Nouvelles recherches expérimentales sur la diffusion de la lumière par les gaz transparents. Polarisation de la lumière diffusée latéralement

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Nouvelles recherches expérimentales sur la diffusion de la lumière par les gaz transparents. Polarisation de la

lumière diffusée latéralement

J. Cabannes, J. Granier

To cite this version:

J. Cabannes, J. Granier. Nouvelles recherches expérimentales sur la diffusion de la lumière par les

gaz transparents. Polarisation de la lumière diffusée latéralement. J. Phys. Radium, 1923, 4 (12),

pp.429-450. �10.1051/jphysrad:01923004012042900�. �jpa-00205114�

LE JOURNAL DE PHYSIQUE

ET

LE RADIUM

NOUVELLES RECHERCHES EXPÉRIMENTALES

SUR LA DIFFUSION DE LA LUMIÈRE PAR LES GAZ TRANSPARENTS.

POLARISATION DE LA LUMIÈRE DIFFUSÉE LATÉRALEMENT

Par J. CABANNES et J. GRANIER

(Faculté ^{des Sciences de} Montpellier).

SÉRIE VI. TOME IV. DECEMBRE 1923 N° 12.

,

1. Introduction.

Plusieurs auteurs ont examiné la polarisation partielle ^{de la lumière} diffusée par les principaux gaz transparents ^norma-

lement au faisceau primaire. ^Ce phénomène ^{met en évidence} l’anisotropie

des molécules et permet - sinon d’en préciser complètement la forme - du moins d’éliminer quelques-uns des modèles proposés. Malheureuse- ment, les valeurs numériques publiées jusqu’ici 1’) présentent ^{de telles} divergences qu’on peut ^{hésiter à en tirer des} conclusions sûres. Il nous a

paru nécessaire de reprendre ces mesures difficiles dans de meilleures conditions, ^en introduisant dans la technique expérimentale ^{toutes les}

modifications suggérées par les recherches antérieures.

Lorsqu’on ^{éclaire un} gaz transparent à ^molécules polyatomiques par

un faisceau parallèle ^{de lumière} naturelle, ^ce faisceau, ^{observé latérale-} ment, apparait comme une source secondaire partiellement polarisée. ^Deux

vibrations incohérentes d’inégale intensité constituent la lumière diffusée.

La plus ^{forte des deux} vibrations, d’intensité I, ^{est normale au} plan ^des

deux rayons primaire ^et secondaire ; ^la plus ^faible, d’intensité i, ^est paral-

lèle au rayon primaire. ^{Ce que l’on mesure, c’est la} proportion ^{de lumière}

1

. ,

l_i i

1. 1 t 1 t i

polarisée 1 _{j_} ^plus simplement, ^le rapport que ^nous appellerons Il

«

facteur de dépolarisation

(1) R.-J. STRUTT (Loan RAYLEIGII), ^Proc. Roy. Soc., ^{t. 95} (19i8), p. i55; ^{t. 97} (1920),

p. 435; ^{t. 98} (1920), p. 57.

J. CABALES, Journal de Physique, ^{t. 1 (1920),} p. 129 ; ^Ann.

de t. i5 p. 108.

Garrs, ^{Ann. der t. 65} (i920), ^{p. 97.}

^{RAMAN, Mole-}

cular diffraction of light, ^Calcutta (1922), p. ^16.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01923004012042900

Groupons ^{en un tableau 1} les valeurs de _p obtenues jusqu’ici pour les gaz usuels. Le désaccord ^est frappant :

TABLEAU 1

Les trois premières colonnes donnent des résultats relativement con-

cordants tandis que les nombres les plus ^{récents de Lord} Rayleigh, ^que

Fauteur estime exacts à 5 p.100 près, ^{sont nettement} supérieurs ^{aux autres.}

Il n’y ^{a pas à revenir sur les} premières expériences ^{de Lord} Rayleigh (colonne 1), qui ^{ont été} discutées par l’auteur lui-même dans ^ses deux mémoires de 1920, ^{ni sur} celles de Gans, trop brièvement décrites pour

qu’on puisse ^en évaluer la précision. ^{Nous ne} retiendrons que les deux séries de mesures dont les résultats forment les colonnes II et IV. Pour

expliquer ^{l’écart entre ces nombres, il} n’y ^a que trois hypothèses :

1° Malgré ^{tout le soin} apporté ^{aux mesures,} une cause systématique

d"erreur a faussé l’une des deux séries de résultats,

2° La lumière employée par les deux ^auteurs avait une composition spectrale différente.

3° Des centres diffusants (poussières ^ou gouttelettes) souillaient les gaz étudiés.

Pour tirer la question ^{au clair, nous avons} repris ^une cinquième ^fois

détermination de _p. Nos nouvelles expériences n’ont pas confirmé les

nombres de la quatrième ^{colonne : nous avons trouvé, en} général, ^des

valeurs de _p plus petites, c’est-à-dire une proportion plus grande ^de

lumière polarisée.

2. Discussion des travaux antérieurs.

Tout en mesurant, une fois

encore, la polarisation ^de la lumière diffusée,

^{nous avons voulu trouver} l’explication de l’écart signalé ^entre les résultats des colonnes II et IV ; ^les deux premières hypothèses ^{ne résistent} pas à ^la critique.

i 0 Il n’y a pas ^eu d’erre’lt1. systématique dans la détermination de _p.

