HAL Id: jpa-00241904
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Submitted on 1 Jan 1914
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Étude magnéto-optique de la vapeur d’iode
R.-W. Wood, G. Ribaud
To cite this version:
R.-W. Wood, G. Ribaud. Étude magnéto-optique de la vapeur d’iode. J. Phys. Theor. Appl., 1914,
4 (1), pp.378-387. �10.1051/jphystap:019140040037801�. �jpa-00241904�
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tographie. L’émploi des absorbants pour isoler une radiation n’est
jamais complètement satisfaisant. Peut-étre pourrait-on séparer les images produites par les diverses raies au moyen d’un appareil dis- persif qui les donnerait toutes sur la méme plaque. Il y aurait lieu aussi d’essayer d’appliquer la métliode interférentielle à d’autres né-
buleuses, en particulier à des nébuleuses planétaires.
Nous devons insister sur la simplicité des appareils employés et
sur la facilité avec laquelle on peut les installer sur un télescope.
Lorsque les argentures sont bien choisies, l’appareil interférentiel
ne fait pas perdre beaucoup de lumière et permet d’étudier des
objets d’éclat intrinsèque très faible.
ÉTUDE MAGNÉTO-OPTIQUE DE LA VAPEUR D’IODE;
Par MM. R.-W. WOOD et G. RIBAUD.
Étude de la polarisation rotatoire magnétique. - Si on fait passer de la lumière blanche polarisée dans les pièces polaires percées
d’un électro-aimant entre les pôles duquel on a placé un ballon à
iode soigneusement vidé et si on éteint la lumière émergente avec
un deuxième nicol, on voit réapparaâtre une lumière verdâtre
lorsqu’on excite l’électro (~).
Le spectre de la lumière rétablie, photographié avec un réseau
concave de 4m, 20 de rayon (14 pieds), est formé de lignes brillantes
aussi fines que les raies de l’arc au fer. Les mêmes résultats furent trouvés avec la vapeur de sodium (3) et avec le brome (4), et les
spectres brillants obtenus furent appelés spectres rotatoires magné- tiques. La figure 1 représente le spectre rotatoire de la vapeur de brome obtenu par l’un de nous, dans un champ de 18.000 gauss.
Ces rotations sélectives s’observent au voisinage des raies d’ab-
sorption de l’iode, mais une partie seulement d’entre elles sembla
présenter le pouvoir rotatoire.
Dans le cas de la vapeur de sodium, pour certaines des raies le
(1) RIGHI, C01rlptes Rendus, t. CXXVII, 1&98, p. 29 6.
(2) WOOD, Philosophical Magazine, XII, 1906, p. 329.
(3) R.-W. WooD, PhiLosophical Magazine, XII, 1906, p. 499.
(4) G. RiBAUD, Comptes Rendus de l’Acfidénoeie des Sciences, 1912, t. CLY, p. 900.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019140040037801
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plan de polarisation semble tourner à droite, pour d’autres à gauche.
Ce phénomène fut observé en employant un double prisme de Fresnel
en quartz (méthode de Macaluso et Corbino), qui donne dans le
spectre des franges noires horizontales : une rotation en un point du spectre se traduit alors par une apparition de lumière dans la frange
noire. Dans le rouge et l’orangé, ces réapparitions de lumière ont
l’aspect d’aiguilles brillantes dirigées tantôt vers le haut, tantôt
vers le bas, montrant que certaines lignes présentent des rotations
positives, les autres des rotations négatives. Dans le vert et le violet
où le spectre rotatoire magnétique est très brillant, le prisme de
Fresnel ne donne rien à cause des faibles valeurs des rotations. Il faut se rappeler en effet qu’une rotation de 90, est nécessaire pour
déplacer la lumière du centre d’une bande brillante au centre de la bande noire suivante.
Dans le cas de la vapeur de brome, les observations faites avec un
réseau concave de de rayon ont montré que, pour une pression
faible de la vapeur, toutes les raies d’absorption présentent le phéno-
mène rotatoire, le spectre rotatoire a un aspect exactement complé-
mentaire de celui du spectre d’absorption; à haute pression, l’aspect
est totalement difîérent (fîg. 1).
