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Submitted on 1 Jan 1876
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De la diffraction dans les instruments d’optique; son influence sur les observations astronomiques
Ch. André
To cite this version:
Ch. André. De la diffraction dans les instruments d’optique; son influence sur les observations astronomiques. J. Phys. Theor. Appl., 1876, 5 (1), pp.265-277. �10.1051/jphystap:018760050026500�.
�jpa-00237198�
265
DE LA DIFFRACTION DANS LES INSTRUMENTS D’OPTIQUE; SON INFLUENCE SUR LES OBSERVATIONS ASTRONOMIQUES ;
PAR M. CH. ANDRÉ.
1. - DÉFINITIONS.
Pouvoir
séparateur. -
Pouvoiroptique.
2013 On sait quel’image
d’un
point lumineux,
assez brillant et suffisammentéloigner produite
dans le
plan
focal d’un ’objectif
ou d’un miroiraplanétique,
secompose d’un
disque central,
où l’éclairement décroîtrapidement
àpartir
du centre, etqui
est entouré d’anneaux brillants dont les in- tensités sontrapidement décroissantes,
comme le montre le tableausuivant :
Les dimensions de ce
disque
central et des anneauxqui
l’en-tourent
dépendent
d’ailleurs du diamètre del’objectif
ou dumiroir;
elles se réduisent il zéro pour un
objectif
de diamètreinfini,
etsont de
plus
enplus grandes,
à mesure que l’on se sert d’unobjectif
de
plus
enplus petite
ou, cequi
revientau même,
à mesure que l’ondiaphragme
deplus
enplus
un mêmeobjectif
par sesbords,
de sorte que, si l’om construit
(fig. i) (ligne pleine)
unecourbe,
dont les ordonnées
représentent
les intensités lumineuses aux dif- férentspoints
del’image
donnée par une lunettedéterminée,
etqui
ait pour abscisses les distancesangulaires
de cespoints
à l’axede la
lunette,
cette courbe des intensitésreprésentera
lesphéno-
mènes pour un
objectif
d’ouverturequelconque, à
la condition de faire varier l’échelle desabscisses,
de telle sorte que l’abscissequi correspond
à la distanceangulaire
un croisseproportionnellement
à l’ouverture
employée.
Il en résulte
qu’on
ne peut, avec unobjectif donné, séparer
net-tement l’une de l’autre deux étoiles dont la distance
angulaire
estinférieure au diamètre du
disque
centralqui correspond
à sonArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:018760050026500
266
ouverture. C’est ce que Dawes et Foucault ont
exprimé
en disantque le Pouvoir
séparateur
ou le Pouvoiroptique
d’unobjectif
était
proportionnel
à son ouverture.Si,
au lieu dediaphragmer
par les bords unobjectif déterminé,
de 3o centimètres d’ouverture par
exemple,
on lediaphragme
par le centre, le diamètre dudisque
centraldiminue,
aucontraire,.
peu à peu à mesure que le diamètre de l’écran central augmente;
il tend vers une Ilinite
minimum, qui
est atteintelorsque
lapartie
laissée nue de
l’objectif
es t réduite à une bandemar ginale if1:fini-
Fig. 1.
ii-tent étroite. Il y a donc là un moyen,
qui
d’ailleurs a été souventemployé, d’augmenter
lepouvoir séparateur
d’unobjectif donné ; mais,
en méme temps, les intensités lumineuses des anneauxbrillants
éloignés
sont devenues des fractions deplus
enplus grandes
de celles du centre à mesure que les dimensions de l’écran central ontaugmenté,
de sortequ’en s’opposant
à l’effetoptique
des
parties
centrales del’objectif,
on a pour ainsi dire chassé la lumière du centre del’image.
