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Submitted on 1 Jan 1914
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Résonance et diffusion sélective superficielle de la vapeur de sodium pour les raies D
L. Dunoyer
To cite this version:
L. Dunoyer. Résonance et diffusion sélective superficielle de la vapeur de sodium pour les raies D. J.
Phys. Theor. Appl., 1914, 4 (1), pp.17-34. �10.1051/jphystap:01914004001700�. �jpa-00241885�
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RÉSONANCE ET DIFFUSION SÉLECTIVE SUPERFICIELLE DE LA VAPEUR DE SODIUM POUR LES RAIES D (1);
Par M. L. DUNOYER.
INTHODUCTION.
1. On sait due la lumière blanche d’un arc au charbon est apte à provoquer dans de la vapeur de sodium suffisamment pure une fluorescence orangée (2), qui provient de la résonance optique du
sodium pour la lumière qui caractérise ce métal. La région de l’arc qui avoisine le charbon négatif est beaucoup plus propre que le cra-
tère positif à faire apparaître cette fluorescence.
En utilisant cette source, j’ai constaté, il yadéjà plus d’une année,
que la surface du tube par laquelle pénètre la lumière s’illumine
brillarnment, lorsqu’on l’observe du côté antérieur, c’est-à-dire du côté même par où la lumière arrive. Cette lueur, orangée, est très
diffuse et occupe une surface notablement plus étendue que la trace
ou la section droite du faisceau lumineux excitateur. Examinée par l’extrémité du tube, dont la région moyenne, par où pénétrait la lumière, était seule chauffée, de sorte que l’observation en bout se
faisait. néanmoins à travers une couche de vapeur peu épaisse, la
lueur superficielle paraissait n’avoir aucune épaisseur observable ; c’est..à-dire qu’elle était invisible. Par contre, la section droite tout entière du tube était remplie d’une lueur orangée, beaucoup moins
intense que la lueur superficielle dont il vient d’être question. Cette
lueur ne marquait donc en aucune façon le parcours géométrique du
faisceau lumineux excitateur.
J’ai pu constater, dans ces premières expériences, que les diffé- rent,es parties de la flamme de l’arc sont très inégalement efficace
pour produire la résonance superficielle, même dans une section
transversale de cette flamme. Le bord en est particulièrement riche
en radiations excitatrices.
L’intensité de ces radiations, c’est-à-dire des raies D fournies par les impuretés des charbons, varie beaucoup également avec le ré-
(1) Communication faite à la Société française de Physique : seance du 21 no-
vembre 1913.
(2) L. DUNOYER, le Radium, IX (~J~.2), 177.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:01914004001700
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gime de l’arc. Elle est d’autant plus grande que les charbons sont
plus écartés.
On pouvait espérer obtenir une excitation plus puissante en met-
tant un peu de chlorure de sodium dans le cratère positif de l’arc.
Mais c’est le contraire qui s’est produit. La couleur jaune de la
lumière émise s’est trouvée considérablement accrue, tandis que la résonance superficielle était moins intense que dans les premières expériences.
Ce fait, joint à la fâcheuse irrégularité des propriétés excitatrices de l’arc, m’ont conduit à adopter comme source de lumière la flamme du bec Bunsen colorée en jaune par l’introduction de sel marin.
EXCITATION PAR LES FLAMMES COLORÉES.