Dans un récent travail sur le spectre de résonance de l’iode, il a
été reconnu qu’un pouvoir de résolution de 300.000 était nécessaire pour l’étude exacte de tout phénomène produit par les raies d’absorp-
tion de l’iode ; ces raies sont en effet extrêmement serrées : sur une
photographie faite aveg le spectrographe de 12m,60 (42 pieds) de
East Hampton (N.-y.~, on en compte 100 environ dans un intervalle
égal à celui qui sépare les deux raies D du sodium.
Les remarquables spectres de résonance obtenus quand la vapeur est excitée par de la lumière monochromatique de fréquence corres- pondant à une de ces très fines raies d’absorption montrent toute
l’importance que présente l’étude des propriétés de cette vapeur dans un champ magnétique.
Nous avons entrepris le travail décrit ici dans le but d’étudier
complètement la nature des rotations magnétiques au voisinage des
raies d’absorption et en particulier de rechercher, ce que n’ont pu donner les précédentes études, si les rotations des deux côtés d’une même raie d’absorption sont dans le même sens comme dans le cas
des raies D ou de sens contraires.
Nous avons employé dans ces recherches de petits ballons très
.
380
soigneusement vidés contenant un petit cristal d’iode et placés entre
les pièces polaires percées du gros électro-aimant Weiss de l’Ecole normale (pièces polaires de 17 centimètres). Les ballons étaient
placés dans un tube percé de deux trous pour le passage de la lumière et chauffés par une spirale de nickel parcourue par un courant
électrique réglable. Un petit couvercle d’amiante placé à la partie supérieure du tube obligeait l’air chaud à s’échapper par les trous
pratiqués latéralement, et on évitait ainsi la formation de cristaux sur
le passage du faisceau lumineux.
La source de lumière était un arc à mercure en quartz de très grand éclat avec observation en bout, et les observations furent limitées aux sept raies d’absorption couvertes par la raie verte
élargie du mercure.
Nos premières expériences furent faites avec un réseau plan de
15 centimètres (6 pouces) de surface rayée utilisé dans le quatrième
ordre et donnant un pouvoir de résolution de 300.000. Le montage
utilisé était celui de Littrow fait avec une lentille de 4-,20 de distance
focale, mise obligeamment à notre disposition par M. Deslandres,
directeur de l’observatoire de Meudon (~).
Une précaution qu’il est indispensable de prendre est d’orienter
convenablement l’analyseur par rapport aux traits du réseau, le
pouvoir réflecteur d’un réseau variant considérablement avec l’azi- mut de la lumière polarisée incidente.
La quantité de lumière obtenue avec ce montage était un peu trop faible pour que, des observations faites, on pût déduire des conclu-
sions certaines.
Nous avons alors utilisé un excellent échelon mis très aimablement à notre disposition par M. Twyman, de la maison Adam Hilger. Cet échelon, composé de vingt plaques de 15 millimètres d’épaisseur en
très bon contact optique, donnait un pouvoir de résolution au moins
égal au réseau précédemment utilisé et une intensité lumineuse
beaucoup plus grande. L’étude n’a pu porter que sur les raies 3, 4, 5 et 6, des clichés publiés par l’un de nous (2), les parties latérales
(1) Dans nos premiers essais, nous avons utilisé également une lentille de 2m,80. Cette lentille nous avait été confiée par :M. Hamy, que nous sommes heureux de remercier également ici.
(2) Physikalische XIV, ~ J 13, p. L 189, Pl. LIII. - L’étude a porté
également sur une raie moins intense 4’ située entre 4 et 5, que les observations
,antérieures n’avaient pas donnée.
ci
1:1
£
382
de la raie verte se superposant déjà avec les spectres d’ordres voisins. On trouvera plus loin le détail du dispositif optique com- plet.
Étude préalable de la quant£té de lumière rétablie.
