix de 300 cm3 environ de capacité. Ils sont tout à fait analogues à
ceux qu’utilisaient en 1923 Cabannes et Graniter (°).
Avec le méthane, l’éthane et le propane, il n’y a pas de précaution spéciale à prendre;
mais le butane et les carbures suivants altèrent assez rapidement les joints au mastic golaz,
sans doute par dissolution du gaz dans la cire. Il faut souder les uns aux autres les tubes de
verre ou les relier par des joints au mercure. Pour fixer au récipient les regards à faces parallèles qui permettront l’entrée de la lumière et l’observation latérale nous avons dû (1) Nous avons à remercier ici M. Godechot, doyen de notre Faculté des Sciences, de l’amabilité avec
laquelle il nous a reçus dans son Laboratoire de Chimie organique, où nous avons effectué ces préparations, et des conseils qu’il nous a donnés.
{2) Beilstein donne pour l’isopentane 30,!~~C. Pour le pentane normal, nos résultats sont conformes à
ceux de Young tels que les reproduit le Recueil de constantes physiques.
(~) Journal de Physique, t. 4 (1923), p. !~!~0.
remplacer le golaz par une colle non attaquable formée de gomme arabique et de sucre en parties égales, que nous avons recouverte extérieurement d’un vernis à l’alcool.
Nous nous sommes servis également de tubes en croix tout en verre, d’une seule pièce,
sans golaz ni colle et fermés à la lampe, comme dans l’étude du krypton et du xénon (’). Les
faces d’entrée et de sortie de la lumière doivent être soigneusement soufflées. De tels réci-
pients peuvent en effet présenter de graves inconvénients : déformer les images et dépola-
riser le faisceau de lumière. Nous avons vérifié qu’un verre convenablement soufflé et recuit avait une épaisseur assez constante pour ne pas déformer les images et une biréfringence
assez faible pour ne pas introduire d’erreur dans la mesure de p. Cette vérification doit se
faire sur chacun des tubes utilisés. On les casse de manière à détacher les faces soufflées. La
mesure de la biréfringence par la méthode bien connue du quart d’onde n’offre aucune diffi- culté. Entre polariseur et analyseur à l’extinction, on oriente une lame quart d’onde de manière à conserver l’extinction. Les lignes neutres de la lame se trouvent alors dans les
plans de section principale des nicols. Si l’on introduit le verre à étudier entre le polari-
seur et le quart d’onde, la lumière reparaît. On oriente ce verre de telle sorte qu’il
donnc le maximurn de lumière. Pour rétablir l’extinction, on doit faire tourner l’analyseur
d’un angle ~ ; on déduit de la mesure de ~ la plus forte biréfringence du verre étudié. La lame de verre donne en effet deux vibrations rectilignes à 45° des lignes neutres du mica quart d’onde, qui les transforme en deux vibrations circulaires inverses ; comme les deux recti-
lignes présentent une différence de phase ?, il en est de même des deux circulaires à la sortie du quart d’onde. Les deux circulaires se compo- sent donc en une vibration rectiligne faisant avec celle qui sort du po- lariseur un angle ’f/2, et il faut, pour l’éteindre, tourner l’analyseur
de _ .
Désignons par e l’épaisseur de la lame; par - ", la plus2 .
grande différence d’indices,
Les valeurs obtenues pour ~ n’ont pas dépassé ~0‘, même lorsque,
. pour augmenter la résistance à la rupture, on conserve au verre soufflé
rig 19. ’2. ° une grande épaisseur (e - 1,5 mm). Il en résulte que, (recevant la
vibration rectiligne d’intensité l, ce verre, dans la position la plus défavorable, donne toujours une vibration elliptique assez plate (fig. 2) pour que
j
= tg’ fi reste inférieur à détermination de p n’est pas assez précise pourqu’il y ait à la corriger d’une quantité aussi faible.