267 Tous ces
faits,
dontj’ ai
donné la théorie(1),
montrent que, dansaucun cas, on ne doit considérer comme se réduisant à un
point l’image
d’une source lumineuse infinimentpetite,
donnée par une surfaceaplanétique réfringente
ou réfléchissante.L’image
d’une source de diamètre apparent sensible duSoleil,
de la Lune et des
planètes,
donnée par les mêmesinstruments,
doit- elle être au contraire réduite à sonimage géométrique ?
L’inverseparaît probable
aupremier abord,
etje
vais chercher à démontrerqu’il
en est réellement ainsi.J’emploierai
dans ce but le moyen , suivant :Solide de diffraction. - Si l’on fait tourner autour de son axe
vertical la courbe des intensités
(fig. 1)? qui correspond
àl’image
focale d’un
point
lumineux donné par unobjectif
ou unmiroir
onengendre
un certain solide de révolu donque j’appelle
solide dediffraction,
etqui
estl’image
et comme lareprésentation
immé-diate des
phénomènes
lumineux existant dans leplan
focal de lalunette;
car, si l’axe de ce solide coïncide avec celui de lalunette,
la
quantité
de lumièrerépandue
sur un élément duplan
focal estévidemment
proportionnelle
à la fractioncylindrique
du volume dece solide
qui
a pour base l’aire considérée.Si l’ouverture de la lunette vient à
changer’,
les dimensions tranversales de ce solidechangent
aussi(nous
ne tenons pas compte des variations d’intensitéqu’introduit
lechangement d’ouvertare) ;
elles diminuent si le diamètre de
l’objectif
augmente, croissentdans
l’hypothèse
inverse. Avec la restrictionprécédente,
les appa-rences
produites
par unpoint lumineux,
dans desobjectifs
dedifférentes ouvertures, sont donc les mêmes que celles que l’on
obtiendrait, d’après
les lois del’Optique géométrique,
en obser-vant, avec une même
lunette,
ce solideplacé
comme nous l’avons ditplus haut,
mais à des distances( suffisamment grandes)
propor- tionnelles aux diamètres des différentsobjectifs.
D’un autre côté, l’observation a montré que les différents élé- ments, ou
points lumineux,
dont se compose une source lumi-neuse de dimensions
finies,
sont à un instantquelconque
dans des(1) Étude de la diffraction dans les instruments d’optique ; sozt influence sur les
observations astronomiques.
268
phases
différentes de leurpériode
devibration ;
de telle sorte que les mouvementsqu’ils
envoient en unpoint quelconque
ne peuventjamais interférer,
et que l’intensité lumineuse en cepoint
estla somme des intensités
qu’y produirait
chacun des éléments de la sourcepris
isolément.L’intensité lumineuse sur un élément
superficiel
duplan
focalest donc
représentée
par la somme des volumes desparallélépipèdes
élémentaires
qui
luicorrespondraient
successivement dans le solide dediffraction caractéristique
de l’ouvertureemployée (1),
si l’on
plaçait
son axe successivement au centre de chacun des éléments lumineux dont la source est formée : en d’autres termes,quelle
que soit la forme donnée à l’ouverture de l’instrument donton se sert, l’intensité lumineuse en un
point quelconque
M duplan
focal s’obtient comme il suit :THÉORÈME.
2013 On place le solide de diffraction, caractéristique
de r ouverture, de
façon
que son axeperpendiculaire
auplan .focal
passe par lepoint M ;
toute laportion cylindi-ique
ditvolume de ce solide
comprise
dansl’image
dela
source, tellequ’elle
résulte des lois ciel’ol)tique géométrique,
nzesure l’inteiasité ltunineuse aitpoint
M.Pour bien faire
comprendre l’usage
de cethéorème, je l’appli- querai
successivement à différentes formes d’ouvertures et aussi à des sources lumineuses de formes diverses.II. - OUVERTURE ENT[ÈRE.
A. La source est une fente infiniment
petite,
une droite lumi-neuse. - J’étudierai d’abord le cas ou une seule des dimensions de
l’image géométrique
de la sourceacquiert
une valeurfinie,
queje supposerai
d’ailleurs assezgrande.
