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Recherches sur l'action du champ électrique sur les raies spectrales

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Academic year: 2021

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HAL Id: jpa-00242635

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Submitted on 1 Jan 1914

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spectrales

J. Stark

To cite this version:

J. Stark. Recherches sur l’action du champ électrique sur les raies spectrales. Radium (Paris), 1914,

11 (3), pp.81-90. �10.1051/radium:0191400110308101�. �jpa-00242635�

(2)

précédente ne subsiste pas une augmentation du nombre ou de la des particules (supposées toujours petites vis-à-vis de laisserait la polarisa-

tion inaltérée et augmenterait l’absorption (théorie de Lord Rayleigh.

De très nombreuses mesures faites sur l’atmosphère

m ont montré que le pouvoir absorbant varie toujour-

en sens inverse de la polarisation. On

semble-t-il. légitimement conclure. que les ca- tions dont l’atmosphere est le siege et qui se tradui- sent par leur effet sur la polarisation et le femoir

absorbant portent sur des particules dimen-

sions sont au moins. de l’ordre des lo onde.

Man le 12 mars

Recherches sur l’action du champ électrique

sur les raies spectrales1.

Par J. STARK

[Institut de Physique de l’ École technique supérieure de Aix-la-Chapelle.]

PREMIÈRE PARTIE.

Effet transversal.

Par J. SARK

§ 1.

-

Exposé du problème. - Le problème

de l’influence d’un champ électrique sur les raies spectrales a préoccupé de nombreux chercheurs depuis

la découverte par Faraday de la rotation du plan de polarisation et surtout depuis la découverte du phéno-

mèle de Kerr et du phénomène de Zeemdn. On a

même annoncé plusieurs ibis l’existence d’une action du champ sur la polarisation d’ondes lumineuse dont la source est située dans ce champ ; mais ces

affirmations n’ont pas résisté a Ull examen critique

sérienx. M. Voigt-’ 2 a1 approfondi le cote théorique du problème; il a, e11 partant de certaines hypothèses,

obtenu des formules donnant la décomposition dl’’’’

raies spectrales par un champ électrique.

Dans mes recherches sur ce phénomène, je n’ai pas

pris comme point de départ les essais d’autres experi- mentateurs: j’al suivi la voie qui m’avait déjà conduit

à mes travaux sur les rayons canaux. Au cours d’un

exposé d’ensemble de ces travaux j’ai été amené à

dire que le changement d’état électrique qu’éprouve

un atome ionisé provoque une modification d

fréquences optiques. Ces ce qui m’a incité à n

prendre une étude experimentale sérieuse de l’action

1. C. R.

de

de l’ Academie

je le

les directions de vibration

tout sur

d’un champ électrique exterieur sur les frequences

optiques d’un atome. J’avais, il est vrai. imagine depuis plusieurs années la méthode dont je me suis

servi avec succès dans ces recherces; mais comme je devais y employer les rayons cannaux comme cources

d’j lumière. j’ai ajourné les expériences projetées, jusq’à ce que j’aie pli. pour Loute une série d’élé- moments, séparer les raies mobiles des raies immobiles

(ruhende et bawegte Linien).Ce n’est qu’après avoir

termine ces recherces, que j’ai entrepris une serie

d’experiences sur l’action du champ eléctrique sur les raies spectrales.

Le mémoire que voici a tout d’abord pour but de

décrir la péthode que m’a permis de resoudre avec

succès le problème posé: j’indiquerai ensuite. à titre d’exemple. quelques résultats provenant de mes recherces. On ne peut naturellement pas se proposer.

en pénétrant dans une région nouvelle, d’avancer pas à pas en faisant des mesures de précision. il faut au contraire s’orienter tout d’avord, puis se plaçant en des positions bien choisies examiner la nature et

l’etendue de cette région. Si donc, dans ce qui va

suivre. j’indique quelques résultats sur la nature et

la grandeur de la décomposition des ra par un champ élécrique. ces donne que provi-

ennes. Il faudra les rectifier em-

ployant une dispersion plus grande et un champ l’intention de publier dans un prochain mème temps que la reprosuction de mes

§ 2. - Production d’un champ éléctrique

intens un

se:

les plulpart

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:0191400110308101

(3)

de; atomes ou des molécules chargés positivement. Si

l’on veut produire un champ électrique dans un pareil

gaz, il faut compter avec le courant que provoquera

ce champ.

Dans la colonne positive du courant de décharge, il

existe a la fois un courant, un champ électrique et

une émission de lumière. Mais l’intensité du champ électrique est relativement faible: si on l’augmente

par accroissement de pression, on augmente égale-

ment la conductibilité électrique spécifique ; la ten1- pérature s’élève, il se produit un élargissenlent et

l’étude de l’effet optique du champ électrique est tout

au nloins rendu très difficile.

Les choses se présentent d’une manière un peu plus

favorable dans la première zone cathodique du cou-

rant de décharge. Il se produit lz une émission de lumière due aux rayons cathodiques et surtout aux

rayons canaux, qui, sur la cathode, ont subi une accé-

lération ; en mème temps le champ est assez intense;

mais il varie d’une façon fort difficile à connaître de la cathode à la gaine lumineuse négative, puisque la

chute cathodique se produit dans l’espace situé entre

la cathode et la gaine négative. Il est difficile d’aug-

menter sensiblement l’intensité de ce champ en abais-

sant la pression gazeuse, car la chute cathodique, plus forte il est vrai, se répartit le long d’un espace obscur plus grand. A pression constante on peut aug-

menter le champ en augmentant l’intensité du courant, mais on est bien vite arrêté par la résistance élec-

trique des sources et la fragilité des tubes à décharge.