4. Mesure de la dépolarisation de la lumière diffusée transversalement. - On
a nlesuré la dépolarisation par la méthode de Cornu employée pour la première fois par l’un de nous en’1921 (2) clans la mesure de p et mise au point en 1923 (3). Comme source de lumière, le soleil; comme radiations utiles, toutes celles qui, après avoir traversé quelques
centimètres de crown, impressionnent une plaque très sensible (Jougla, bande mauve). On
choisit convenablement l’heure des expériences pour que la lumière réfléchie par le miroir de l’héliostat ne soit pas polarisée. Sur le faisceau diffusé, un wollaston à sections principales
i
verticales et un nicol mobile permettent la mesure de
= 2 en
séparant les deux vibrations I et i et en affaiblissant la plus intense. tg2 a; on égalise les deux images en faisanttourner le nicol de part et d’autre de la position pour laquelle I s’éteint, ce qui donne ~ac à (1) Comptes-rendus de l’Académie des Sciences, t. 179 (t9~!~), p. 325.
(2) Ann. de Phys, t. i5 (1921), p. 108.
(3) Journal de Pliysique, t. 4 (1923), p. 436.
un lemi-degré près. Pour tous les carbures étudiés, a. reste voisin de i °30’ ; l’erreur relative
sur x atteint donc 1/30; sur à, ,1/l~. La dépolarisation (voisine de est ainsi déterminée à une unité près du troisième ordre décimal.
La lumière diffusée par les carbures en CI et en C6 est très intense (35 et 49 fois plus
intense qu’avec l’air à la mème pression); aussi avons-nous pu contrôler les mesures photo- graphiques par des observations visuelles précises faites sur l’hexane. ~
5. Mesure de 1 intensité de la lumière diffusée transversalement. - Nous
avons comparé le méthane et ses trois premiers homologues au gaz carbonique, facile à préparer pur au laboratoire.
Il n’y a rien à changer, pour cette étude, au montage qui a permis la détermination de p (1). Supposons qu’on veuille comparer au gaz carbonique, qui diffuse l’intensité fo + io,
le méthane, qui diffuse l’intensité I + i. 7~ et I représentent les intensités relatives à lq
vibration la plus forte, celle qui est normale aux deux faisceaux primaire et secondaire ; Io’
et i représentent les intensités relatives à la vibration la plus faible, celle qui est parallèle au
faisceau primaire. Le tube à méthane étant en place, les sections principales du nicol et du
wollaston étant parallèles (a _-_- 0), on fait une première pose; puis on fait tourner le nicol d’angles connus x’, et, chaque fois, on photographie le faisceau. Les éclairements de la
plaque sont entre eux comme
, 1 cos2x’, I cos2a". " ~ Mêmes opérations pour le gaz carbonique. On a les éclairements
Naturellement, les six poses se font sur la même plaque en des temps égaux. L’étude au microphotomètre du cliché révélé, fixé et séché donne 1110. On en tire immédiatement
et l’on fait la correction de pression en multipliant le résultat brut par le rapport de la pression du gaz carbonique à celle du carbure. ’
L’expérience complète dure dix minutes. Il faut pouvoir considérer le rayonnement
solaire comme constant pendant ce court intervalle de temps. Il faut s’assurer que la varia- tion de hauteur du Soleil et de l’épaisseur d’air traversée par ces rayons ne modifient pas sensiblement l’éclairement E de la masse gazeuse. Un calcul simple donne la variation rela- tive dE/L’. Soit z la distance zénithale du Soleil; a, le coefficient de
.
transparence de l’atmosphère pour un faisceau de lumière veinant du zénith :
Si z varie de dz
dE sina
dz log a.
z da
logz.COS2 z
A Montpellier, pour la région bleue du spectre, a, les jours de beau
temps, est voisin de 0,55. Fig. 3.
Soit p la colatitude du lieu d’observation. Désignons par P et t la distance polaire et l’angle horaire du Soleil à un moment donné (fig. 3) :
(1) Ann. de t. i5 (1921), p. 126.
et, si t varie de dt,
D’où
avec dt.- 10 miuutes = 2°30’ = 0,0h36 radian.
Prenons approximativement fi - 45° et t _-__ 1° (expériences faites vers ii heures
rt /
solaires vraies). L’expression
dE ,
considérée comme fonction de P, croît constamment Elorsque P passe de sa valeur minimum 6°3 (solstice d’été) à sa valeur maximum 13°’
(solstice d’hiver). On obtient ainsi
Nos mesures définitives ont été faites au printemps et en été; on voit que le rayonne-
ment solaire reste constant à 1 j100 près. ,
6. Mesure de l’indice de réfraction du propane et du butane normal - La
mesure directe de l’indice de ces deux gaz, qui n’avait pas été faite jusque là, nous a paru inté- ressante. Si l’on admet la loi de Lorentz sur l’additivité des réfractions atomiques, on peut
. calculer a priori ces indices, et la mesure vérifie à la fois (s’il y a concordance) la loi d’addi- tivité et la pureté des gaz. Si le gaz n’est pas parfaitement pur, cette mesure donne l’indice du
mélange sur lequel porte l’étude de la diffusion, celui qu’il faut introduire dans les formules.