Les expériences qui ^ont fourni les nombres II et IV sont décrites en détail

dans les deux mémoires; ^les auteurs ont discuté le réglage géométrique ^des faisceaux, ^éliminé toute trace de lumière parasite ; ils ont évité ce qui

aurait _pu faire varier accidentellement l’état de polarisation ^et l’intensité de la lumière diffusée, ^{comme la} traversée d’une lame de verre trempé ^ou

des réfractions sur des surfaces obliques. ^La différence essentielle entre les deux séries de mesures, qui paraît ^{en faveur des nombres de Lord} Ray- leigh, ^{est la} suivante : Le système

prisme biréfringent-nicol-plaque pho- tographique

^avec lequel ^Lord Rayleigh ^{réduisait et} comparait les éclaire- ments I et 1 a été minutieusement étalonné. Dans le travail publié par ^l’un de nous en 1920, ^cet étalonnage n’avait pas ^été fait.

En désignant par 7 ^l’angle que forme la section principale ^du

nicol avec celle du prisme biréfringent, supposée parallèle à la vibration I,

on avait admis que les éclairements ^des deux images photographiques sont, ^{à la sortie du nicol, comme 1 sin’ 2 et i cos2}

^Peut-être y avait-il là

une cause d’erreur?

Dans les expériences actuelles, nous avons supprimé ^{cette cause} pos- sible d’erreur en choisissant avec plus de soin les deux prismes ^{et en véri-}

fiant sur place l’exactitude de la loi en Les nouveaux résultats ne

s’écartent pas systématiquement ^{de ceux} de la colonne II. La méthode de

mesure ne parait donc pas devoir ^être incriminée.

2° La deuxième hypothèse ^{a été} suggérée par ^Raman (~). ^{Si, comme le} prévoit ^{la théorie, le} degré ^de polarisation ^{diminue avec la} longueur

d’onde, ^un changement ^{dans la} composition spectrale ^{du faisceau} primaire peut ^{entraîner une} modification de _p. Mais, ^ce n’est pas le ^cas ici. Les deux auteurs, utilisaient, ^le premier, un arc au mercure; l’autre, ^{un arc au car-}

bone. Les radiations qui impressionnaient ^la plaque étaient filtrées ^à travers une épaisseur ^{de verre de} plusieurs millimètres ; ^{il restait} donc, dans un cas, les radiations 4358-4046-3650 À du mercure; dans l’autre, ^un spectre ^continu compris sensiblement dans le même intervalle. Il ne

semble pas qu’en moyenne les radiations diffusées soient ^de fréquence plus grande ^{dans le second cas} que dans le premier. ^{En tout cas, la varia-}

tion correspondante de p serait bien inférieure à l’écart constaté entre les nombres des colonnes II et

Nous allons le inontrer en prenant ^comme exemple ^un gaz diato-

mique. ^admettons qu’une ^molécule diatoinique ^{ait la} symétrie ^d’un ellip-

soïde de révolution et désignons par Ey ^et (1’2 les indices principaux ^d’un

(1) RAMAN, ^loc. cil., p. 19.

gaz fictif ^{où toutes} les molécules ^auraient la même orientation; ^l’indice p.

du gaz réel ^et le rapport p prennent ^{la forme :}

avec

OÙ ’1 est la fréquence de la radiation inciden te: ’11 ^{et ’/2, étant les fré-}

quences propres du gaz étudié.

Havelocl{ (‘) ^a appliqué ^ces remarques à l’llydrogène, ^{dont la} disper-

sion est bien connue jusque ^{vers 1850 Â. Il a} pu représenter les résultats

expérimentaux par ^la formule à trois constantes :

où À est évalué en centimètres.

Il en a tiré les valeurs et _V.2 et enfin :

Ainsi, ^dans l’intervalle 4358-3650 A, P varierait de 0,0337 ^à 0,03r 9. Cette

’

variation de 3 pour cent est loin d’expliquer ^{l’écart entre les} colonnes II et IV.

Nous sommes arrivés d’ailleurs, ^{dans le} présent ^{travail, à faire,} par observation visuelle, ^{des mesures} relativement précises ^à (5 pour 100 par

exemple) ^{sur des} gaz triatomiques très diffusants comme C0’ et N20. Les résultats ont été les mêmes que par photographie (tableau II).

TABLEAU II

Enfin, ^{nous avons étudié au} spectroscope ^la variation du facteur de

dépolarisation ^en fonction de la longueur ^d’onde, pour ^les radiations photo- graphiques diffusées par le gaz carbonique ^{et nous n’avons} pas trouvé de variation mesurable.

Ce n’est (lone pas ^{à une} différence ^de longue1lr ^{d’onde ent1*e les radia-}

(1-) HAVELOCK, ^Proc. Roy. Soc., ^{t. 101} (i922), p. i54.

lions e:rcitatrices qu’est ^{(lue la} différence ^{des nornbres II et IV et la}

seconde hypothèse ^{est aussi à} rejeter.

3° Il reste donc la troisième hypothèse qui ^nous paraît ^la plus pro-

bable ; le gaz n’est _pas parfaitement propre ^et contient en suspension ^des particules étrangères. ^{Le tube en croix de Lord} Rayleigh, ^comme celui que

nous utilisons dans les expériences actuelles, est, par ^sa forme même, difficile à nettoyer ^{et le mouvement} du gaz peut ^{entraîner des} poussières

résiduelles dans le champ d’observation. D’autre part, ^il arrive que la lumière agisse ^{sur le} gaz étudié, ^{ou sur des} produits volatils introduits accidentellement avec- le _gaz (’), ^et donne naissance d des centres diffu- sants qui grossissent plus ^ou moins vite.

Devant ce double danger, ^on peut ^{hésiter sur la marche à suivre.}

Lord Rayleigh, pour réduire l’action possible ^{de la lumière, mettait,} pendant ^{toute la durée des mesures, le tube en croix en relation avec un} cylindre ^{de gaz} comprimé. Un courant gazeux ^de 500 cm’ par minute circulait dans le champ ^{éclairé et} la lumière n’avait pas le temps d’agir.