Il est néanmoins possible d’obtenir tout ensemble

un champ électrique puissant, un courant de faible

intensité et une émission lumineuse relativement considérable. Les rayons canaux d’un tube à décharge

émettent de la lumière dalls l’espace situé inlmédiate-

ment en arrière de la cathode ; dans cet espace on

, provoquera l’apparition d’un courant en établissant

entre deux électrodes une grande différence de potcn- tiel ; la cathode du courant de décharge servira de première électrode, la seconde électrode sera une

électrode auxiliaire indépendante du courant de dé- charge. l ’n choisira la pression gazeuse et la distance de ces deux électrodes de manière que cette distance soit petite par rapport a la longueur de l’espace obscur cathodique, Dans Ces conditions, il ne se produit pas

spontanément de courant entre les deux électrodes:

le courant provoqué par la grande difference de poten- tiel entre les ultntrodcs dntl· le gaz ionisé par les rayons canaux, cesse des que la production de rayons

canaux s arrête.

Voici comment ,j’ai appliqué ce principe dans mes expériences: Dans un tube cylindrique (fig. 1 se

trouve un cathode circulaire percée de nombreux

trous de 1 mm. fixée en trois points par des che- villes. En arrière et vis-à-vis de cette cathode on

dispose un disque plein; cette éléctrode auxiliaire est

située soit à 2,6mm., soit à 1,1 mm. de la cathode.

Le courant de décharge -entre l’anode A et la cathode K est produit à l’aide

d’une puissante bobine

d’induction (interrup-

teur rotatif, tube venti- lateur). L’élecrode auxi- liaire H et la cathode K sont réunies par l’in- termédiaire d’une résis- tance à une source de courant continu, le pôle négatif en Il, le pôle posi-

tif en K. La cathode du courant de décharge sert

donc d’anode au courant

« forcé "

.

La pression gazeuse est assez faible pour due

l’espace obscur ait une

longueur déjà 10 cm.

De cette façon, entre les

électrodes H et h du

cr cliamp de tension » il ne peut pas se pro- duire de courant de dé-

charge. Le courant forcé s’arrêtait en effet dès que l’on interronlpait la décharge entre A et K.

Gràce à cette disposition, les rayons canaux venant du champ de décharge subissent à leur entrée dans

le champ de tension une accélération dans la direction IHème de lcur mouvement. De même les ions po,itifs

et les électrons négatifs qu’ils produisent par choc

sont fortement accélérés par le champ de tension, ils

sc transforment en raBons canaux et en rayons catllo-

diques. Les rayons cathodiques passent à travers la cathode du champ de tension au champ de décharge,

tandis que les nouveaux rayoiis canaux traversent le

champ de tension jusqu’à la surface de la cathode auxiliaire Il et contribuent avec les rayons canaux pri-

maires h l’émission lumineuse. J’ai déjà analysé

ailleurs en détail ces phénomènes1.

Pour produire le champ constallt, j’avais à ma disposition une dynamo de 4300 volts et une batterie d’acculnulateurs de 3800 volts. Pour les premiers essais, avais mis ces dem sources en série aux

bornes du champ; mais un accident aBant rendu la dynamo inutilisable, jc ne me suis plus servi ensuite que de la batterie d’accumulateurs.

Il faut remarquer que pour que la dinérence de

potentiel entre les électrodes reste constante, il est nécessaire qu’un courant traverse le champ de ten-

sion. Dans les conditions on j’ai opéré, ce courant

variât de 1 à 4 milliampères. Un ne peut donc même

pas se servir pour établir cette différence de potentiel

Z chr. 11 (1910 471.

(4)

d’une nlachine à inflllence à Vingt plateaux: son

débit serait trop faibles. il ne peut pas être question

non plus d’employer une seconde bobine d’induction dont le circuit secondaire était différent de celui de la première bobine. Car, bien que le même cou- rant primaire mc servit à exciter les deux bobines, je n’obtenais pas les mêmes résultats qu’avec la

batterie d’accumulateurs. Cela s explique par ce l’ait que le courant de décharge de la première bobine

n’était pas en concordance de phase avec le courant

entretenu par la seconde dans le champ de tension.

§ 5.

-

Méthode employée (suite).

-

Dans le dispositil’ yue j’ai employé, la lumière émise par les rayons canaux cst soumise a l’action d’un champ électrique. Une partie du rayonnement est provoqué

par le choc des rayons canaux contre les atoles

immobiles; les raies correspondantes (raies immobiles) occupent la même position dans le spectre, quel que soit l’angle de la direction d obserBation avec la direc- tion des rayons canaux. Le reste du rayonnement est

émis par les rayons canaux eux-mémes (intensité mohile) ; les raies correspondantes se déplacent dans

le spectre, conformément au principe de Doppler, quand on les observe parallèlement à la vitesse des rayons canaux. Pour rendre les observations indépen-

dantes de cet effet Doppler, j’ai observé perpendicu-

lairement à la direction des rayons canaux et par

conséquent aux lignes de force du champ. Les inten-

sités mobile et immobile donnaient alors les mêmes raies fines et non déplacées, et l’effet du champ élec- trique était un effet transversal par rapport u sa direction.

Je rappellerai à ce propos duc dans l’hy drogène pur, les rayons canaux produisent surtout une " intensité

mobile ", que dans l’hélium pur au contraire (je me

suis servi de cette particularité) les raies immobiles

ont unc très grande intensité par rapport aux raies mobiles. 3les observations se rapportent donc, dans

le cas de l’hydrogène, ii l’intensité mobile des rayons

canaux eux-mêmes, dans le cas de l’hélium aux raies immobiles des atomes heurtés par les rayons canaux.