2. Appareillage. - (a) Pu1ve’risateir. - J’ai employé à cet effet le procédé de pulvérisation devenu classique depuis les travaux de
M. Gouy. La figure 1 représente l’appareil dont je me suis servi;
~
Fie. 1.
l’air comprimé arrive par le tube ~ ; la solution saline pénètre dans
le tube effilé b par un petit orifice latéral pratiqué à la partie infé-
rieure de ce tube ; le jet des gouttelettes liquides vient se briser sur
la paroi de la boule c, qui a 6 à 7 centimètres de diamètre et où les
plus grosses gouttes sont retenues; les boules c’ et c", de 2 à 3 cen-
timètres de diamètre, arrêtent les gouttes de grosseur moyenne qui pourraient à la longue remplir de liquide l’orifice d’arrivée du gaz
d’éclairage dans le brûleur ; du reste, le liquide, qui pourrait arriver
a se condenser dans le tube d, se rassemblerait à la partie inférieure
¡Je ce tube. En fait, l’appareil peut servir, avec une très grande régu- larité, pendant un nombre d’heures considérable sans que l’on ait à y
19 toucher. Il a l’avantage d’être très peu encombrant; le courant d’air
fourni par une petite machine soufflante à eau suffit à l’actionner.
Le brûleur employé est un bec Meker du modèle ordinaire dont les orifices pour l’arrivée de l’air sont fermés par de petits bouchons,
sauf un sur lequel est soudé un tube de laiton relié au pulvérisateur
par un raccord en caoutchouc,.
(b) Appctreil de chauffage. - Les premières expériences rappor- tées ci-dessus étaient faites en chauffant le tube contenant le so-
dium avec un Bunsen tenu à la main et rapidement promené tout
autour. Ce procédé est inacceptable lorsqu’il s’agit de faire une
étude prolongée ou de prendre une photographie. Mais le choix d’un
dispositif de chauffage propre à l’observation commode de la réso-
nance et donnant une température uniforme dans le volume occupés
par le ballon n’est pas chose aisée. Après avoir renoncé aux étuves, qui ne permettent pas l’examen commode dans toutes les directions et dans lesquelles des condensations métalliques de sodium se
produisent trop souvent devant les fenêtres qui servent à l’obser- vation, j’ai employé un système beaucoup plus simple et plus pra-
tique, mais qui ne donne pas, il est vrai, une température absolu-
ment uniforme. Il consiste à placer le petit ballon à résonance, li- mité à un diamètre de 6 à 7 centimètres, dans le courant de gaz chauds
qui s’élèvent d’un gros brûleur Meker, canalisés au moyen du dis-
positif que représente la figure 2. Le tube canalisant est constitué- par un gros tuyau en terre réfractaire, de 5 centimètres de diamètre et de 30 centimètres de longueur environ, qui pénètre dans le fond
d’un grand creuset en terre réfractaire également. Le tout est recou-
vert d’un enroulement de grosse corde d’amiante. Dans l’orifice
supérieur du creuset, large de 10 à 11 centimètres, est placé le petit ballon, qui est tenu par les pointes scellées, enfilées dans deux
boucles aux extrémités de fils de fer en zigzag cimentés eux-mêmes
sur les bords du creuset. Ce mode de fixation, très simple et très commode, permet de placer le ballon, qui reçoit les gaz chauds sur tout son hémisphère inférieur, exactement à l’endroit où l’on veut ; il suffit de tordre plus ou moins les fils de fer.
Pour rendre la température plus uniforme, on place à 3 ou 4 cen-
timètres au-dessus du ballon un écran en carton d’alnian1e ; on peut aussi, à condition de la chauffer d’une manière suffisamment pro-
gressive, placer une glace qui permet d’observer par-dessus, tout
en protégeant l’observateur de l’arrivée directe des gaz; il est tou-
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tefois nécessaire alors de placer au fond du creuset un écran en tôle, comine celui que représente la figure en pointillé, pour éviter la lumière émise par la flamme du brûleur de chauffage.
’
Fic. 2.
