HAL Id: jpa-00242448
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00242448
Submitted on 1 Jan 1911
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.
H. Rubens, R.W. Wood
To cite this version:
H. Rubens, R.W. Wood. Isolement de rayons calorifiques de grande longueur d’onde à l’aide de lentilles de quartz. Radium (Paris), 1911, 8 (2), pp.44-51. �10.1051/radium:019110080204400�. �jpa-00242448�
Isolement de rayons
calorifiques
degrande
longueur
d’onde à l’aide de lentilles de quartzPar H. RUBENS et R. W. WOOD 1 [Laboratoire de Physique. - Université de Berlin.]
A côté de la méthode des rayons restants, on peut
se servir, pour isoler des rayons calorifiques de grande longueur d’onde, d’un procédé dans lequel c’est la
réfraction sélective, au lieu de la réflexion sélective, qui sépare le faisceau de grande longueur d’onde du rayonnement total de la source . En 1899, l’un de
nuus a montré, en collaboration avec E. Aschkinass, que l’on peut à l’aide de prismes en quartz à angle aigu, séparer facilement les rayons de grandes lon-
gueurs d’onde des autres, grâce à leur réfrangibilité beaucoup plus élevée 2.
Mais comme cette méthode exige l’emploi d’un spectromètre dans lequel il se produit une perte consi-
dérable d’énergie, ce procédé a été abandonné comme trop peu lulnineux; en particulier, le rayonnement isolé disparaissait presque complètement lorsqu’on
introduisait des épaisseurs notables de quartz sur le trajet des rayons.
La méthode qui va être exposée ne présente pas ce défaut. Elle repose, comme l’ancien procédé, sur la
réfraction sélective des rayons de grande longueur
d’onde dans le quartz, mais la réfraction, au lieu de
se faire à travers des prismes, est produite par des lentilles.
La figure 1 montre une image schénlatique de
notre dispositif expérimental. La source A est consti-
Fig. 1
tuée par le manchon d’une lampe à incandescence renversée (Invert-C-Brenner de Julius Piiitsch). Elle
se trouve devant une ouverture circulaire B percée
dans un écran métallique C à double paroi. A 26 cm.
de cet écran est placée une lentille de quartz Li. Les
rayons traversent ensuite le diaphragme F de l’écran métallique E et la lenlillc de quartz L2 pour arriver
au microradiométre M. Tous ces appareils sont situés
à la même distance, 26 cm. l’un de l’autre. Les deux 1. Mémoire communiqué par M. H. finhèns le 10 janvier 1911.
2. H. RUrrns et E. AscuiKi-.,,Ass. Wied. Ann., 67 (1899) 459.
lentilles biconvexes L, et L2 ont pour les rayons lu- mineux une distance focale de 27,:1 cm. Leur dia-
mètre est de 7,5 cm, leur épaisseur de 0,5 cm. aux
bords et de 0,8 cm. au milieu. Le diamètre des
diapliraguies B et F est d’à peu près 15 mm. Les parties centrales des lentilles Li et L, sont recouvertes par des disques de papier noir (a1 et a2), de 25 mm.
de diamètre. Un écran mobile D en verre permet d’interrompre à volonté l’arrivée des rayons de grande longueur d’onde au microradiomèlre.
Le fonctionnement de ce dispositif est facile à com- prendre.
La distance de la lentille L1 aux écrans C et E est
choisie de telle sorte, que seuls les rayons pour les-
quels l’indice du quartz est voisin de la racine carrée de sa constante diélectrique peuvent donner une image
nette du diaphragme B. Si l’on admet pour la cons- tante diélectrique du quartz la valseur 4,6, on trouve pour l’indice de réfraction correspondant n = 2,14.
Pour les rayons de faible longueur d’onde appartc-
nant au spectre infra-rouge ordinaire et pour lesquels
le quartz est encore transparent sous des épaisseurs
de quelques millimètres, l’indice de réfraction varie entre 1,55 et ’J,45.