-La quantité
de lumière rétablie entre nicols croisés étant faible, il importe de se placer dans des conditions telles que cette quantité de lumière soit maximum. Il semblerait à première vue que l’on ait intérêt à utiliser
une cuve de petite épaisseur et un très grand champ, quitte à aug-
menter la pression de la vapeur. Mais, pour une même valeur du
champ et à absorption égale, en augmentant la pression, la quantité
de lumière rétablie se trouve diminuée. Cette influence de la pres- sion est très nette- : si, au lieu de réaliser une tension de vapeur d’iode donnée dans un ballon soigneusement vidé, on produit dans
le ballon cette même pression en présence d’air à la pression atmos- phérique, la quantité de lumière rétablie se trouve être considéra-
blement plus faible.
Les ballons utilisés, faits en verre très mince pour éviter la trempe
et la rotation magnétique du verre, étaient soigneusement vidés (1/100 de millimètre). Des essais comparatifs furent faits avec des
ballons de diamètres différents. Pour chacun d’eux on faisait varier lentement la tension de vapeur d’iode et, par une mesure photomé- trique rapide, on déterminait la quantité de lumière maximum rétablie.
Avec l’électro employé, les conditions optima ont été réalisées
avec un ballon de diamètre égal à 2cm,5 environ occupant tout l’es-
pace co mpris entre les pièces polaires. La tension de la vapeur uti- lisée était approximativement de 10 centimètres de mercure (1). Le champ dans ces conditions était d’environ 18.000 gauss.
Dispositif optique et résultczts (2).
-Si on met les nicols à l’extinc- tion et si on excite l’électro, la quantité de lumière rétablie est un
peu trop faible pour que l’on puisse voir nettement ce qui se passe
au voisinage des raies d’absorption. On tourne la difficulté en don- nant à l’analyseur une rotation de quelques degrés par rapport à la pasition d’extinction. Si on lance alors le courant dans l’électro, la
(I) Comme, lorsqu’on passe de i’1° à 1100, la tension de l’iode varie de 1 à 10 centimètres, il importe que la température du ballon soit très exactement
réglée.
(2) L’étu de au moyen du prisme de Fresnel n’a rien pu donner en raison de la
faible valeur des rotations.
383
lumière sera renforcée dans les régions où la rotation magnétique
est de sens contraire à celle donnée à l’analyseur, elle sera diminuée
et même annulée dans les régions où cette rotation aura un sens
inverse.
Dès lors, si les rotations magnétiques sont de même sens de part
et d’autre d’une raie d’absorption, suivant le sens du champ dans l’électro, la raie noire paraîtra plus fine ou plus large sans déplace-
ment. Si au contraire les rotations sont de sens contraires, la raie
d’absorption se trouvera simplement déplacée sans modification de
largeur. Par observation directe, on voit très nettement que l’on se trouve dans le premier cas : la raie noire change très notablernent de
largeur lorsqu’on renverse le dccns 1"électro.
Pour rendre l’expérience encore plus nette, on peut s’arranger
pour avoir dans le champ d’observation deux plages, l’une dans
laquelle les rotations magnétiques s’ajoutent à celles de l’analyseur,
l’autre dans laquelle ces rotations se retranchent. Il suffit pour cela de placer après la cuve absorbante une lame demi-onde dont les directions principales ox, oy coïncident avec celles du polariseur P
et de tourner l’analyseur d’un angle 0: convenable. Si la rotation intro- duite par la cuve est, par exemple, du même sens que oc, on aura pour la partie du faisceau n’ayant pas traversé la lame une vibration P‘’
affaliblie par l’analyseur, au contraire pour la partie ayant traversé la lame une vibration P" donnant dans l’analyseur une composante
plus intense que P (flg. 2).
L’expérience ainsi réalisée montre que, dans les deux plages obtenues, une même raie d’absorption n’est pas déplacée, mais que l’une des moitiés est beaucoup plus large que l’autre.
Donc, de part et d’autre aune rccie d’absorption de l’iode, les rota-
tions sont de même sens.
Les rétablissements de lumière des deux côtés d’une même raie n’ont d"ailleurs pas toujours même intensité, ce qui amène à conclure
à des rotations inégales de part et d’autre de la raie.
La figure 2 d’onne le détail du dispositif optique complet et les
orientations respectives du polariseur, et de l’analyseur par rapport
à la lame demi-onde.