Celui-ci est placé au-dessous du tube de terre; on peut régler la température en faisant varier la hauteur de la flamme. Ce serait
une erreur de croire qu’on obtient les températures les plus élevées
à la partie supérieure en plaçant le brûleur très haut ; il se forme
en effet un appel d’air extérieur, qui est entraîné par le courant de gaz chauds et qui est d’autant plus violent que l’orifice du brûleur est plus près de celui du tube de terre. Avec un gros bec Meker de 30 millimètres (27 millimètres de diamètre de flamme), on trouve
facilement une position qui permet d’atteindre à l’orifice du creuset
une température de 350 à 380°. Ces températures sont suffisantes pour notre objet. Si l’on veut aller plus llaut, il faut diminuer l’appel
d’air extérieur déterminé par le brûleur; il suffit pour cela d’ame-
ner son orifice au niveau de l’orifice inférieur du tube de terre et de limiter par un écran d’amiante l’espace annulaire laissé libre entre
eux. On peut facilement de cette manière dépasser 400°.
Quant à l’uniformité de la température dans le volume occupé par
. le ballon, des mesures avec un couple thermo-électrique dont la sou-
dure était régulièrement déplacée à sa surface m’ont permis de m’as-
surer qu’elle était réalisée d’une manière suffisante pour ces expé-
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riences, c’est-à-dire à 30 ou 40° près. La région la plus froide n’est.
pas généralement le sommet du ballon; le sodium métallique se
condense presque exclusivement sur une plage peu étendue un peu
en dessous du sommet et du côté le plus près du bord du creuset.
En excentrant le ballon de quelques millimètres, il est ainsi facile de produire cette condensation en un point où elle ne soit aucune-
ment gênante.
Il convient d’ailleurs de ne mettre dans le ballon qu’une quantité
de sodium aussi faible que possible. Elle y était introduite par dis- tillation dans le vide de sodium pur, en suivant les précautions tech- niques pour l’épuisement des gaz occlus par les parois et par le métal à distiller déjà indiquées dans mes recherches antérieures.
(c) Système optique d’éclairage. - Pour étudier la résonance su-
perficielle, j’ai constamment suivi la méthode consistant à former
sur la paroi du petit ballon I’image d’une fenêtre pratiquée dans
une cheminée métallique entourant la flamme sodée alimentée par le pulvérisateur. Il fallait donner à cette image l’intensité la plus grande possible sans sacrifier la netteté de ses contours afin de n’être pas exposé à attribuer au phénomène de résonance lui-même et à
la résonance secondaire des effets de dégradé ayant simplement
leur origine dans une mauvaise définition géométrique du faisceau excitateur. Il fallait encore que cette image fût assez étendue et se
formât à une distance assez grande, 20 centimètres au moins, du système optique, en raison de la nécessité d’éloigner ce système
du dispositif de chauffage et de pouvoir observer la résonance dans
iine direction aussi voisine que possible de celle de la lumière in- cidente. Ces diverses conditions conduisaient à des verres de grande
dimension et prohibaient comme beaucoup trop coûteux l’emploi
d’un objectif de même type que les objectifs photographiques.
J’ai donc été amené à construire uns objectif de grande ouverture,
pratiquement dénué d’aberrations sphériques pour la raie D, en sa-
crifiant l’achromatisme (ce qui n’a pas d’importance puisqu’il s’ag it de
lumière monochromatique), et les conditions de planéité et d’étendue
de champ (ce qui n’en a pas non plus, puisque l’on utilise seulement
une source et une image limitées au voisinage de l’axe principal).
Celui que j’ai établi (1) est formé, comme l’indique la figure 3, de
(1) Voir au sujet de ces objectifs ou condenseurs : L. DCXOYER, Su>? l’aberration de sphéricité dans les objectifs (J. de Phys., 111, 468 ; 1913).
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quatre lentilles constituant deux groupes symétriques, chaque groupe
comprenant un ménisque aplanétique et une lentille biconvexe d’aberration minima. Le ménisque aplanétique est tel que le centre de courbure de la face concave coïncide avec celui des points apla- nétiques du dioptre constitué par la deuxième face qui en est le plus
voisin. Quant à la lentille biconvexe, elle est d’aberration minima pour un faisceau parallèle tombant sur sa face extérieure, c’est-à-
dirc opposée au ménisque qui lui est adjoint. L’écartement des deux lentilles et la distance focale de la lentille biconvexe sont choisies
d’après la remarque suivante.