Dans leplan
focal d’unobjectif
ou d’un miroir
aplanétique,
lesphénomènes
lumineux sont alorstout
différents,
suivant que lepoint
considéré est sur la direction(’ ) En théorie, ce solide de diffraction s’étend indéfiniment dans un sens perpendi-
culaire à son axe. En pratique, on doit le limiter au minimum à partir duquel l’in-
tensité lumineuse est insensible.
269 même de la
ligne lumineuse,
ouqu’il
est, aucontraire,
d’un côtéou de l’autre de cette
ligne.
i" Sur la
ligne
lumineuse ou sonprolongement.
- Au milieude
l’image géométrique
de la source, l’intensité estégale
à la sur-face de la section méridienne du solide de diffraction : il en es t
ainsi
jusqu’au point
A tellement situé, que le bord de cesolide, placé
comme nous l’avonsdit,
coïncide alors avec celui de la fente.A
partir
delà,
l’intensité lumineuse va en diminuantprogressive-
xnent, et elle est pour
chaque point égale
à la surface entière de la Fig. 2.section méridienne diminuée de la
partie graduellement
croissantequi
se trouve en dehors de la fente : au bord de cettefente,
l’in-tensité est la moitié de ce
qu’elle
estdepuis
le milieujusqu’au point A;
au delà del’image géométrique,
l’intensité diminue encoreprogressivement
et d’unefaçon continue, jusqu’à
ce que l’on se soitassez
éloigné
pour que l’autre bord de la section méridienne du solide de diffraction coïncide avec le bordgéométrique
del’image.
Ainsi,
vers les extrémités de laligne lumineuse,
et avant que ses limitesgéométriques
soientatteintes,
l’intensité cesse d’être con- stante : uneportion
de la lumière estrejetée
endehors,
et il se270
produit
une zone de lumièrediffractée,
d’étendue d’autantplus grande
que l’ouverture de la lunettees t plus petite,
dont unepartie
est intérieure à la
ligne,
l’autrepartie
lui étantextérieure,
et oùl’intensité lumineuse décroît d’une
façon
continue.Lafig.
2représente
les valeursde l’intensité
lumineuse dans lapartie
de cette zone de lumière diffractée extérieure à la fente elle- même : l’intensité au bordgéométrique
estprise
pour unité.2° Sitr une direction
perpendiculaire
à laligne
lumineuse.Pour
plus
desimplicité,
supposons laligne
lumineuse infinimentlongue.
L’intensité sera alors la même en tous lespoints
d’une droiteparallèle à
la source ;elle y
seraégale
à l’aire de la section faite dans le solide de diffraction par unplan
menéparallèlement
à celuide la section
méridienne,
à une distance de l’axeégale
à celle de la droite et de la source.La
fig. 3, qui représente
les aires de ces différentessections,
Fig. 3.