Mais ce courant de gaz pOllyait soulever des poussières ^assez grosses pour diffuser, à ^{90° du faisceau} primaire, ^une lumière peu polarisée. ^{Dans cette} hypothèse, ^{la valeur trouvée} pour p serait trop grande.

Il est intéressant de remarquer que ^ces poussières peuvent ^diminuer beaucoup ^la polarisation ^sans augmenter ^{d’une manière} appréciable ^l’inten-

sité de la lumière diffusée. Prenons l’air comme exemple. Imaginons que,

pendant la durée d’une pose, arrivent de temps ^{à autre dans le} champ

d’observation quelques particules ^assez grosses pour diffuser une lumière

complètement dépolarisée. Supposons enfin que ^ces particules ^{soient tout}

,

de même assez petites ^{el assez} peu nombreuses pour. que l’intensité diffusée en ino-venne - ^el par suite l’éclairement de la plaque

^soient

les mêmes, ^{à 0,02} près, que si l’air avait été parfaitement nettoyé. ^La

mesure photométrique ^de l’intensité diffusée ne révèlera pas leur existence.

Cependa11t, elles fausseront complètement ^la valeur de _p. Le tableau 111

’

TABLEAF III

(1) provenant, par exemple, ^{de la} graisse ^{des robinets.}

donne en effet, les intensités diffusées par l’air propre ^et par les pa.rticules.

On trouve donc. si l’air n’est pas parfaitement propre, p

0,05 ^au lieu

De telles particules ^sont d’ailleurs yisibles â l’0153il nu avec un éclaire- ment intense (soleil) ; nous en avons observé chaque fois que ^{nous avons} fait circuler un courant gazeux dans notre appareil ^{actuel clc dimensions}

réduites. Aussi, ^nous a-t-il paru nécessaire d’éviter ^toute circulation de gaz. Mais ^on s’expose ^{alors il l’autre} danger : la iorn>ations de centres diffusants sous l’action de la lumière. Nous l’avons facilement évité, ^non

seulement avec les gaz inertes mais ^avec tous les gaz usuels étudiés ^dans

ce mémoire, ^en prenant ^les précautions suivantes :

1 ° On commence par entraîner toutes les poussières ^{contenues dans}

le tube par ^{on courant} prolongé ^{d’air sec et} propre.

2° Pour passer d’un gaz à ^{un autre on vide le} récipient ^{avec une} pompe à palette (0,1 ^{mm de} mercure) ^{et on le lave soit avec le} gaz il étudier (si

l’on en possède ^{une masse} suffisante), ^{soit avec un gaz inerte; on fait le}

vide une seconde fois et on remplit définitivement.

3° Chaque gaz est purifié, ^{desséché sur une} longeur ^{de 5 cn1 d’an-} hydride phosphorique ^{et filtré à travers une} épaisseur ^{de 20 cm de coton} hydrophile ^{bien tassé.}

4° Les robinets sont paraffinés ^aussi légèrement que possible.

5° On filtre la lumière incidente à travers une épaisseur ^de quelques

millimètres de verre pour arrêter les radiations les plus ^actives.

Si l’on néglige certaines de ces précautions, ^des nuages prennent parfois ^{naissance en un ou} plusieurs points ^du champ d’observation ; ^ils

se développent lentement, ^{diffusent une} lumière de plus ^en plus ^{intense et} occupent peu ^à peu ^tout le champ.

Dans les expériences ^faites par 1’uii de nous en 1920, ^le récipient

utilisé avait une capacité ^{de 11 itres; la} région éclairée était petite ^vis-à-

vis du volume total offert au gnz et, ^en général, ^les mouvements de convection entraînaient les nuages hors du champ ^{éclairé avant} qu’ils ^aient

eu le temps ^{de se} développer sensiblement. Mais, ^{dans les} expériences actuelles, _pour pouvoir étudier des _gaz rares ou des gaz pénibles ^à préparer ^en grande quantité, ^{iicus avons} remplacé ^le grand récipient

de 11 litres par ^un petit ^{tube en croix de} 300 cm’ environ. Les nuages sont devenus plus gênants. ^{C’est dans} l’hydrogène que ^ce phénomène parasite ^{est le} plus ^{facile à suivre :} l’hydrogène est extrêmement transpa- rent, il s’échauffe peu et les mouvements de convection y ^sont négligeables.

On voit alors, parfois, qu’en ^une région ^du champ ^la diffusion devient plus

intense et, au bout de 5 à 10 minutes, ^on distingue ^{à nu} les centres de condensation. Par photographie, à condition de poser peu de temps, ^on

est averti du phénomène ^{par une variation} brusque ^{de l’éclat du faisceau et}

de son état de polarisation ^{dans la} région ^du nuage (fig. ¹ b.).

Fig. ^4.

Aspect du faisceau de lumière traversant le gaz lorsque, par rotation dn.

nicol,

^{amené à} l’égalité les deux nuages données par le prisme biréfringent.

a.

Gaz propre.

G. Apparition d’un nuage.-

Voir page 43%.

Ces particules parasites, pendant ^les premières minutes, ^{tout au moins,}

restent petites ^et sensiblement sphériques ; la lumière qu’elles ^diffusent

est à peu près complètement polarisée; ^{elle est} plus po larisée, ^{en tout cas,}

que la lumière diffusée par le gaz. C’est gênant pour discuter les résultats des expériences : ^les poussières ^{dont nous} parlions ^{au début} augmentaient

la valeur de p ; les particules ^{actuelles la} diminuent; ^{on ne} peut ^{donc savoir}

en toute certitude si la valeur obtenue est trop ^{forte ou} trop faible. Il semble cependant, d’après ^cette discussion, que si le ^courant gazeux de Lord Rayleigh lui donnait des valeurs trop grandes, les nombres fournis par l’un ^{de nous en} 1920 pouvaient ^{bien être} trop petits.