Nous avons réalisé un dispositif qui, s’il n’est pas d’une très grande précision, permet d’opérer sur quelques centimètres cubes de gaz (1). L’un des deux rayons qui se propagent
entre les glaces épaisses de Jamin traverse un tube de 20 cm de long et de 30 cm3 de capa- cité. Les glaces qui ferment le tube le débordent suffisamment pour être traversées à la fois par les deux rayons. On éclaire en lumière blanche (bec Auer) et, le tube étant rempli d’air
sec à la pression P, on amène la frange centrale sur la croisée des fils du réticule; puis on
vide le tube, et, par un canal capillaire, on fait arriver très lentement le gaz à étudier. On note la pression p lorsque la frange centrale repasse sur la croisée des fils du réticule. La réfraction de l’air étant connue à toute température, nous obtenons ainsi celle du gaz ,à la température t de l’expérience et sous la pression p.
Nous avons admis que dans nos mesures la radiation effective a pour longueur d’onde
5700 À et que l’indice de l’air relatif à cette adiation vaut 1,000 2929 dans les conditions normales. Il en résulte que la réfraction de l’air à la température t et sous la pression P (qui
est aussi celle du gaz à la telnpérature t et sous la pression p) a pour expression
D’où les valeurs numériques
Les pressions? sont mesurées à ~/300 près : c’est la précision avec laquelle on a p - 1.
(1) Nous avons opéré sur 6,5 cm3 de propane et 13 cme de butane, comptés sous la pression normale.
Soit D la densité du gaz; Do, la densité théorique, obtenue en divisant la masse molé- culaire M par le volume v, - 22412 cm3. Nous avons calculé lu réfraction théorique par la formule
Pour connaître la valeur de J avec le propane et le butane (qu’on ne peut pas assimiler
aux gaz parfaits), nous nous sommes servis de l’équation d’état
où p représente la pression en atmosphères et ~3, un coefficient (fonction de la température) qui définit l’écart avec la loi de Mariotte. L’expression du coef ficieiit B en fonction des cons-
tantes critiques 0, et P, a été donnée par D. Berthelot (’). Malheureusement, l’étude ther-
modynamique du butane n’a pas été faite et nous avons dû déterminer ses constantes cri-
tiques par interpolation à partir de celles des carbures en Ci C’, C~, C5, C6, C" . Nous avons
ainsi trouvé .
Pour le propane on a, d’après Olszewski, 6c ~ 9i° et Pc == 45 atmosphères, ce qui con-
duit aux équations de compressibilité à 20* :
Les termes correctifs ne sauraient être négligés. Nous avons donc finalement :
Pour pouvoir comparer ces résultats à ceux que donnent les mesures de diffusion, faites
par photographie, il y a lieu d’évaluer la réfraction de chacun des deux gaz en lumière
indigo (À == 4300 À). Silberstein a calculé la valeur de la dispersion atomique du carbone et de l’hydrogène (’). En admettant la loi d’additivité des réfractions atomiques, on en tire,
pour le propane et le butane,
or nos propres mesures donnent - 1. On obtient ainsi, en lumière indigo :
Ces nombres nous permettront de contrôler les formules qui relient les constantes de diffusion à l’indice de réfraction.
,
(1) Recueil de Constantes physiques, p. 247.
’
(’l) Phil. t. 33 (1917), p. 92.
II. DISCUSSION DES RÉSULTATS.
7. Tableau des valeurs numériques.
La colonne (I) indique en gros les conditions de température et de pression. En (II),
nous donnons la dépolarisation
- 2 .
En (III), l’intensité I relative à la vibration la plus intense, en prenant pour unité l’intensité 1 diffusée par le gaz carbonique. En (Ii" ) , l’intensité totale I + i diffusée à 90° du faisceau primaire, en prenant pour unité l’intensité totale I + idiffusée par le gaz carbonique. Les indices des gaz étudiés (V) ont été ramenés aux condi- tions normales à l’aide de la formule (1). .