Ces rayons forment donc, après leur passage au
travers de Li, un faisceau divergent qui est représenté
sur la figure par des lignes ponctuées. La partie exté-
rieure de ce faisceau est arrêtée par l’écran E, la partie interne par le disque a1. Par conséquent, les
rayons dont l’indice dans le quartz est très voisin de la racine carrée de la constante diélectrique, peuvent
seuls passer à travers le diaphragme F. Ceci n’est ce- pendant pas tout à fait exact, car il se produit tou- jours à la surface de la lentille Li une faible diffusion du rayonnement incident dont une petite fraction
passe à travers F. Mais comme l’infra-rouge ordinaire
est plusieurs milliers de fois plus intense que les rayons â isoler, même pour le bec Auer qui est rela-
tivement riche en rayons de grande longueur d’onde,
il est absolument nécessaire d’arrêter le rayonnement diffus qui vient des surfaccs de la lentille Li. On y arrive d’une façon très complète en reproduisant une
seconde fois le dispositif séparateur. C’est ainsi que la lentille L2, recouverte au centre du disque de pa-
pier el2’ ne laisse entrer dans le cône du microradio- mètre M que le rayonnement de grande longueur
d’onde que l’on voulait isoler.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:019110080204400
Pour qui la disposition du microradio- mètre, on consultera des travaux antérieurs’. Il suffit de dire ici qu’il était placé sous une cloche a vide,
munie d’une fenêtre en quartz de 1 mm. d’épaisseur,
afin de permettre aux rayons d’entrer dans le cône de l’instrument. On a augmenté un peu sa sensibilité en
noircissant d’une façon plus parfaite la soudure sou-
mise au rayonnement, de telle sorte qu’une bougie à
deux mètres de distance donnait, malgré les pertes dues au quartz, une déviation de 700 mm .
Voici les avantages de cette méthode de séparation
des rayons de grande longueur d’onde : on peut se
servir de faisceaux d’ouverture très considérable
( i 5,5) et, de plus, il ne se produit de pertes d’énergie que par réflexion à la surface du quartz et
par absorption en leur intérieur. Ce dispositif est
donc extraordinairement lumineux.
Par contre, surtout si on le compare à la méthode des rayons restants, il présente le désavantage que tous les rayons dont l’indice est voisin de 2,14 et qui peuvent traverser l’épaisseur de quartz intercalée sur
leur trajet, arrivent jusqu’à l’instrument de mesure.
Déjà pour h = 6303BC le quartz a un indice égal à 2,19
tendant vers la limite 2,14 à mesure que la lon- gueur d’onde augmente 2. On aura donc affaire à un
rayonnement assez complexe, quoique du côté des
courtes longueurs d’onde la limitation du domaine
spectral isolé se fasse bien plutôt par l’absorption sé-
lective du quarlz, que par sa réfraction sélective.
Pour des épaisseurs de l’ordre de celles que nous
avons utilisées dans notre dispositif (1,7 cm. envi- ron) l’absorption du quartz est encore extrèmement élevée pour les longueurs d’onde comprises entre
60 et 80 03BC. Elle est par exemple de plus de 99 pour 100 pour les rayons restants de la sylvine (65 p), encore
environ 97,5 pour 100 pour ceux de KBr (82 03BC), tandis qu’elle tombe à 17 pour 100 pour ceux de l’iodure de potassium (96 p) 3. Cette augmentation rapide de
la transparence avec la longueur d’onde fait que la courbe d’énergie des rayons que nous avons isolés s’élève très rapidement du côté des courtes longueurs
d’onde. De l’autre côté, la limitation du domaine spec- tral est due surtout à l’abaissement de la courbe
d’énergie de la source. Si le bec Auer ne possède pas de propriétés sélectives dans la région du spectre qui
entre en jeu ici, l’énergie qu’il émet doit diminuer comme c’est-à-dire qu’une augmentation de i9
A4
pour 100 de longueur d’onde doit réduire de moitié l’intensité. Mais en réalité, la courbe d’énergie
s’abaisse bien plus lentement, car la transparence du quartz augmente triés vite avec la longueur d’onde.