Il faut remarquer cependant que ^ces nuages n’introduisent pas ^une

erreur aussi importante que les grosses poussières, ^{et cela est dù à ce queleur,}

état de polarisation ^se rapproche beaucoup plus ^de celui des gaz étudiés.

Le tableau 1-V montre que, dans l’air, si l’intensité augmente ^de

TABLEAU IV

5d ~ ^diminue simultanément de ~ ~U ^seulement.

Outre les précautions indiquées déjà, il n’est pas mauvais, dans l’obser- vation photographique, de réduire au minimum ^le temps de pose. On peut

y arriver ^en éclairant fortement le gaz ; il faut alors éliminer soigneusement

à la fois les radiations rouges ^et infra-rouges, qui, ^sans agir ^{sur la} plaque

sensible, produisent ^des mouvements de coiivectiôti dans le gaz, et les radiations trop ^{actives de} longueur d’onde inférieure à 3 5J00 Â ^environ.

Mais il vaut micux, _pour réduire le temps ^{de pose, recevoir} le faisceau dif-

fusé sur un appareil ^très lumineux.

3. Dispositif ^actuel.

^Le _montage optique ^est schématiquement ^très simple (fig. ^{2) : Un faisceau} horizontal de lumière naturelle X’ S X éclaire

Fig. ^-1.

le _gaz, placé ^{daus un} récipient ^{de forme} tclle (tue seule la lumière diffusée par le gaz puisse atteindre la plaque photographique. ^{Le faisceau secon-}

daire S Y est _recu sur le prisrne biréfringent ^B, l’objectif ^{L ct la} plaque ^sen-

sible P où se forn1ent deux images ^du point ^{S. Si les arètes du} prisme ^hiré- fringent ^sont horizontales, ^{les deux} images photographiques ^{sc forment}

l’une au dessus de l’autre et leurs éclairements sont I et 1. Le nicol mobile N

permet ^{Clc mesurer} p = L ^par la méthode de Cornu.

permet ^{de mesurer} p la méthode de Cornu.

a) .Source rIe Iiiiiiière.

Nous av’ons renoncé aux sources artificielles

dont l’éclat est faible et, profitant ^des jours ^{de beau} temps ^si fréquents ^a

Montpellier, nous avons utilisé la lumière du soleil, ^ce qui ^{nous a} permis

de faire facilement de bonnes observations visuelles. Déjà ^{Ilaman, à Cal-}

cutta. avait réussi à étudier visuellement la polarisation ^de la lumière solaire diffusée par le _gaz carbonique.

On peut ^{éclairer le gaz en lumière} parallèle ^en dirigeant simplement

sur le tube, ^{avec un} héliostat, ^{un faisceau de} rayons limité par ^un diaphragme.

L’éclat e de la lumière diffusée est proportionnel ^à l’éclairement E d’un

plan ^{normal au} faisceau incident et à la profondeur Il de la couche gazeuse éclairée :

Soit /, l’éclat du soleil, w ; ^son diamètre apparent ; ^{nous avons :}

A ne peut guère dépasser ^{2 cm : on est} limité par les dimensions restreintes du tube que nous avons tenu à employer: par suite :

Mais, ^{dans les} expériences actuelles; nous ne nous sommes pas astreints à utiliser ^un faisceau parallèle : nous avons projeté, ^{en S} 2), l’image ^du soleil, ^{avec une lentille} d’ouverture moyenne, ^{et tenu} compte, ^{dans le}

calcul de p, ^{de ce} que l’onde incidente n’est pas plane. Soit Q l’ouverture

numérique ^{de la} lentille ; ^la valeur obtenue pour p doit être diminuée ^{du terme}

_2 (-)2

(’) L’ouverture adoptée..Q

0.24, ^{entraîne une correction}

1

de - 0,004 ; ^c’est déjà beaucoup ^{et il nous a} paru difficile d’envoyer ^un

faisceau plus convergent.

Soil S la surface de la lentille; ^sa distance focale. L’éclairement a

pour valeur (os ^{et la} profondeur ^{éclairée est (¡)1’. D’où :}

Il y ^a intérêt, à égalité d’ouverture numérique, ^à prendre ^{une lentille}

là long foyer qui ^{donne une} plus grande image ^{du soleil et. par suite, une} plus grande profondeur ^éclairée.

Pour

Nous nous sommes arrêtés à une lentille de 30 cn1: avec une distance

(1) J. CABALES, /0r’. Cl*t., p. 112

focale plus grande, ^{nous aurions eu, en AS’, un faisceau} plus large ^et plus

difficile à dédoubler avec le prisme biréfringent ^{B et} l’objectif photogra- phique ^L (fig. 2).

On peut ^{évaluer, dans ce} cas, les éclats _que l’on aura à mesurer.

La théorie de Rayleigh donne la valeur de Il : dans l’air, pour A = 0,55 ~

R - 6,5.10-9 cm-i. L’éclairement d’une surface au soleil pendant ^{une belle} journée, atteint 100000 lux. D’où :

eo

150 000 phots par stéradian

E ^~

12.10-6 bougies ^{par cm2.}

La réflexion sur les diverses surfaces de verre ramène à 8.10-1 l’éclat de la lumière diffusée. Enfin, l’éclat relatif à la vihration horizontale i n’est que 0,04 ^du précédent, c’est-à-dire :

On peut ^{arriver à le mesurer} visuellement (à ^{un ou} deux dixièmes près)

en réalisant un fond parfaitement ^{noir et en} reposant ^{sa vue à} l’obscurité

pendant ^une demi-heure environ ; ^le minimum d’éclat perceptible (pour

une source étendue) ^{est mille fois} plus ^faible.