8. Etude des intensités diffusées. - Plusieurs relations ont été proposées entre les
trois constantes optiques p,., 1-~- i et p. D’abord la formule célèbre de Lord Rayleigh, qui ne
tient pas compte de l’anisotropie des molécules,
où / -t- ~ représente l’intensité lumineuse diffusée par chaque centimètre-cube contenant n
molécules; E, l’éclairement produit par le faisceau primaire ; X, la longueur d’onde en cen-
timètres de la radiation incidente (lumière naturelle et monochromatique).
L’un de nous a complété cette formule, de manière à tenir compte de l’anisotropie des molécules, par le facteur
La relation qu’on obtient ainsi,
n’est valable que dans le cas d’un gaz peu réfringent et voisin de l’état parfait. Nous négli-
;eons, pour l’établir, le champ électrique dû à la polarisation des molécules éclairées et nous
,upposons les molécules distribuées tout à fait au hasard.
On connait d’autre part l’expression d’Einstein pour un fluide à molécules isotropes à
ine température et sous une pression quelconques. Raman a montré qu’on pouvait l’étendre
Vussi au cas des molécules anisotropes en y introduisant le mème facteur d’anisotropie que
lans la formule (a).
On a ainsi 4
où R représente la constante des gaz parfaits rapportée à la molécule-gramme ; L’l, le
nombre d’Avogadro; T, la température absolue; et ~, la compressibilité isotherme.
Cette dernière relation, très générale, peut s’écrire dans le cas des gaz d’une marnière
légèrement différente qui facilitera la comparaison avec la relation (3). En partant de l’équation d’état >
relative à la molécule-gramme, nous arrivons facilement à l’expression
1
n désignant le nombre de molécules par centimètre cube. Nous pouvons poser v == 2013 : à -. cela
revient à prendre comme unité de volume le volume (moléculaire Va == 22 4i2 cm3 ; nous
avons alors
tant que le coefficient B, qui mesure l’écart avec la loi de Mariotte, reste assez petit, et la
formule (4) s’écrit
On voit immédiatement que les gaz qui sont plus compressibles que ne l’indique la loi 1
de Mariotte (B ~ 0) doivent diffuser plus de lumière que ne l’indique la formule (3). L’écart
devient mesurable avec le butane.
Introduisons la réfraction [J() - 1, correspondant à la densité théorique
, , , . , - , , , .. - . -
nombre de molécules ii, que possède alors chaque centimètre cube : -.
et les trois formules à comparer s’écrivent
Les valeurs numériques des seconds membres sont données dans le tableau suivant :
Avec le butane, Pécari atteint 0,06 ; avec le propane, 0,03.
Le premier seul est nettement mesurable.
Il nous reste à évaluer pour chaque hydrocarbure, et dans chacune des trois liypo- thèses, le rapport
...L .L" · u 1
entre l’intensité diffusée par le carbure et celle que diffuse le gaz
carbonique, et à le comparer aux résultats de l’expérience.
La difficulté de cette vérification expérimentale provient de l’incertitude sur la valeur
i, qui figure au carré; pour le gaz carbonique, le méthane et l’éthane, nous avons trouvé les bonnes déterminations de Perreau et Saint-Loria, mais la dispersion de ces gaz n’est pas négligeable; pour le méthane, la variation relative de (:J. - 1)2 atteint 0,011 lorsque ~~ passe de 4300 à 4100 1; or il est difficile de préciser dans nos expériences la longueur d’onde efficace. Pour le propane et le butane, en déterminant’nous-mémes sur le même échantillon l’indice et l’intensité diffusée, nous avions évité la cause d’erreur qu’aurait
pu entraîner une purification imparfaite de ces gaz très réfringents, mais à l’incertitude sur
la longueur d’onde efficace s’ajoute ici notre ignorance de la Loi exacte de dispersion.
Les
rapporte -
(rapports calculés ’-
u v ’ y"
ne sont guère connus qu’à 0,01 il en est de même des Quant aux comparaisons photométriques de ces intensités, elles
ne peuvent pas donner une approximation meilleure que 0,01. Un écart de 0,02 est donc
admissible entre les nombres calcules et mesurés.