Le ménisque frontal possède deux points aplanétiques, le centre C1
de sa face concave et un deuxième point, F, plus rapproché; l’aber-
ration sphérique de l’image fournie par le ménisque pour un point compris entre eux est positive, c’est-à-dire de signe contraire à celle que produit la lentille biconvexe d’aberration minima qui suit t
le ménisque et rend le faisceau parallèle. Avec un seul ménisque, la compensation rigoureuse des deux aberrations n’est pas possible;
mais, en plaçant le point lumineux objet dans la position I1~ qui cor- respond au rnaX£l1Lum de l’aberration positive du ménisque, la com- p ensation peut être approchée d’une manière très satisfaisante. Le deuxième groupe de lentilles, symétrique du premier, fait conver-
ger le faisceau parallèle qui sort du premier groupe en une image égale à l’objet et à peu près dénuée d’aberration sphérique en
son centre. La figure 4 reproduit des photographies de quadrillage prises avec l’objectif qui m’a servi dans les présentes recherches,
de Il centimètres de diamètre, avec une distance frontale, entre l’objet ou l’image et la première lentille, de 25 centimètres; pour la
photographie cc, on s’est servi de la lumière de la flamme sodée, et pour b de la radiation indigo (4915) de l’arc au mercure. La netteté est convenable, dans les deux cas, sur un cercle de 30 millimètres de diamètre environ, ce qui est largement suffisant pour notre objet.
Cela fait prévoir que l’on pourrait sans doute obtenir avec cet objec- tif, en intercalant un prisme entre les deux groupes symétriques de lentilles, un spectrographe ou un éclaireur monochromatique qui
1
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-serait extrêmement lumineux. L’absence d’ achromati sme des objets -obligerait simplement à incliner la plaque photographique.
a b
FIG.
Photographies d’un quadrillage obtenues avec un condenseur de 11 centimètres de diamètre et 25 centimètres de distance frontale.
a. Source de lumih’e : flamtne so~lée ;
b. Source de lumière : radiation 4915 de l’arc au mercure.
3. Expériences. - Une fois muni des dispositifs précédents, il
m’a été facile d’observer et de photographier les phénomènes de ré-
sonance superficielle auxquels donne lieu la vapeur de sodium.
En appliquant sur la paroi du ballon une feuille de papier blanc,
on règle les positions de la source lumineuse et du condenseur de manière à former sur cette feuille de papier une image nette de la
fenêtre pratiquée dans la cheminée qui entoure la flamme sodée. Si l’on enlève la feuille de papier, on constate que l’image de la fenêtre est pratiquement invisible sur la paroi de verre, lorsque le ballon, froid, est neuf et propre. C’est ce qu’indique la figure 5 a qui repro- duit une photographie prise à froid (4). L’appareil photographique
(1) Je me suis servi pour ces photographies d’un objectif construit exactement
sur le même principe que celui qui fournit l’image de résonance; il a 57 milli- mètres de diamètre et donne une image égale à l’objet, avec une distance fron- tale de 25 centimètres. Un appareil de fortune établi dans ces conditions est bien
préférable pour ce genre de photographie aux appareils ordinaires, construits pour la photographie à grande distance ou aux appareils de reproduction et 4’agrandissement où l’étendue de champ à couvrir exige une ouverture faible.
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était orienté de manière à ne pas recevoir la lumière réfléchie régu-
lièrement par la paroi du ballon. La mise au point était faite au
moyen de l’image formée sur la feuille de papier blanc. Le con-
tour apparent du ballon n’est donc pas au point, ; l’hémisphère supé- rieur, qui émerge du four, se détacle en sombre sur un fond légè-
rement éclairé. Ajoutons que pour donner une valeur plus juste à
l’éclat des images photographiques, la lumière excitatrice passait à
travers une cuve à faces parallèles contenant une solution de bichro-
mate de potassium, afin de supprimer la lumière bleue propre à la flamme. La petite tache blanche visible sur le côté droit du ballon était due à une réflexion intérieure imparfaitement évitée.