Comme l’échelon présentait des traces d’astigmatisme, il était
nécessaire de faire former l’image de la lame demi-onde un peu en
arrière de la fente du collimateur afin d’avoir une ligne fine de
séparation des deux plages.
384
Les courbes des rotations présentées par les différentes lignes d’absorption sont données par la figure 3 ; elles ne sont d’ailleurs
que grossièrement quantitatives. Les valeurs de ces rotations atteignent 8 à ~ ~°.
FIG. 3.
Cette figure montre que le sens des rotations pent varier d’une
ligne à l’autre, ce qui explique la petitesse des rotations observées : la rotation due à une raie peut être partiellement neutralisée par la voisine. Nous voyons également pourquoi la rotation d’un côté d’une
ligne peut être beaucoup plus grande que de l’autre. Par exemple
nous avons une très forte rotation à droite de 4 parce que la rotation inverse produite par la raie peu intense 4, est faible et que la pré-
sence de la raie 5 a pour effet d’accroître encore cette rotation. La rotation à gauche de 4 est au contraire faible en raison de l’existence de la raie 3 très voisine produisant une rotation opposée.
Dans le cas de la vapeur de sodium étudiée dans le rouge et
l’orangé au moyen du prisme de Fresnel, les rotations positives et négatives observées étaient dues probablement à des ensembles de raies donnant des rotations toutes de même signe. Supposons que
nous ayons un groupe d’une douzaine de lignes, les quatre ou cinq premières faisant tourner le plan de polarisation dans le même sens, les autres donnant des rotations qui s’inversent, si on passe d’une
ligne à l’autre, il est clair que si le spectroscope ne résout pas ces
lignes, le prisme de Fresnel décèlera une forte rotation à l’endroit des premières lignes du groupe et une rotation nulle de l’autre côté,
en un mot nous aurons l’apparence d’une bande large qui ne pré-
sente de rotations que d’un côté : c’est bien ce qu’avait donné
°
l’expérience.
Recherche de L"existence de ces rotations
385
pouvant s’expliquer par un effet Zeeman longitudinal, il était de tout
intérêt de rechercher, avec la grande dispersion dont nous dispo- sions, si cet efiet Zeeman existe.
Dans ce but, nous avons utilisé le dispositif employé par l’un de
nous dans une recherche analogue sur la vapeur de brome. Si on
place en arrière de la cuve absorbante un double analyseur circulaire
fait de deux lames quart d’onde séparées par une ligne fine (les lignes neutres correspondantes dans les deux lames sont à 90° l’une de l’autre) et suivies d’un nicol orienté à 45° des lignes neutres des 1 ames, on obtient deux plages, l’une correspondant aux vibrations droites, l’autre aux vibrations gauches ayant traversé la cuve.
Si l’effet Zeeman longitudinal existe, les deux moitiés de la ligne d’absorption qui, en l’absence de champ, étaient dans le prolonge-
ment l’une de l’autre cesseront de l’être si on excite l’électro.
Pour aucune des raies d’absorption de l’iode contenues dans la
raie verte de l’arc au mercure, nous n’avons pu constater de dépla-
cement.
’Or, étant donné que par exemple les raies 3 et 4 sont séparées par
un intervalle de i/20 d’unité d’angstrôm, on aurait pu apprécier à
coup sûr un déplacement inférieur à 1/100 d’U . A.
Donc, si l’effet Zeeman existe, dans un champ de 20.000 gauss, il n’atteint pas i 100 d’U. A.
Re’iablisse77ieJi1 de IU1nière jJeTpendiculaire1nent ccux hunes de force.
-Cotton (1) a montré que si on fait passer un faisceau de lumière blanche entre les pièces polaires d’un électro et perpendicu-
lairement au champ magnétique, et si on place dans ce champ une
flamme contenant de la vapeur de sodium entre deux nicols à
l’extinction, ces nicols faisant un angle de 45, avec les lignes de force
du champ, il y a réapparition de lumière au moment où on lance le courant dans l’électro.
L’étude de cette lumière rétablie, faite avec un grand pouvoir sé- parateur [Voigt et Wiechert (2)] montre que le phénomène s’explique
dans ses moindres détails, en partant de ce fait que la vapeur pré-
sente un phénomène de Zeeman marqué.