J’ai, dans les deux cas, observé une décomposition électriquc des raies sériées. C’e·t donc que le mouve- ment des particules émettantes n’est pas une cOlldi- tion nécessaire de la production de ce phénomène.

Pour prendre les premières épreuves j aBais placé

la fente tout contre le tube il rayons canaux. l’axe du collimateur perpendiculaire a la directioll du champ

en son milieu.

llais lorsque j’ai Boulu déterminer les directions de vibrations des composantes d’une raie produites par le champ, j ai modifié le dispositif de la manière sui-

vante: J’ai éloigné It’ spectrographe du tube à ray

canaux : j’ai projeté aumoven d’un objectif Zeiss

sar 1: 3.3 foyer 3 cm le champ lumineux sur la

fente de ce spectrographe. En avant de cet objectif

se trouvait une lame de calcite parallèle à l’axe orien- tée de manière que les deux images qu’elle donnait

furent placées vertiralement l’une au-dessus de 1 autre.

Je me suis servi pour les épreuves photographiques

du spectrographe très lumineux que j’ai fait cons-

truire pour mes expériences sur les rayons canaux.

Le temps de pose variait, de 25 minutes a S heures.

Pendant toute la durée de la pose, un électromètre

permettait de contrôler la constance du champ dans

le champ de tension ; lorsque, par suite du vide spon- tané, le voltage s’était élevé de 1UÛ volts, on le rame-

nait à sa valeur primitive en introduisant avec pré-

caution du gaz dans le tube. Pour la préparation et

la manipulation des gaz, j’ai employé les mêmes

méthodes que dans mes recherches sur les rayons

canaux.

§ 4. - Cas des raies H; et H. de 1 hydrogène.

-

J’ai tout d’abord fait de simples observations visuelles sur l’influence du champ sur la raie Ils. En

l’absellce du champ cette raie était une mais peu intense; on voyait nettemcnt, après rétablissement du

champ, un élargissement de la raie : elle redevenait fine, des que l’on interrompait le courant.

Je ne décrirai pas les spectrogrammes obtenus sans

la lame de spath; ,je lllc contente de donner les résul-

tats obtenus au moyen de cette lame.

Les raies H; (Dispersion 1: 23,3mm ; A) et II (Dispersion I : 11.9 mm:Ä ) sont décomposées par

ell’el transversal en 3 composantes. Le vecteur ("14’c-

trique des trois raies médianes est perpendiculaire,

celui des deux raies extrêmes parallèle au champ élec- trique. La composante moyenne du tripict vibrant parallèlement au champ coïncide presque avec la

raie non décomposée. Les figures 2 et 3 donnent uiie

idée de la nature et de la grandeur df la décomposi-

tiun pour un champ de 13 000 volt: on. L’intensité des composantes est en gros proportionnelle Ù l’épais-

setlr des traits correspondants. Un écart tnltrt’ elles (le 1 mm représente une différence de longueur d’onde

de 0,23 unités Amstrong. Les composantes exté- rieures dl’ la figure 3 sont du 3.2 A: L difh-

reHce de longueur d’onde des deux raies D est, un

s’en souvient, de 6 A.

§ 3. Cas du spectre de l’hélium.2013L’hélium présente, ta1l1 :1 l’état d helium qu’j l’etat de

Ij parhélium », Ulle scrjc principale et LieuB séries

secondaires. Comme je l’ai montre eii collaboration 1. Elle parail légèrement depls y notes lon- gueur

’ 1

par rapport à la rate L decomposition

de- Ils n’est donc pas absolument symétrique. Il

à remarquer que dans le traplet parallèle an

.,t hlen que le doublet normal au champ, les

les plus intelises correspondent aux piu- grandes

longueurs d onde.

(5)

avec 1. Fischer et H. Kirschbaum1, le groupe de séries de l’hélium est du à l’ion atomique d’hélium mono- valent, le groupe du parhélium à l’ion d’héliu111 biva- lent. J’ai pu étudier dans le champ électrique au

moins lune raie de chacune de ces six séries.

La raie 5889 de la série principale nette monovalente de l’hélium u est pas pour un Cllalllp de 13000 volt : cni décomposée en composantes dont l’intensité soit du méme ordre. Comme elle était peu intense, il est pos-

sible que des composantes latérales faibles se soient trouvées invisibles. L’étude de cette raie a donc besoin d’être reprise.

I,es raies 4472 et 4026 de la série secondaire dif- fuse (première série secondaire) monovalente de l’hé- lium sont décomposées en trois composantes vibrant parallèlement et trois composantes vibrant perpendicu-

lairement au champ. La figure 4 indique la nature et

la grandeur de la décomposition de la raie 1:026. La dispersion était, pour cette raie de 1 6,2 non: A, pour

l’autre de 1 : 14,2 ilUIl : Ad Les deux composantes

intenses de droite de la raic 4472 confondues pour

un champ de 13 000 volt: clll se sont séparée; sous

l’influence d’un champ de 31000 wlt : uiii.

La raie 4713 (Dispersion 1 : 19. mm: A de la

deuxième série secondaire de l’hélium ne présente

pas sur mon spectrogramme de dédoublement appré-

ciable. Il en est due même pour la mie très faible 412 1

J. STARK. A. FISCHER et H. KIRSCHBAUM. cl. Phys.. 40

101:) 307.

de cette série. Peut-ètre obtiendrait-on un résultat

positif avec une dispersion, une intensité lumineuse

et un chump plus considérables.