1. H. SCHMIDT. Ann. d. Phys., 29(1909) 1003; H. RruE!’Bs et H. IIOLLXAGEL Pjail. 31ag., 19 (1910) 764.
2. H. RunExs et E.-F. NICIIOLS. ll’ied. Ann., 60 (1897) 418.
5. II. RUBENS et Il. IIOLLNAGEL. Silzber. der K. Preuss. Aakd.
Berlin, janvier 1910, p. 26.
Dans ces conditions, peut s’attendre à
ver un rayonnement à courbe d’énergie dissymétri-
que, dont le maximum est situé plus près des courtes longueurs d’onde que son centre de gravité, et qui
s’étend à partir de 80 m. sur plus d’une octave.
Les résultats expérimentaux ont entièrement con-
firmé ces prévisions. Lorsqu’on levait l’écran mobile
(Dng. 1) le microradiolnètre déviait d’environ 10 mil- limètres. Il revenait au zéro lorsqu’on plaçait sur
le trajet des rayons une lame de sel bemme de 5 millimètres d’épaisseur; par contre, l’introduction d’une lame de quartz de 4 millimètres ne diminuait la déviation que de moitié. Pour déterminer les lon- gueurs d’onde du rayonnement isolé, et la distribu- tion de l’énergie entre ces longueurs d’onde, nous
nous sommes servis du même interféromètre à lames de quartz qui avait servi aux recherches sur les rayons restants du bromure et de l’ioclure de potas- sium.
L’appareil 1 était placé au voisinage du diaphra-
gme F (fig. 1). On en trouvera une description précise
dans le mémoire déjà cité 1. Il consiste essentiellement
en une couche d’air plan-parallèle qui est limitée par deux lames de quartz planes, et dont on peut faire varier l’épaisseur d’une quantité mesurable. L’une des lames de quartz est fixée à un support immobile, l’autre au chariot d’une machine à diviser. Lors-
qu’on introduit l’appareil sur le trajet des rayons, et
qu’on fait grandir peu à peu l’épaisseur de la lame
d’air à partir de la valeur zéro, les déviations du 111icroradiomètre présentent des variations périodi-
ques. Si l’on trace la courbe des déviations, obser-
vées en fonction des épaisseurs, on peu t déduire de la position des maxima et des minima la longueur
d’onde moyenne du rayonnement étudié. On obtient également des renseignements sur son homogénéité.
Comme il s’agit, dans les expériences qui sont dé-
crites ici, de rayons de très grande longueur d’onde,
pour lesquels le quartz est assez transparent, on a pu
prendre, pour limiter la couche d’air plan-parallèle,
des lames de quartz d’épaisseur notahle, au lieu des
lamelles extrêmement ininces qui avaient servi aupa- ravant. Cette modification présentait ici de grands avantages. Des expériences préliminaires avaient
montré en effet que le rayonnement étudié ne présen-
tait que très peu de maxima et de minima, par suite de sa faible homogénéité. 11 était donc très important
d’obtenir des résultats certains pour des épaisseurs
extrêmement faibles de la lame d’air. Cette condi- tion est bien plus facile à réaliser avec des lames de quartz épaisses, qu’avec des lamelles qui sont
moins planes, et se déforment plus facilement. Les
expériences que nous allons décrire ont été faites
avec deux paires de lames de quartz, constituées l’une par des lames de 2,0 millimètres et l’autre par des