La même expérience, tentée par Cotton sur le brome et l’iode et
( 1 ) CoTTON, Phénolnène de Zeeman, p. ’100 (Gautliier-Villars).
(’~) VOIGT et WIECHE , Heft. IV. Novembre 1898.
386
par l’un de nous sur le brome avec un champ plus puissant, a donné
un résultat négatif.
Dans le cas de la vapeur d’iode, nous avons repris ces essais en
utilisant le même ballon qui avait t servi dans l’observation parallè-
lement aux lignes de force et un champ intense : En employant
comme source l’arc au charbon, on observe un rélablis-sement de lumière très net, mais beaucoup plus faible que dans l’observation
longitudinale, trop peu intense pour que l’on puisse en faire l’étude,
avec un dispositif spectral de très grand pouvoir séparateur.
Conclusions.
-Jusclu’ici les rotations magnétiques étudiées dans des régio,ns absorbantes se rangent en deux catégories :
Il Dans le cas où on a affaire à de larges régions continues d’ab-
sorp,tion, les rotations que l’on observe alors d’un coté et de l’autre de la région d’absorption et qui viennent s’ajouter aux rotations dues
à la dispersion normale sont de sens contraires ; elles s’expliquent
très bien en supposant que les vibrations droites et gauches, du fait
du champ magnétique, ne subissent aucune variation de longueur d’onde, mais se propagent simplement avec des vitesses différentesl ’ ) ;
20 Un deuxième cas observé sur les raies D du sodium montre l’existence de rotations de même sens de part et d’autre de la raie,
ces rotations s’expliquant complètement en tenant compte de ce fait
que la vapeur possède un effet Zeeman. Pour la raie D,, l’effet Zee-
man est de 0,4 U. A. dans un champ de 10.000 gauss, et les rotations observées atteignent plusieurs circonférences.
Pour la vapeur d’iode, le fait que les rotations sont de même sens
des deux côtés d’une même raie d’absorption et le faible rétablisse- ment de lumière perpendiculairement aux lignes de force amènent
à conclure à la possibilité de l’existence d’un effet Zeeman.
La petitesse de cet effet Zeeman (inférieur à 1;’~1~00 d’U.A.) expli- querait la faible valeur des rotations observées.
Il ne semble pas d’ailleurs que cet effet Zeeman soit facile à mettre directement en évidence, car sa grandeur doit être alors de l’ordre de la largeur des raies d’absorption. Des considérations théoriques permettent en effet de prévoir que, à une pression de quelques centi-
mètres de mercure, la largeur de ces raies d’absorption est ap,proxi-
mativement de 1/200 d’U. A. ; en présence d’air à la pression atmosphérique, elle serait 4 ou 5 fois plus grande.
(1) CuTTox, ÉclaÙ’(1ge électl’ique, t. Vlil, p. 162 et I9~8 ; 1896.
387
De cette petitesse de l’effet Zeeman par rapport à la largeur des raies, on peut d’ailleurs facilement déduir,e que les rotations que l’on observe doivent être d’autant plus grandes que la raie sera plus fine;
l’expérience confirme bien ce point : nous avons vu en effet qne si la vapeur d’iode est en présence d’air à la pression atmosphérique,
c’est-à-dire si on multiplie la largeur de la raie par 4, le rétablisse- ment de lumière observé est considérablement diminué.
.En résumé :
~i° Si le phénomène de Zeeman existe pour les raies d’absorp-
tion de l’iode, il est inférieur à 1 100 d’U.A. dans un champ de
~0.000 gau s s ;
2° De part et d’autre d’une mème raie d’absorption de l’iode, les
rotations produites par le champ magnétique sont de même sens ; pour des champs d’environ 18.000 gauss, elles atteignent ~~° ;
3° Ces rotations peuvent s’expliquer en admettant un effet Zee-
man très petit, de l’ordre de la largeur des raies, et par conséquent
très difficilement observable directement. La réapparition de lumière
entre nicflls croisés serait simplement un moyen indirect extrême- ment sensible pour mettre en évidence cet effet Zeeman ;
4° Comme pour un même sens du champ magnétique, les rotations
,