La raie 501 t3 de la série principale divalente du

« parhélium » n’est pas décomposée sur mes spectro- grammes pour un champ de 15 000 volt : cm. Pour 51000 volt : cm, l’image donnée par la lame de

spath qui vibre parallèlement au champ (disper-

sion : 1 261nm À) a paru légèrement déplacée vers les petites longueurs d’onde, tandis que l’image vibrant

normalement au champ n’avait pas bougé. Il faudra reprendre l’étude de la décomposition de cette raie

avec un champ plus intense et une dispersion plus con-

sidérable.

Les raies 4922 et 4588 de la série secondaire diff’use bivalente sont déjà décomposées en com-

posantes relativement éloignées par un champ de

15000 unités. La décomposition de la raie 4588 (dis- persion 1 : : 12,7 mm : Â) est représentée par la

figure 5. Il est possible qu’avec une dispersion plus grande on puisse encore décomposer certaines de

ces composantes. La raie 4922 apparaît sur le spec- trogramme comme un doublet formé d’une com-

posante intense et d’une composante faible, c’est-à- dire que par suite de la petite dispersion, les trois com- posantes de droite de la figure 5 sont confondues en une seule raie. La raie 4144 de la même série est

également décomposée; en effet, elle est, en l’absence de

champ, aussi intense que la raie 4121, elle disparaît complètement sur les spectrogrammes pris quand le champ est excité ; il est clair que ses composantes trop faibles sont devenues invisibles.

La raie 4458 de la deuxième série secondaire divalente ne parait pas décomposée sur mon spec- trogramlne.

On voit que pour toutes les raies de l’hélium étu- diées et qui sont décomposées par le champ, les compo-

santes parallèles au champ ont la même position dans

le spectre que les composantes normales correspon- , dantes. Il est probable qu’une dispersion plus grande

et un champ plus fort permettraient de séparer les

composantes parallèles des composantes normales et d’en décomposer quelques-unes.

ë 6.

-

Influence de l’intensité du champ.

- Je n’ose pas encore donner une réponse définitive à la question de la variation du nouvel effet avec l’in- tensité du champ. Les résultats qui vont suivre ne

doivent être considérés que comme vraisemblables et

provisoires.

Comme je l’ai exptiqué plus haut, le champ élec- tri pic provoque l’apparition d’un courant dans le gaz incandescent. Or, le courant de décharge lumineuse

n’est pas constant; il est produit par la bobine d’in-

duction pendant lu temps très court d’ouverture du

circuit primaire: donc le courant n’existe dans le

(6)

champ de tension que pendant que le tube est lumi-

neux. Pendant ce temps, la différence de potentiel

aux extrémités du champ est plus faible qu’à l’état d équilibre en l’absence de courant. Un ampèremètre placé dans le circuit du courant forcé ou un électro- mètre relié aux électrodes présentent. il est vrai, une

déviation constante; mais en réalité. 1 intensité et la différence de potentiel oscillent rapidement, ]’une de

la valeur o à une valeur maximum, I*autre de la va- leur correspondant à l’équilibre, à sa valeur au mo-

ment de l’émission de lumière. La différence de po- tentiel indiquée par l’électromètre est donc un peu

plus forte que la différence de potentiel au moment

de l’incandescence, et cela d’autant plus, il est facile

de le voir, que la résistance du circuit est plus grande. Dans mes expériences, l’intensité moyenne du courant forcé était, il est vrai, très faible; mais

sa valeur instantanée pouvait être suffisante pour

déterminer, à cause des résistances ohmiques du cir-

cuit une chute de potentiel appréciable. On peut d’ailleurs le déduire de ce fait que l’électromètre

indiquait une plus grande différence de potentiel au

repos (5700-5800 volts) qu’en régime stationnaire

(3430-3600 volts).

Les valeurs de l’intensité du champ ’électrique que

j’ai indiquées plus haut, ont été calculées à partir de

la dinerence de potentiel de régime et de la longueur

du champ de tension ; elles sont un peu trop fortes.

Pour pouvoir mesurer exactement l’intensité de ce

champ, il faudra se servir d’une source à courant

constant pour provoquer la décharge donnant nais-

du champ est-elle cnnstaiite tout le long du champ de

tension et en particulier au voisinage des électrode?

Les lignes de force électriques ne se recourbent-elles pas au voisinage des trous de la cathode de décharge?

Il est bien certain que cela se produit au repos quand

le gaz compris entre les électrodes est un diélec-

trique.

Mais lorsque le gaz se trouve ionise par les rayons

canaux, il devient conducteur dans le champ de ten-

sion et dans les orifices de la cathode. Le champ électrique est-il alors uniforme entre les électrodes Il et K? L’expérience seule peut nous l’apprendre. L’ac-

tion de ce champ sur les raies spectrales peut nous donner quelques indications. Si, en effet, ce champ

n’est pas uniforme, les composantes des raies doivent être très larges ou très inclinées dans la direction de la raie non décomposée. Mais si ces composantes sont relativement nettes et parallèles à la raie primitive, on peut conclure que le champ est uniforme; c’est ce qui s’est produit sur toutes mes épreuves, que la distance des deux électrodes H et K fût i,i 1 ou 2,6 mm.

Après cette discussion, je donnerai simplement

mes résultats. J’ai résumé dans la table qui suit les expériences relatives à la raie Hp de l’hydrogène et à

la raie 6672 de l’hélium.

Il semble d’après cette table que la décomposition électrique d’une raie spectrale (écart des compo-

santes) mesurée en longueurs d’onde soit, en pre- mière approximation, proportionnelle à l’intensité du

champ.

sance aux rayons canaux qui, eux-mêmes, produisent

la luminescence dans le champ de tension. Dès rlue

je serai en possession d autres batteries à haute ten- sion et d’autres dynamos, je rectifierai les données relatives aux décompositions dus raies.