La lentille de projection ^{doit être} corrigée des aberrations de sphéri- cité ; si elle donnait une caustique linéaire MC (fig. 3) ^le degré ^de polarisa-

Fig. ^3.

tion de la lumière diffusée serait plus ^{faible en M} qu’en C. Il y aurait ^une incertitude sur la correction à faire subir _{à p.} Cette correction serait infé- rieure à 0,004 ^{en C et} supérieur ^enM.

Avec une mauvaise lentille, ^la caustique ^{se trouve dessinée sur la}

double image photographique ^et l’on voit que le degré ^de polarisation

diminue de gauche ^{à droite} (fig. ^1, c). ^{On a, dans ce cas. la ressource de ne} pas

mettre exactement au point ^sur le faisceau à photographier : les densités de chaque image deviennent plus ^{uniformes et l’on} peut ^{faire subir, à la}

valeur de p ^{mesurée, la} correction moyenne ^de 0,0()~.

La lumière du soleil est _reçue sur le miroir argenté d’un héliostat qui

la renvoie horizontalement dans la direction Sud-Nord. Cette réflexion

peut polariser le faisceau primaire ^et introduire une erreur importante.

Prenons, ^comme exemple, ^une expérience faite fin avril à midi local. Le

plan d’incidence se confond avec le méridien. Le faisceau réfléchi est pola-

,

risé syrnétniquement par rapport ^{au méridien et au} plan horizontal ; ^{il est}

donc constitué par ^deux vibration incohérentes rectangulaires I-I horizon-

tale) ^et V(verticael . IIest parallèle ^{àla surface} du miroir et l’on V.

Dans ce cas, la valeur réelle de p ^est supérieure ^{à la valeur mesurée,}

riT donne deux vibrations diffusées : l’une, verticale, d’intensité x V ; l’autre, horizontale, ~ ^{V; H} donne deux vibrations d’intensité égale ~H. ^{On mesure}

donc :

au lieu de

d’où, sensiblement,

L’écart dépend de il , c’est-à-dire de l’incidence. Fin Avril, ^{la décli-} naison était voisine de 13°; Montpellier ^{est à} 430 37’ de latitude Nord ; ^la distance zénithale du soleil à midi était donc voisine de 30’ et l’angle ^d’in- cidence,de 30,+9o, ^60". 0n n’était pas loin de l’incidence principale (70° environ pour l’argent), c’est-à-dire dans le cas le plus défavorable. Nous

avons mesuré :

Au coucher du soleil, ^au contraire, ^le plan d’incidence tend à devenir horizontal, ^{on a} J7 et la valeur de p mesurée est trop ^faible.

On peut facilement éviter cette correction soit ^en plaçant ^{sur le fais-}

ceau réfléchi _{par le} miroir de l’héliostat un prisme de Foucault de section

principale verticale, ^{soit en limitant} les observations aux heures où le plan

d’incidence est â sur l’horizon.

Nous avons rejeté ^la première solution : le prisme ^de Follcault ^aurait,

eu d’abord _{le gros} inconvénient de réduire sensiblement de moitié la

grandeur à ^{mesurer; en outre, il aurait limité} l’ouverture du faisceau et affaibli la lumière par réflexions ^et absorption.

Les mesures définitives ont toujours ^{été faites} lorsque ^le plan ^d’inci-

dence était à peu près ^{à li.5’ sur} l’horizon; ^{il est facile de} prévoir ^{les heures}

favorables (fig. ^4-).

Fjg. 4-.

Connaissant razin1uLll NH

et la hauteur HA

h du soleil au

moment de l’expérience, ^{on a, dans le} triangle ^NHA. l’angle d’incidence du rayon solaire sur le miroir de 1 héliostat i

2013 ^et le dièdre

ANH du

plan d’incidence avec le plan horizontal. En particulier,

On dvtern1illera, chaque jour, ^l’heure pour laquelle tg h

^{sin a ;}

l’azimuth et la hauteur se calculent à partir ^{de la} déclinaiso1 et de l’angle

horaire,

b) RéciJJl.e7lt ^{il ,gaz.}

^Sa capacité n’atteint pas 300 cm3. Il ^se compose essentiellement de deux tubes de verre identiques, ^{soudés en croix, rodés}

à une extrémité, ^{étirés et} recourbés à l’autre. Le diamètre intérieur du tube est de 3 cm.

Deux robinets, ^{soudés aux} parties ^étirées, mettent le récipient ^{en com-}

munication soit avec la _pompe, soit avec le gazomètre. ^Deux regards ^de

verre sont collés ^au mastic golaz ^{sur les} rodages pour l’entrée de la lumière et les observations latérales (fin. 5).

Le tube FED. qui ^fait communiquer ^le récipient ^{de verre avec le} gazomètre, ^est rempli d’anhydride phosphorique ^{et de coton} hydrophile.

La surface du récipient est recouverte de vernis noir. Le

lecteur reconnaîtra l’avantage des tubes en croix : ils permettent ^d’obser-

ver latéralement sur un fond parfaitement ^{noir la trace} de faisceau pri-

maire diffusé par le gaz.

;..,. > : : .

Fig. ^{5 b.}

^Faisceau photographié

l’objectit ^{de à}

(agrandi ^{3 fois).}

Fig. ^{9 5}

^Faisceau

photographié

l’objectif ^{de 4}

(agrandi ³ fois).