1. Il. RUBEXS et II. IIoLL1SALLL. Loc. cit.. p. 27.
lames de 7,5 millimètres. Déplus, comme nous
avions remarque qu’il était impossible (T évaluer exac-
tellient l’épaisseur d’une couche d’air extrêmement mince par une lecture sur le tambour de la machine à diviser’, nous avons rcnoncé à opérer ainsi et rem- placé cette lecture par une mesure optique. A cet effet, nous avons fait tomber aussi normalement que
possible sur la lanlc d’air, la lumière d’une flamme de sodiunl, et nous avons observé, à l’aide d’une lame de verre inclinée à 45° sur le trajet des rayons, les
franges d’interférence ainsi formées. Au début d’une série de mcsures, nous rapprochions les lames aussi
près que possible l’une de l’autre. Il était impossiblc,
il est vrai, d’obtenir un contact pariait, mais il était
facile de déterminer l’ordre d’ilaterférence des franges
dans la position initiale en amenant le centre des
lames au contact par une légère pression, et en coup-
tant le nomhre des franges qui passaient lorsqu’on
leur laissait reprendre leur position normale. OIl mesurait alors la déviation du microradiomètre. Puis l’on faisait tourner le tambour de la machine à diviser jusqu’à ce que 20 franges d’interférence en
lumière jaune aient passé en un point, détenniné de la lame d’air, ceci correspondait à un accroissement
d’épaisseur de 10 À D = 5,89 u. On mesurait de nou-
veau l’énergie, reculait encore le plan de quartz mobile de 10 longueurs d’onde du sodium, et l’on
continuait ainsi l’étude de la courbe d’interférence
jusqu’à ce que les maxima et les minima ne présent-
tassent plus une netteté suffisante.
Les résultats de telles séries de mesures sont repro- duits dans les figures 2 et 5. Les courbes de la figure 2
ont été obtenues avec les lames de quartz de 2 milli-
mètres d’épaisseur, celles de la figure 3 avec les lames de 7,5 millimètres. En abscisses sont portées les épaisseurs de la lame d’air exprimées en longueurs
d’onde de la raie D ; les ordonnées représentent en
millimètres les déviations du mieroradiomètre. La courbe de la ligure 2 possède un minimum verts 46 A D
un maximum vers 85A D, un deuxième minimum
vers 122,3 AD. La figure 53 présente un minimum
vers 47,5A D un maximum vers 90h n un deuxième minimum vers 128 I, n. Si l’on calcule dans les deux
cas li longueur d’onde du complexe de rayons d’a- près l’abscisse du premier nlinimum, on trouve pour la série d’expériences à laquelle correspond la figure 2 : A1=46x0,589x403BC=108,203BC, et pour les expé-
riences de la figure 5, À’ = 47,5 X 0,389 X 14 u
= 111,8 03BC. En utilisant de la même façon les épais-
scurs relatives au premier maximum, on obtient A2 = 10003BC; A’2 = 100 03BC, et pour le second minimum
A3 = 96,3 03BC; A’3 = 100 03BC. Si l’on tient compte du fait
Il se produit probablement, au début du mouvement du
chariot. dans la vis et les supports de la machine, des tensions
élastiques qui ne doivent devenir constantes qu’après une cer-
tainc rotation ,lu tambour.
que les rayons ne tombent pas normalement sur la
lame d’air, mais qne leur incidence moyenne est
Fig. 2.
d’environ 6", on trouve des longueurs d’onde plus
courtes 0,6;j-.
On voit que chaque courbe donne, pour la longueur
J’-onde moyenne du complexe de rayons étudier une
Fig. J.
valeur différente suivant l’ordre du maximum ou du minimum utilisé pour le calcul. Dans les deux séries de mesures, la longueur d’onde diminue lorsclue l’ordre
d’interférence croit. Ce fait trouve son explication
dans l’allure dissymétrique dcs courbes d’énergie.
Le premier minimum doilne une xalcur de la lon- gueur d’onde qui est la plus voisine du centre (le gravllé de la courhe d’énergie, tandis (lue les maxima et minima suivants donnent des valcurs
qui se rapprochent de plns en plus du maximum de la courbe d’énergie. Lcs courbes d’énergie obtenues
à partir des deux séries d’expériences diffèrent tant
longueur
que par la position de leur maximum et le degré de
leur asymétrie. Celte différence est due au fait que les épaisseurs de quartz qui se trouvent sur le pas- sage des rayons ne sont pas les mêmes dans les deux
cas. Lorsqu’on utilise les lames de quartz les plus
grosses, les rayons qui arrivent au microradiomètre ont efl’ectué dans le quartz un trajet plus long, de 10,6 mm. qu’avec les autres lames1. Cette couche de quartz supplémentaire affaiblit les rayons de courte
longueur d’onde bien plus que les autres, pour lesquels l’absorption dans le quartz est faible. La branche ascendante de la courbe d’énergie sera donc déplacée
vers les grandes longueurs d’onde lorsqu’on aug- mente l’épaisseur du quartz, tandis que la branche descendante ne subit que de faibles modifications.