A la réflexion, le lecteur se demander i peut-être

si le champ est bien homogène entre la cathode auxi- liaire H pt la cathode Je décharge dl:!. 11. L’intensité

§ 7.

-

Influence de la longueur d’onde et

de la sériation des raies.

-

D’après les résultats

ontenus jusqu’ici, on peut, sinon affirmer définitive-

ment, du moins déclarer très que l’ac-

tion du champ électrique sur les raies dune même

série est analogue en ce qui concerna le nombre la direction de vibrations et l rapport des intensités

des composantes formées.

(7)

C’est le cas de 1111, et Hy de la série secondaire

diffusée de l’hydrogène, et des raies 4472 et 4026 de la série secondaire diffuse de l’ion d’héliurl1 monova-

lent. Fi l’une des raies d’une série ne présente pas

de décomposition appréciable dans des conditions données, il en est de même des autres (He 4713 et 4121 ). Les différentes séries correspondant au mème

atome sont en général décomposées d’une manière

différente comme le montre l’exemple de l’hélium.

Si donc 1 on veut étudier la variation du nouvel effet avec la longueur d’onde, il faut comparer les différentes raies d’une même série. Les résultats sui-

vants se rapportent à une intensité de 15000 volts cmi.

l.a distance des composantes extrêmes de la raie

H03B2 (4861) est de 5,6Å, celle des composantes de

H03B3 (4341) de 5,2 A : l’intensité de l’effet augmente

quand la longueur d’onde diminue. Il en est de mêmc pour les composantes médianes de ces deux raies dont les distances sont de 1,77 A pour H03B2 et de 3,77 A pour il

L’écart entre la composante la plus faible de la raie 4472 de l’hélium et le milieu des deux compo- santes les plus fortes est de 2,1 Å; pour la raie 4026

cet écart est encore de 2,1 A. La variation de l’effet

avec la longueur d’onde est, dans ce cas, sinon nulle,

du moins extrêmement faible.

Pour la raie 4388 de l’hélium, la deuxième coln-

posante (comptée des grandes verts les petites lon-

gueurs d’onde) est éloignée de 5,5 Å de la quatrième:

pour la raie 4922 cette distance n’est plus que de

2,4 À. Ici, l’effet augmente de nouveau beaucoup quand la longueur d’onde diminue.

Le lecteur a certainement déjà remarqué que, dans cet exposé, les mots « série diffuse )) et « décomposi-

tion » vont toujours de pair. Il semble, en effet, que

l’on puisse énoncer la règle générale suivante : Les raies appartenant à des séries diJ1’uses sont fortement

décomposées par le champ électrique; les raies des séries principales ou secondaires nettes ne sont pas

décomposées ou le sont très peu dans les conditions de mes expériences. J’emploie les mots de série

diffuse et de série nette, dans le sens indiqué par

Rvdberg : lorsqu’on augmente la pression du baz, les raies des séries diffuses subissent un élargissement

considérable, tandis que celles des séries nettes sont al peine modifiées.

Il semble d’après cc clni précède qu’il y ait une relation entre l’effet d’un champ électrique et l’action

d’une élévation de pression. Voici plusieurs années que j’ai émis l’opinion que l’élargissement des raies

par augmentation dJ pression est dit U 1 action sur

l’atome rayonnant de, champs électriques des atomes

voisins.

§ 8. 2013 Nouveaux problèmes à résoudre.

-

1. J. SRARK. Ann. d. Phys.. 21 1906 422.

La découverte du nouvel effet pose un certain nombre de problèmes nouveaux et importants, soit théoriques,

soit expérimentaux.

Il sera tout d’abord nécessaire de vérifier, de recti-

fier et de compléter les données précédentes. Il

faudra ensuite soumcttre au champ électrique un grand nombre de raies spectrales et étudier l’effet transversal avec une intensité et une dispersion conve-

nables. J’indiquerai ailleurs une méthode permettant d’amener un élément quelconque à émettre de la lumière dans les rayons canaux.

Un autre problème important est celui de l’effet

longitudinal du champ électrique. Il parait facile de prévoir à partir de l’effet transversal la décompositions

et la polarisation longitudinales, Que les composantes n’y soient pas polarisées ou qu’elles soient contre

toute attente polarisées circulairement par certaines raies, leur étude projettera une vive lumière sur la

nature du champ électrique par rapport à celle du champ magnétique. Il est vrai que l’étude de l’elfet

longitudinal offre de grandes difficultés. Tout d’abord l’effet Doppler des rayons canaux a une influence per- turbatrice ; ensuite la lumière passant a travers les

trous de la cathode viellt se superposer à la lumière

émise dans le champ de tension et gêner l’observation.

Nous avons pourtant, M. Wendt et moi, projeté

des expériences sur l’effet longitudinal et nous espé-

rons pouvoir surmonter toutes ces difficultés.

Lorsque l’on connaîtra bien l’action d’un champ électrique intense sur les raies spectrales, on par-

viendra, en employant une dispersion suffisante, à

mettre en évidence l’effet du champ plus faible qui règne dans la première gaine cathodique ou dans la

colonne positive du courant de décharge ou de l’arc.

On parviendra en augmentant l’intensité du champ dans

ces régions à dédoubler certaines raies particulière-

ment sensibles.