Nous avions d’abord construit un appareil plus simple ^{encore, tout en}

verre, ^sans golaz ; ^{un seul tube, étiré et recourbé en A, soufflé en 0, B et}

C. Le faisceau primaire traversait le tube suivant BC (fig. 6). ^Malheureu-

Fig. 6.

sement, la réflexion sur le verre en C illuminait assez vivelnent le fond du tube 1~ pour rendre impossible ^{des mesures} précises : ^{l’éclat du fond sur} lequel ^se détachait le faisceau primaire, pour l’observateur 0, atteignait ^{0, ~}

environ de l’éclat du faisceau dans l’air.

Avec le nouveau récipient, ^cet inconvénient a complètement disparu ;

le fond noir n"ajamais impressionné ^la plaque photographique; ^{il ne donne}

rien après ^{deux heures} de pose alors qu’une demi-minute suffit _pour pho- tographier latéralement le faisceau lorsque ^le récipient ^est plein ^d’air.

Pour éviter toute fatigue ^{de l’oeil et} augmenter ^sa sensibilité, ^et aussi, lorsque ^nous opérions par photographie, pour éviter ^un voile possible ^de

la plaque, nous avons travaillé dans une salle obscure. La cloison est per- cée d’une ouverture circulaire PQ pour le passage ^du faisceau solaire que

nous recevons aussitôt dans une caisse de bois en forme de croix, représen-

tée en plan ^{sur la} figure ^{7. De cette manière, le} faisceau n’éclaire pas sensi- blement la salle. Au milieu de la caisse est installé le récipient ^à gaz R.

En AB et EF, ^deux portes permettent ^les réglages optiques. ^{La chambre}

CD, tapissée intérieurement de velours noir, contient les appareils ^d’obser-

vation. En D1 ^et D, peuvent ^être placés ^deux diaphragmes circulaires : le

premier limite l’ouverture du faisceau incident ; le second intercepte

la lumière réfléchie _{par les} parois ^ab et cd du tube de verre, qui entourerait d’un anneau brillant le champ d’observation. Pour la photographie, ^cet

anneau serait peu gênant, ^{mais la lumière} qu’il envoie diminuerait la sen-

sibilité de l’oeil dans le cas de l’observation visuelle.

Avec ce montage, ^le récipient ^{Il étant} rempli ^{d’un gaz} quelconque, ^un

observateur non prévenu voit immédiatement se détacher, ^en bleu, ^{le fais-}

ceau primaire ^{sur un fond} parfaitement ^{noir ;} la diffusion de la lumière

Fig. 7.

par les gaz les moins réfringents, ^comme l’hydrogène ^{et le} néon, devient facile à observer.

En résumé, nous sommes arrivés, ^{dans les} expériences actuelles : 10 à faire agir ^{un faisceau} primaire ^assez intense pour permettre ^des

mesures visuelles.

2° à opérer ^{sur de} petites quantités ^{de gaz} (quelques centaines de centimètres cubes au maximum).

Le dispositif que ^{nous avons} réalisé peut ^être reproduit à peu de frais dans un laboratoire quelconque ^{et, tout en} permettant ^{des mesures} pré- cises, ^{il se} prête ^{à des} expériences ^{de cours et à des} manipulations

d’élèves.

c) Obsercatio71 photographiqite ^{et mesures.}

^Pour réduire le temps ^de

pose, il faut augmenter l’ouverture numérique ^de l’objectif photographique.

Mais, ^{en avant de} l’objectif, ^les polariseurs limitent le diamètre du faisceau ;

il ne reste donc plus qu’une ressource ; diminuer autant que possible ^la

distance focale de l’objectif.

Les dimensions de nos polariseurs étaient malheureusement trop

petites ^et le faisceau tombant sur l’objectif ^n’avait pas 1 centimètre de dia- mètre. Avec les _gaz comme C02, ^N20 qui ^{diffusent une lumière assez intense}

et pas trop polarisée, ^une lentille de 8 cm de distance focale suffit ; ^elle

fonctionne à faible ouverture et donne des images grandes ^et relativement bonnes (fig ^5, b).

Mais, pour étudier des gaz ^moins réfringents, ^{cette lentille nous en-}

trainait à des poses allant de f 0 â 45 minutes ; ^c’était trop. ^{Nous avons}

’

alors pris, ^comme objectif, ^{un oculaire de} microscope (Huyghens, /== 4cm)

dont la lentille de champ était tournée vers le faisceau à photographier.

On obtient ainsi de petites images qu’il faut étudier ^à la loupe (fig. ^5, c).

Le temps de pose nécessaire pour ^{une bonne mesure de} p, varie de 1 minute

(C0~) à 10 minutes (H2).

La plaque photographique ^{6.5 X 9 cm’ est} introduite dans un châssis à volet, ^{mobile le} long ^d’une glissière. ^Un dispositif analogue ^avait déjà

servi à l’un de nous en 1920 : on peut ^{faire 16} poses ^sur la même plaque.

Nous avons séparé les deux vibrations 1 et i avec un prisme ^biré- fringent ^{de Wollaston en} quartz, ^B (fig 2); l’angle ^de duplication ^{valait ,}

45’environ,. En éloignant l’objectif du faisceau à photographier, ^{on diminue}

les dimensions des deux images jusqu’au ^{moment où elles cessent} d’empiéter

l’une sur l’autre. La distance SL est alors de 45 cm.

Il n’y ^{a pas de raison de supposer} qu’un ivollaston, éclairé normale- ment en lumière naturelle, donne deux rayons d’inégale intensité. Nous avons

cependant ^{tenu à vérifier, en} plaçant ^notre prisme biréfringent ^{devant une}

source étendue de lumière naturelle, que le degré ^de polarisation ^{de la lu-}

mière transmise était inappréciable. ^{Pour cela} nous avons observé à tra-

vers le prisme ^de imollaston; ^{avec un} polariscope ^{de Savart, un mur blanc}

éclairé normalement : il n’y ^a pas trace de franges ^{sur le} quartz ^du

Savart.