Afin d’ohtenir une image de la distribution de
l’énergie entre les longueurs d’onde isolées, nous
n’avons pas pu nous servir de la méthode d’approxi-
mation qui avait été utilisée autrefois dans l’étude des rayons restants2, car le rayonnement étudié ici
est trop peu homogène. Nous avons donc été forcés
Fig. 4.
de tracer arbitrairement deux courbes d’énergie et
de modifier leur forme jusqu’à ce que les courbes d’iuterférence correspondantes coïncident à peu près
avec celles des figures 8 et5. Étant donnée une courbe d’énergie, il est facile de tracer avec une approxiu1a-
tion suffisante la courbe d’interl’érence correspon-
1. Il a été fait en tout 8 séries qui ont donné des résultats concordants.
2. Le fait que les rayons qui traversent la lame d’air ne sont pas parallèles produit le même effet, sur les franges d’interfé-
rence, qu’un défaut d’homogénéité: mais cet eliet est négli- geable.
grand nombre de bandes verticales dont chacune es[
constituée par un rayonnement à peu près homogène,
on trace la courbe d’interférence relative à chacune de ces bandes et la superposition de toutes ces courbes
donne la figure d’interférence du rayonnement total.
Les courbes a et b de la tioure 4 représentent deux
distributions d’énergie qui donneraient à peu près les
courbes d’interférence des figures 5 et 4. Ces courbes
d’énergie nlontrent nettement combien les faisceaux isolés dans les deux séries d’expériences étaient peu
homogènes. Il serait cependant difficile de prétendre
que ces courbes cc et b représentent la vraie distri-
bution de l’énergie dans les deux faisceaux, car, étant donné le peu de précision des expériences, le choix
de la forme des courbes est encore un peu arbitraire.
Absorption et réflexion du rayonnement isolé.
Quoique le rayonnelnent isolé à l’aide de notre
dispositif â lentilles de quartz s’étendît sur une région
étendue du spectre, il nous parut intéressant d’étudier
sur un certain nombre de substances l’absorption et
la réflexion de ce complexe de rayons.
Nous ne possédons en effet encore aucun renseigne-
ment sur les propriétés de ces grandes longueurs
d’onde, et nous n’avons aucun moyen d’effectuer dans ce domaine spectral des mesures sur des raBons
homogènes.
Pour commencer, nous avons détermillé la trans-
parence de quelques corps solides. Après avoir éloigné l’interféromètre, nous avons placé les substances étu-
diées, sous forme de lames plan-parallèles, au voisi-
nage du diaphragme F (fig. 1). En outre, une lame de quartz de 4 mln, d’épaisseur se trouvait constam-
nlent sur le trajet des rayons. Ceci était nécessaire,
car, ainsi que nous l’avons vu, la longueur d’onde
moyenne et la courbe d’énergie du rayonnement
dépendent de l’épaisseur de quartz traversée. Il a donc fallu remplacer l’absorption des deux lames de l’inter-
féromètre, qui avaient 2 mm. d’épaisseur chacune,
par celle d’une lame auxiliaire.
Le tableau suivant contient les résultats des obser- vations. Il n’a pas été fait de correction relative à la réflexion sur les surfaces des lames étudiées. On pou- vait prévoir que la paraffine, l’éhonite et le quartz
seraient transparents mêlne en couches assez épaisses.
La grande transparence du diamant est remarquable.
Il se réfléchissait environ 50 pour 100 de r énergic
incidente sur les surfaces de la lame étudiée, et une partie notable des rayons qui passaient ne pouvait pas arriver dans le microradiornètre, car la lame de dia- mant dont nous disposions était taillée un peu en coin et n’était pas tout à fait plane. Il est donc difficile d’affirmer qu’une épaisseur de diamant de cet ordre
possède quelque absorption pour nos rayons. Un autre