Il pourrait même se faire que l’action du champ élec- trique sur certaines raies particulièrement sensibles ait déjà joué un rôle dans telle ou telle recherche sur le

phénomène de Zeeman oh l’on prenait comme source de

lumière la colonne positive du courant de décharge

ou de l’arc. Si en effet la colonne positive est normale

à la direction du champ magnétique, sa section est

fortoiiient diminuée par l’action de ce champ et, par conséquent, le champ électrique augmente considéra-

blell1ent. Il n’atteint évidemment pas encore les va- leurs considérables qu’il atteignait dans mes expé-

riences: mais la mesure de l’effet Zeeman exige une grande dispersion ; avec cette dispersion, l’accroisse-

ment du champ électrique provoqué par le champ magnétique peut suffire à décomposer les composantes du phénomène de Zeeman ou d les déplacer d’une

manière di:amt’triclue; cela ne doit pas se produire

pour tontes les raies, mais seulement pour les raies

particulièrelnent sensibles (raies diffuses). Si les ditfé-

(8)

rentes composantes de retret Zeeman sont influencées d’une manière différente par le champ électrique, il peut se produire dans un champ magnétique puissant

des variations curieuses du rapport des intensités de

ces composantes. Ces actions n’interviendraient-elles pas dans l’influence mutuelle des composantes de Zeeman d’une raie dans un champ magnétique

intense, phénomène d’abord observé par ’Yendt 1,

puis étudié d’une façon détaillée par d’autres au-

teurs ? Il est fort possible qu’il en soit ainsi. Il paraît

donc nécessaire de vomir si le nouveau phénomène ne gêne pas dans certains cas l’étude du phénomène de

Zeeman.

On sera amené ensuite à rechercher si le champ électrique alternatif d’un faisceau de rayons lumineux intenses n’élargit pas les raies spectrales émises par

un gaz qu’il traverse. On doit s’attendre à ce que ce

phénomène se produise, a condition d’admettre que la période propre de la déformation de l’atome, c’est-à-dire le temps nécessaire au champ électrique

pour produire cette déformation, est petite par rapport

à la période de vibration du faisceau lumineux. Si ce

phénomène ne présente pas d’inertie, la grandeur de l’élargissement des raies permettra dans certaines con-

ditions de se rendre compte si, dans certaines régions

du faisceau lumineux, il y a concentration d’énergie,

c’est-à-dire si la densité d’énergie y est plus grande

que la densité moyenne.

Comme lI. Rubens me l’a fait si justement remar-

quer, il se peut que dans certaines régions de l’at- mosphère solaire, le nouvel effet agissant sur les raies qu’elles émettent, ait pu produire un phénomène analogue au phénomène de Zeeman. Ne peut-on pas,

en effet, admettre tout aussi bien que l’existence il la surface solaire d’un champ magnétique de 5000gauss,

l’existence d’un champ de 500 à 5000 volts par cm?

Un champ de 5000 volts : cm sépare d’ailleurs les

composantes de Hy à une distance de 1,2 Â, tandis

que l’écart des composantes extrêmes du triplet normal

de Zeeman n’est que de 0A,03 pour un champ de

5000 gauss et une longueur d’onde de 4000 A.

La décomposition électrique des raies spectrales

pose aussi un nouveau problème à la théorie. Il faudra

imaginer d’après les indications expérimentales un

certain nombre d’hypothèses, et s’appuyant sur ces hypothèses, trouver une expression anilntique du

nouveau phénomène qui soit qualitativement exacte

et quantitativement sinon exacte du moins très ap-

prochée.

Il est naturel (le comparer le nouveau phénomène

au phénomène de Zeeman. La seule ressemblance entre ces deux phénomènes est que le champ magné- tique comme le champ électrique décompose les raie.

en composantes. Mais dans leurs détails lty. pheno-

1. t1. WENDT. Ann. d. Phus.. 37 1912 333 et 40 1913 607.

inènes sont tout différents. Le· décompositions élec- triques ont des ordres de grandeur différents pour les différentes séries. la décomposition magnétique est du

même ordre pour toutes le: séries. Dans une série, la distance des composantes de Zeeman d’une raie est

proportionnelle au carré de sa longueur d’onde; dan’s

le champ électrique, tout au moins pour de nom- breuses raies, la distance des composantes augmente

quand la longuenr d’onde diminue. Les séries corres-

pondantes de différents éléments chimiques pré-

sentent souvent av’ec certaines restrictions le même effet Zeeman : ainsi les raies sériées de l’hélium sont

décomposées en triplets normaux comme celles de l’hydrogène par un champ magnétique transversal.

Dans le nouveau phénomène, au contraire, les raies de deux éléments se comportent d’une manière toute différente.

L’effet du champ électrique sur les raies spectrales

n’est-il pas caractéristique de la structure de l’atome

de l’élément chimique et ne permet-il pas de distin- guer les structures différentes de ces différents élé- ments? Ne pourra-t-on pas étudier au point de vue de

la dynamique optique les modifications intériellres que subit l’atome sous l’influence d’un champ élec- trique extérieur, rapprocher les résultats obtenus des études de dynamique optique dans le champ magné- tique, et en introduisant les lois des séries de Iy d- berg, arriver à construire l’arrangement et les mouve-

ments relatifs des différentes parties de l’atome? Un

espoir aussi ambitieux ne pourra être réalisé que dans un avenir fort éloigné; mais dès maintenant

une étude approfondie de l’effet du champ électrique

sur les raies spectres nous fera sans aucun doute faire un grand pas en avant vers la découverte de la dynamique de l’atome.

En terminant ce mémoire, je voudrais remercier

mon assistant 31. KiI’schbaun1 pour le concours qu’il

m’a prêté au cours de ces recherches. Sans son habi- leté et sa patience inlassable pendant les poses pho- tographiques interminables, il m’eût été impossible

de lnener à bien ces recherches en un temps relative-

ment aussi court.