FIG. 5.
Photographies de la résonance superficielle de la vapeur de sodium. Temps de pose 7 minutes.
a. Ballon froirl ;
b. Ballon à 1 ~0° ; -
c. Ballon a ~00,.
Les choses étant disposées comme il vient d’être dit, on allume le
bec Meker placé à la partie inférieure du four à air chaud. Dès que la température au voisinage de la surface du ballon ai!teint une cen-
taine de degrés, la résonanee de la vapeur devient visible. Elle pré-
sente à basse température un aspect extrêmement diffus ; la traversée
.lu ballon tout entier par le faisceau excitateur est visible; mais le
contour de ce faisceau n’est marqué que d’une manière très floue ;
une lueur de résonance semble remplir presque tout le ballon. Si l’on regarde du côté antérieur, le contour précis de l’image, sur la paroi, reste invisible ; la résonance intérieure, en volume, apparaît
seule.
Lorsque la température s’élève et atteint, par exemple, 1.50°, ce
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contour commence à apparaître, en restant cependant entouré d’une auréole, et sans qne le faisceau intérieur cesse d’être visible ; c’est
ce qu’indique la figure 5b. Le contour du faisceau intérieur prend cependant plus de netteté, en même temps que son intensité diminue.
Enfin, lorsque la température atteint ~~0°, l’image formée sur la paroi apparaît avec un -éclat croissant, en prenant des contours
d’autant plus nets que la température est plus élevée. Les figures 5,
et 6, qui se rapportent à une température de 300, environ, montrent
que les contours de l’image produite par la résonance superficielle
sont aussi nets que ceux de l’itnage formée sur une feuille de papier
blanc. Les images de la figure 6 représentent en effet (a) la réso-
nance superficielle photographiée avec des poses croissant de 1 à 14 minutes, et (b) l’image formée sur une feuille de papier
blanc appliquée sur la paroi du ballon, avec des poses de 1 à 14 se-
condes. La netteté des contours n’est pas la moindre dans le premier
cas.
Pour ces températures, le passage du faisceau excitateur au
milieu du ballon est d’autant moins visible que la température est plus élevée. Il est généralement facile d’en obtenir la disparition complète. Je dis généralement parce que cela dépend, dans une assez large mesure, de la teneur da la solution saline qui sert à l’alimen-
tation de la flamme.
Les expériences n’ont pu être utilement poussées au-dessus
de 350, parce que le brunissement du verre est alors si rapide que l’éclat de la résonance superficielle devient en quelques instants égal ou même inférieur à ce qu’il est pour une température moindres.
Aux températures comprises entre 250 et 3001, on peut t ravailler
pendant plusieurs dizaines d’heures sans être notablement gêné par
le brunissement.
4. Propriétés diffusants des couches superficielles. - Tels sont les faits principaux que fournit l’observation de la résonance superficielle
du côté antérieur, en dehors du faisceau lumineux régulièrement
réfléchi par la paroi du ballon. Il convient de leur adjoindre les
remarques suivantes.
A une température suffisamment haute pour que l’image superfi-
cielle soit le seul phénomène visible de résonance, l’éclat de cette
image paraît exactement le même, quelle que soit la position que l’oeil
occupe, du côté antérieur, par rapport au plan tangent au ballon au
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point où l’on produit l’image de résonance. Les premières couches de
vapeur traversées par la lumière excitatrice fonctionnent donc
comme un diffuseur parfait pour les raies D, ce qui conduit néces-
sairement à admettre que les résonateurs moléculaires mis en
mouvement par l’onde incidente réémettent à leur tour de la lumière de même longueur d’onde dans toutes les directions. Seulement cette émission est inobservable derrière le plan tangent en question.