A la suite du wollaston, ^{faute de} posséder ^un polariseur ^à champ ^normal,

nous avons utilisé un nicol à faces normales N (fig. 2) provenant ^d’un pola-

rimètre de Cornu. Ce nicol est mobile à l’intérieur d’un cercle, gradué ^{en demi-} degrés ^{avec vernier au} trentième. Il présente l’inconvénient de rejeter ^latérale-

ment le faisceau de lumière et lorsque, ^{au cours de mesures, on fait tourner}

cet analyseur ^{autour du} rayon incident, ^le rayon émergent ^se déplace ^et

décrit un cylindre ; il faut vérifier que, dans toutes ^ses positions, ^{il ren-}

contre la première ^{lentille de} l’objectif photographique.

Le faisceau diffusé issu du point ^S (fig. 2) ^{est limité} par l’ouverture cir-

circulaire Dz. ^{On doit} prendre cette ouverture assez petite ^{pour que ni le}

wollaston, ^{ni le} nicol, ⁿⁱ l’objectif ^ne diaphragment ^{à leur tour le fais-}

ceau. Ce réglage ^{est délicat; il} faut, pour le réussir, ^{une lumière} intense. On substitue, ^au récipienn ^{a gaz} R, ^un diffuseur solide blanc.

Lorsque ^le réglage ^{est bien fait, nous ne} voyons pas comment l’appli-

cation de la loi ell tg2a peut conduire à des résultats inexacts. Cependant,

pour enlever toute incertitude, nous ^{avions tenu à faire sur} place ^{une véri-}

fication de la loi en tg2a ^sur laquelle s’appuient ^toutes nos mesures. Cette vérification a été faite avec l’objectif ^{de 4 cm de} foyer; ^{il va sans} dire que les conclusions restent valables avec tout autre objectif.

Pour cette vérification, ^on enlève le tube à gaz ^{et on} éclaire le polari-

mètre BNLP (fig. 8) par ^un faisceau monochromatique polarisé rectiligne-

. u

_

Fig. 8.

ment. Ce faisceau, émis par ^une lampe ^{NI à} vapeur de mercure, traverse

une cuve d’eau céleste Ci ^{et une cuve de} quinine C> (qui ^ne laissent passer que la radiation 43601) puis ^{un foucault F.} Par rotation du foucault, ^on

amène la vibration incidente à être verticale et on place ^à l’extinction le nicol N.

Un tel dispositif ^se prête immédiatement à la mesure des pouvoirs rotatoires, pourvu que ^{la loi en} tg2;( ^soit correcte : il suffit de placer, ^{à la}

suite du foucault, ^une solution active Q1Q2 et de déterminer l’angle

^dont

il faut faire tourner le nicol _{N pour} avoir, ^{sur la} plaque photographique,

deux images ^{de mcme} densité. En effet, si la vibration initiale OV a tourné .d’un petit angle

(fig. 9), ^les amplitudes ^{des deux} composantes ^verticale

et horizontale sont °P’2 ^et °P1 et, ^{si la} loi en tg’

^{est correcte, on doit}

trouver

En prenant ^{donc une} épaisseur déterminée de’ solutions dont on con-

nait le pouvoir rotatoire, ^on peut calculer w a priori ^{et vérifier} jusqu’à

quel point l’angle ^{mesuré coïncide avec}

Ici encore, le réglage exige beaucoup ^de soins : le centre de l’extrémité

QI ^{de la cuve} polarimétrique ^{doit coïncider avec le} point S, ^{où se formait} précédemment l’image ^du soleil. En outre, ^{comme dans les} mesures sur

les gaz, c’est le diaphragme D2 qui doit limiter le cône de rayons issus de S.

Pour avoir deux images qui n’empiètent pas l’une ^sur l’autre, ^{on limite en} QI ^le faisceau par ^{une ouverture} rectangulaire ^{dont le} grand côté est llori-

Fig.9.

zontal et dont la hauteur ne dépasse pas 2 ^mm. L’appareil photographique

est au point ^{sur cette} ouverture. Nous avons étudié, ^{dans un tube de} 2(hcm

de long, trois solutions de saccharose de concentrations :

Elles nous ont ^{donné :}

En admettant 123°, ^comme rotation spécifique, ^{on devrait trouver :}

La vérification nous a paru satisfaisante.

4. Résultats.

a) ^Caâ carbonique ^{et azoteutc.}

L’acide carbo-

nique préparé par voie humide au laboratoire et celui que livre le ^commerce ont donné les mêmes résultats. Nous avons obtenu l’oxyde ^azoteux par

décomposition ^de l’azotate d’ammoniun1 à température aussi basse que pos- sible ; nous n’avons pas dépassé 250"C; _{le gaz} contient encore 2 p. 100

d’azote que ^nous n’avons pas cherché ^à éliminer.

CO° et N’O diffusent à peu près ^{la même} intensité lumineuse (3 ^et

4 fois plus ^que l’air) ; la lumière diffusée se trouve dans le même état de

polarisation (p

^0,10 et ?

0,~2); les conditions d’observation sont donc exactement les mêmes pour les deux _{gaz :}

10 Les mesures visuelles sont faciles.

2° Le temps de pose, pour ^{une bonne mesure} photographique, ^{varie de}

4 minutes (objectif ^{de 8} cm) ^{à 1 minute} (objectif ^{de 4} cm).