DEUXIÉME PARTIF.

Effet longitudinal.

Par J. STARK et (1 . BB r" Il T.

§ 1.

-

Exposé du problème. 2013 L’un d’entre

nous a, dans une première publication, dé’rit l’effet transversal du champ électrique sur 1., raies d’ -n’’

de l’hudrogène et de l’hélium. Ln ". hasant sur les résultats de cette étude, on petu prevoir (e qui doit

se passer pour l’effet longitudinal. Lorsqu’une raie

est décomposée par le champ électrique, seules les

(9)

composantes oscillant normalement aux lignes de

force apparaissent dans l’effet longitudinal, elles ne

sont pas polarisées.

Bien que ces prouvions fussent assez sûres, il était

nécessaire de les héritier expérimentalement. Car il

notait pas impossible que, dans quelques cas, cer-

taines composantes nc fussent dans l’effet longitudinal polarisées circulairement. Il est probable en effet qu’ui atome d’une raie sériée est soumis en tant que doublet à une force orientante de la part du champ électrique, son axe tend a se placer parallèlement à

ce si donc l’électron clui émet la raie ne peut,

par suite de la structure de l’atome, tourner que dans un sens autour de cet axe, la raie émise dans la direction de l’axe doit être, au moins en partie, pola-

risée circulairement.

Nos expériences ont montré que les composantes des raies sériées de l’hydrogène et de l’héliun1 ne sont

pas polarisées dans l’effet longitudinal. D’après ce qui précède, on peut en conclure que les électrons, centres dus raies, peuvent, pour ces éléments, tourner dans

les deux sens autour d’un axe parallèle au champ.

L’effet longitudinal du champ électrique sur les raies

de séries est donc très différent de l’effet Zecman : pour celui-ci en effet, les composantes d’une raie dé- doublée ont des vibrations circulaires droite et

gauche, dans celui-là elles ne sont pas polarisées. Il

faut remarquer que l’absence de polarisation dans

l’effet électrique longitudinal est en accord avec la

théorie de M. Voigt (1) sur la décomposition des raies spectrales par le champ électrique.

1/étude expérimentale de l’effet longitudinal du champ électrique sur les raies de série, a de l’illpor-

tance pour la recherche du nouvel effet dans certaines

régions solaires. Il semblc en effet que là-bas comme dans l’atmosphère terrestre, les lignes de forces élec-

triques aient en majorité une direction radiale. Si c’est bien le cas, un observateur qui regarde le

milieu du disque solaire dans un champ radial voit

l’efft’t longitudinal, et s’il observe le bord du disque

solaire dalh un champ radial, il voit l’eq’ut trans-

versal.

§ 2.

-

Méthode employée.

-

Dans sa publi-

cation précédente, l’un de nous a indiqué une méthode

pour produire un champ électrique puissant dans un

gaz lumineux. En voici le principe: on provoque au moyen des ravons canaux l’incandescence du gaz et

l’on fait agir sur ce gaz lumineux en dehors du trajet

de la décharge lu champ d’iiii courant forcé.

Pour observer l’effet transversal, on a orienté l’axe du faisceau des rayons canaux selon la direction du

champ, la direction d’observation étant norniale uu

champ ut aux rayons canaux. cette méthode eut été pour l’observation de l’en’et longitudinal d’une

1. W Ann. d. Phy.... 4 1901 Iot.

application très difficile : en effet, d’une part la

lumière provenant du champ électrique n’eut pas été

;eule à se propager dans la direction d’observation, il serait venu s’y superposer le rayonnement intense provenant de l’espace antérieur à la cathode (première gaine cathodique), dont les trous l’auraient laissé passer. D’autre part, l’effet Doppler des particules des

rayons canaux serait venu gêner l’observation de 1-’ effet électrique.

Pour écarter ces difficultés, nous avons employé

pour l’étude de l’effet longitudinal un dispositif diuc-

rent basé sur le même principe. Le champ électrique

est normal à l’axe .du faisceau de rayons canaux et l’on observe dans l’axe du champ, parallèlement à la

face postérieure de la cathode de décharge et à travers

des trous pratiqués dans l’anode du champ de ten-

sion. Voici les détails de notre dispositif : la figure (6)

donne la coupe de la cathode et du champ de ten-

tiel. Au milieu de la cathode de décharge on a pra-

tiqué une fente de 5 mm, de long sur 1,3 mm. de large, à trayeurs laquelle un faisceau de rayons canaux de même section devait pénétrer dans le champ der-

rière la cathode. L’anode d aluminium du champ de

tension est fixée à la face postérieure de la cathode, de

manière que les rayons canaux se propagent en la frô-

lant. La cathode du champ de tension est un disque

d aluminium de 8 mm. de diamètre placé parallèle-

ment à l’anode à 1,3 mm. de distance de façon que le faisceau longe exactement sa surface. Au-dessus du

disque d’aluminium on a placé un tube de verre rodé par devant de manière que son bord antérieur vienne tou- cher l’anode. On a pratiqué dans ce tube de verre,

sous la fente de la cathode de décharge, une ouverture

de 5 nini, sur 1.5 mm. de manière que le faisceau de rayons canaux entre librement dans le champ de

tension. Il faut faire très attention à ce que le tube de Yt rrc ne touche ni le disque d’aluminium situé en

dessous ni la cathode placée au-dessus, mais en soit

toujours séparé par un intervalle de 0,5 à 0,7 mm.