Cela est-il dû à ce que le rayon visuel doit t alors traverser une
certaine couche de vapeur, qui absorberait la lumière émise par les
résonateurs‘?, C’est l’explication la plus simple; elle concorde aussi
avec le fait qu’il est impossible d’observer un phénomène de réso-
nance superficielle sur ia paroi du ballon la plus éloignée de la
source, en en formant l’image sur cette paroi. La traversée du ballon
a privé le faisceau lumineux de ses propriétés excitatrices. Mais, si l’absorption de la lumière excitatrice est dans ce cas probablement
totale en raison de l’épaisseur de la couche traversée, il n’en va pas nécessairement de même dans la couche extrêmement mince où se
produit l’image de résonance sur la paroi antérieure. Il est possible,
conformément aux idées de M. Planck, que la réémission apparente de la lumière du côté antérieur seulsoit due à un phénomène d’inter-
férence entre le faisceau excitateur et la lumière de résonance dans la direction où le premier se propage. C’est là un point que j’espère pouvoir élucider bientôt, parune méthode qui me permettra en même temps, je pense, de déterminer l’épaisseur de la Potiche dans la-
quelle se produit, à une température donnée, l’image de résonance superficielle.
5. Éclat relatif de la résonance superficielle. - Si les premières
couches de vapeur rencontrées par la lumière incidente fonctionnent
comme un diffuseur parfait, il s’en faut cependant que ce diffuseur ait toujours un rendement égal à l’unité. Il est même notablement moindre que celui du papier blanc. En d’autres termes, la résonance
superficielle observée est tout à fait semblable à ce qne l’on verrait si la paroi interne du ballon, sur laquelle on forme l’imag e de la
source, était tendue non de papier parfaitement mat et parfaitement blanc, mais de papier gris.
C’est ce que montrentdéjà d’une manière qualitative les deux séries de photographies dela figure 6, puisque, avec une pose de 14 secondes,
la photographie de l’image formée sur une feuille de papier blanc est
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d’une intensité intermédiaire entre celles que fournit la résonance
superficielle avec des poses de 3 et de 5 minutes. Si le noircissement
photographique était proportionnel au temps, on pourrait conclure
de là que, dans les conditions où ces photographies ont été faites, 1’éclat_de la résonance superficielle est de 13 à 20 fois plus faible que celui du papier biaac éclairé de la même façon.
FrG. 6.
Éclats relatifs de la résonance superficielle de la vapeur de sodium et d’une feuille de papier blanc éclairée de la même façon. Les temps de pose croissant ~le droite à gauche.
a. Résonance superficielle ; temps de pose : 14, 9, 7, 5, 3, 1 minutes.
~. Feuille de papier blanc; temps de pose : 14, 9, 7, 5, 3, 1 secondes.
On peut obtenir un résultat plus exact en prenant sur la même
plaque, d’une part, une photographie de la résonance superficielle et
de l’autre une série de photographies de l’image formée sur la feuille
de papier blanc, obtenues toutes avec le même temps de pose, mais
en diaphragmant deplus en plus l’objectif photographique. La com- paraison de l’image de résonance et de celle qui est de même inten-
sité dans l’autre série a conduit à 1 18environ pour l’éclat relatif de la
première (1).
Cet éclat relatif varie d’ailleurs beaucoup suivant les conditions de
l’expérience, en particulier suivant la teneur en chlorure de sodium de la solution saline qui sert à colorer la flamme. Il est visible, sans
faire aucune mesure, que plus 7.a flamine est riche en sodium, plus
cet éclat relatif est faible. Avec une solution extrêmement diluée,
par exemple en mettant une goutte d’une solution à peu près saturée
dans le pulvérisateur préalablement rempli d’eau pure, on obtient (1) Des mesures photométriques directes seront publiées prochainerment par M. Wood et par moi.