Les observations visuelles ont donné pour C02 des valeurs de a com-

prises ^entre ~’~° et ~ 9° avec une moyenne de ~’~° 55’ ; pour N20, ^{des valeurs} comprises ^{entre 19" et 20°} 30’, ^{avec une} moyenne de 19° 1i5’, ^ce qui ^donne

les valeurs suivantes _pour tg2a (tab. V.)

TABLEAU V.

En faisant, pour les deux gaz, la correction de

0~004(p. 437), ^{et en}

tenant compte ^{de ce} que N20 contient 2 p. 100 d’azote (correction ^de + 0,001), ^on obtient les valeurs de p ^contenues dans le tableau VI.

TABLEAU VI.

La photographie ^{montre, avec} plus ^de précision que :

d’où les nouvelles valeurs de tg2

^{et p} (tab. ^B’11.)

TABLEAU VII.

Ces dernières mesures nous paraissent exactes à 2 p. ~00 près environ

Xous avons vaineUlent cherche à

évidence, ^{dans le cas du}

gaz carbonique, ^{une variation du} facteur de dépolarisation ^{avec la} longueur

6d’onde. Nous avons. pour cela, ^{substitue à la} plaque ^{sensible P} (fig. 2) ^la

fente verticale d’un spectrographe ^{à deux} prismes ^de quartz. ^Le nicol était

réglé ^{à 17°} ,i5’ : la pose durait ^{1 h.} 30 mn. Il n’y ^a pas ^eu de différence appré-

.àable entre les deux spectres.

D’ailleurs, dans les mesures visuelles. nous n’avons jamais pu ^aecon- naître aucune différence de teinte entre les deux images que ^{nous amenions} là l’égalité.

h) ^{Air, de carúone,} Oi-yde azotiqi(e.

L’oxy- gène ^{a été} préparé par décomposition ^{du c111orate de} potasse; l’azote, par

l’azotite d’ammonium; l’oxyde ^{de carbone, par l’acide} formique, ^et l’oxyde ..azotique, par l’action de l’acide azotique ^{sur une} solution aqueuse ^de sulfate ferreux additionnée d’acide sulfurique. ^Il n’y ^a pas lieu sur ces

diverses préparations, qui ^sont classiques, ^{ni sur la} purification ^des gaz.

Tous ces gaz diffusent il peu près ^autant de lumière que l’aio et le fac- leur de dépolarisation varie, en gros, de 0,02 (CO)

(02). Il faut donc ,poser plus longtemps qu’avec ^{les deux} gaz précédents. ^{Les nouveaux} temps de pose ^sont faciles à prévoir. ^Avec l’oxyde ^{de carbone,} par exemple,

i

0,02 1, ^tandis qu’avec le gaz carbonique ^{nous avions i}

^{0,10 1.}

Donc

Nous posions ^{une minute avec} le gaz carbonique ; il faudra niainte- ,nant un quart d’heure. En réalité, ^une minute, c’était beaucoup ^{et, avec} 1’oxyde ^{de carbone,} six minutes suffisent.

Les observations visuelles ne sont plus possibles ^avec le w-ollaston : les deux images rétiniennes se séparent ^{Inal ; -,} l’acuité visuelles devient très faible _pour de si petits éclairements. Il faut remplacer ^le wollaston par ^un

prisme biréfringent spath-verre, ^dont l’angle ^de duplication ^est plus grand.

On peut alors faire des mesures visuelles, ^{mais la} précision ^{reste faible.}

Les mesures photographiques ont donné les valeurs de p ^contenues

Jans le tableau VIII.

TABLEAU YIII

Le chiffre des millièmes n’est pas tout à fait sûr, ^{mais très} probable.

L’oxyde azotique ^est étudié ici _{pour la} première ^fois.

titre de vérification, ^on peut calculer le facteur de dépolarisation

dans le ^cas de l’air. connaissant la manière dont l’azote, l’oxygène ^{et l’ar-}

gon diffusent la lumière, d’après ^{le tableau} IX. ,

IX

On tire de ^ce tableau

c) llyclrogène.

^{Nous avons} préparé ^cc gaz par l’action, ^{sur le zinc} pur, soit de l’acide sulfurique ^{étendu, soit de l’acide} chlorhydrique. ^{Dans ce}

dernier _cas, nous l’avons fait circuler sur une colonne de chaux avant de le dessécher sur l’anhydride phosphorique. ^{Le tube avait été} préalablement

vide sur de l’air sec avec la pompe ^à palettes. ^l’avons rempli d’hy- drogène ^une première ^fois, puis ^vidé, rempli ^{de nouveaux,} puis ^{encore vidé ;} enfin, rempli définitivclnent d’hydrogène.

Dans ces conditions, quel que soit lc temps d’exposition ^du gaz à ^la lumière, ^il n’y ^a jamais ^{formation de} brouillard. Dix minutes suffisent d’ailleurs avec l’objectif ^{de 4. cm de} foyer pour obtenir un bon cliché; a l’oeil nu, toute mesure est impossible. ^{Avec le} dispositif ^réalisé par l’un de nous, en ~ 9 20, ^{il fallait} ~10 heures de pose.

Nous avons obtenu, par photographie, p

^{0,022. Le nombre 0,024 est}

nettement trop fort ; O,02l ¹ parait ^un peu trop ^faible.

5. Conclusion.

1° Nous avons, au cours de ce travail, ^{mis au} point

un dispositif commode pour observer la diffusion de la lumière par les gaz

transparents ^les plus ^{usuels et mesuré avec} précision, pour ^ces gaz, le fac-

teur de dépolarisation. Les résultats sont contenus dans le tableau suivant :

L’oxyde azotique n’avait pas ^{encore été} étudié.

Manuscrit _reçu le 20 juillet ^1923.