(10)

On a pratiqué dans l’anode du champ de potentiel

trois rangées très voisines de trous de 1 111111. C’est à travers ces trous et par conséquent dans l’axe du champ

et normalement au faisceau de rayons canaux que l’on observe I*effet longitudinal.

Qn pourrait, au premier abord, être tenté de nous

faire une objection. Les rayns primaires positifs

subissent, en entrant dans le champ de tension nor-

malement à son axe, une accélération daiis la direc- tion de la cathode et acquièrent unc certaine vitesse parallèle à la direction d’observation; il en est de mêmedes ions atomiques créés par le choc des rayons

primaires dans le champ du p otentiel ijui vont se diriger vers le cathode. Par ;,uit(, de ce mouvement des rayons tant primaires rlue secondaires il ,e produit un

effet Doppler qlll peut gêner l’ohscrialiun de l’effet

longitudinal.

Cette objection est juste en principe: mais d’un point de vue quantitatii et gràce au choix que nous

avons fait des conditions expérimentales, l’eflet Doppler

ne peut pas produire de perturbation sensible. La

vitesse acquise dans la direction d’observation par un ion portant une seule charge est en effet v =e m Et

ou e m représente la charge spécifique de l’ion, E l’in-

tensité du champ, 1 la durée de l’ilnpulsion. Si donc,

l’on choisit le chemin 1 parcouru par les rayons pri-

maires dans le champ jusqu’à la ligne de visée as,ez petit, en faisant passer cetlc ligne très près du point

d’entrée des rayons primaires et si, d’autre part, on donne â ces rayons llne très grande vitesse, l’n (6000- 10000 volts de chute cathodique), t =l v0 et par con-

séquent v seront petits. D’ailleurs, t=l v0 est la limite

supérieure de la durée de l’accélération, pour le cas où la charge du rayon primaire reste Inaltérée pendant

le trajet 1. En réalité, la plupart des rayons primaires,

pour une pression où il y a encore émission lui- neuse, ne sont chargés positivement que pendant une

certaine fraction du temps t de leur trajet 1 a traB el...

le gaz; c’est ce qu’ont montré différents auteurs et en particulier M. BBien. Ceci amène encore, pour la plupart des rayons prirnaircs, une diminution de la vitesse i, dans 1 axe de Aisée. Ainsi, les raBons primaires et surtout les rayons secondaires qui. ttlll,

restent dans le champ de vision, n’acquièrent une vitesse qu’au voisinage immédiat 1 d l’L cathode, et l’émission lumineuse de cette couche relativement mioce qui pourrait amener des perturbations est trte fable par rapport à l’émission dit reste du champ.

Le succès de nos recherches prouve bien que 1 es considérations qui précèdent s’appliquent dans les

conditions de nos expériences. Un ne peut pas décou- vrir une seule foic sur nos spectrogrammes l’existence

d’un effet Doppler gênant, et pourtant. les raies de

l’hydrogène sont partieulièrement sensibles à cet

ef1et.

D après ce que nous menons de dire, il est clair que c est 1 anode du champ de tension et non la cathode

qu’il faut pt l’et’1’ de trou, pour l’observation. De cette manière, les rayons canaux secondaires ne passent pas a travers les trous dans espace sans champ jus- qu’à la paroi de verre; seuls y passent les rayons

cathodiques produits dans le cltalHp (It tension Ceux- ci, al cause de leur faible absorption, ne produisent qu’une faible émission de lumière, et d’ailleurs notre

disposltil’ optique nous perment de la distinguer sur

les spectrogrammes dela lumière émise dans le champ

de tension

En effet, on projetait le champ de tension sur Ia fente du spectrographe comme pour 1 étude de l’effet transversal. Comme le champ de tension est peu pro-

foud, les trous de l’anode apparaissaient nettement

sur l’image produite sur la l’ente du spectrographe.

Aussi) les images des fentes sur les raies données par le champ de tension n’étaient pas continues, mais divisées selon leur longueur en petite traits séparés par des espaces non impressionnés, la longueur de ces

traits étant égale au diamètre de l’iniage sur la fente

d’un trou de l’anode. Au contraire, les raies prove- nant de l’émission des rayons cathodiques entre l’anode

et la paroi du tube n’étaient pas interrompues par des

parties obscures, mais se dessinaient sur toute leur

longueur. C’était le cas, p,tr eumple, pour la raie 5016 de l’hélium.

On interposait encore devant l’objectif une lame de spath (Wollaston), et l’on avait sur li fente deux

images situées l’une au-dessus de l’antre et vihtant, l’une horizontalement, l’aiiii’e verticalement. Si les composantes des raies de série émises dans 1 e champ

de tension étaient polarisées les ques horizontalement,

les autres verticalement, II’’’’ unt’’’ manquaient sur l’image supérieure, les autres sur l’image inférieure.

Si, au contraire, toutes les raies supérieures se pro- longeaient exactement sur l’image inferieur, c’est que les composantes n’étaient pas polarisées ou élaient po- larisées circulairement. Pour décider entre ces deux

possibilités, nous avons placé avant la lame de ilo

une lame de mica quart d’onde pour le bleu, de manière que le plan de ses avec soit ineline a 43 au- dessous de l’horizon, c’est-a-dire qu’elle transforme

les vibretions verticales ou horizontales en vibretions circulaires (iroitt - ou ..Ul li, Si toutes les raies des deux images étaient situées dans le prolongement les

unes des autres, et avaient la mêle

lait en conclure qu’elles n’étaient pas Le dispositif un defaut auqui

d’ailleurs faciles Lorsque l’on

selon l’axe du champ, t de la couche lumi-

neuse est p lumineuse est

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