montre que, de part et d’autre de
l’image géométrique
de lafente,
l’intensité
Iumineuse,
d’abordgraduellement
décroissante, à mesure que l’ons’éloigne
del’image géométrique,
passebientôt,
commedans le cas d’un
point lumineux,
par une série de minima et de27I
maxima. Mais il y a entre les deux cas une différence
profonde ;
avecune fente
lumineuse,
l’intensité n’est pas nulle dans lespoints qui correspondent
aux lninima.B. Les dimensions
angulaires
de la source sontcomparables
à celles du solide de diffraction. - Si la source, au lieu d’être réduite à une
simple ligne,
est une fente deplus
enplus large,
lesapparences lumineuses
qui
viennent d’êtreindiquées
se transfor-ment d’une
façon
continue. L’intensité en unpoint
duplan
focalest alors
proportionnelle,
nonplus
à la surface d’une section du so- lide dediffraction,
mais à laportion
du volume de ce solide com-prise
entre deux de cessections,
deplus
enplus
distantes l’une del’autre,
à mesure que lalargeur
de la fente va en augmentant.Les
phénomènes
sont donc les suivants : . Sur laligne
médiane del’image géométrique
de lafente,
l’irlten-sité lumineuse est
maximum;
elle décroit ensuite immédiatement de part et d’autre de cetteligne
d’unefaçon progressive,
pour abou-tir,
au delà des limites del’lnlage géométrique,
à une série demaxi ma et de
minim a,
dont les intensités diffèrent d’autant moins de celles desparties
voisines que le diamètreangulaire
de la fenteest lui-même
plus grand. Lorsque
ce diamètreangulaire
est devenuégal
à celui du solide de diffractioncaractéristique
de l’ouvertureemployée,
toute trace de maxima ou de minima lumineux adisparu
dans leplan focal ;
l’éclairement y varie alors d’unefaçon
continue
depuis
le milieu del’iinage géométrique jusqu’à
cequ’il
devienne insensible.
C . Le diamètre apparent de la source est
très-grand
dans toutesles directions. - Nous examinerons maintenant le cas véritable-
ment utile en
Astronome,
celui où le diamètre apparent de lasource est
très-grand
dans toutes lesdirections ;
et, pourpréciser,
nous supposerons que ce diamètre soitassez
grand
pourqu’on puisse,
en
chaque point,
considérer commerectilignes
les bords de la sourcelumineuse .
En
appliquant
le théorèmegénéral
que nous avons énoncé encommençant, on voit aisément que
l’image
focale de la source secompose alors de deux
portions :
l’une semblable à sonimage
géométrique, dépendant
de sa forme et de ses dimensions appa-272
rentes, mais d’autant
plus grande
que l’ouvertureemployée
estplus grande,
et où l’éclairement est constant etmaximum; l’autre, contiguë
à lapremière,
lui faisant suite et l’entourant de toutesparts, dont la forme varie avec celle de la source, mais dont l’éten- due
angulaire
nedépend
que de lagrandeur
de l’ouvertureemployée :
cette secondeportion
del’image
focaleempiète
enpartie
sur
l’image géométrique,
et l’éclairement y va en décroissant pro-gressivement jusqu’à
ce que,après
avoir été réduit à moitié auxlimites de
l’ituage géométrique,
il devienne bientôtcomplétement
insensible.
Dans une lunette ou dans un
télescope, l’image géométrique
detoute source lumineuse d’un diamètre apparent suffisamment con-
sidérable se trouve donc
accompagné
d’une zone de IU112ièredif- fractée,
d’étendueangulaire
variable avec l’ouverture de l’instru- nient; et, pour trouver l’intensité lumineuse aux différentspoints
de cette zone, il
faut,
dans le casqui
nous occupe, calculer les po- sitions successives du volume du solide de difl’ractionséparées
parun
plan, qui
sedéplace parallèlement
àlui-même,
et à l’axe de cesolide
depuis
l’un de ses bordsjusqu’à
l’autre. Je les aireprésentées dans la fig.4,
où l’abscisse zérocorrespond
aux limitesgéométriques
de
l’image.
Fig. 4.
D. Constante de diffraction instrumentale. L’étendue de la
zone de lumière
diffractée,
danslaquelle
l’intensité lumineuse est assezgrande
pourimpressionner
larétine, dépend évidemment,
273
toutes choses
égales d’ailleurs,
de l’éclat de l’astre observé.Mais,
sicelui-ci est assez
brillant,
on doit admettr e que cette limite d’inten- sité est une fraction constante de l’intensité maximum del’image focale,
et, parsuite, correspond
à une même valeur del’abscisse, quelle
que soit l’ouverture de la lunettequi
sert aux observations.Cela revient à dire que le dialnètre d’un astre
suffisamment
bril-lcent et observé sur lin
fond identique
varie avec l’ouverture de l’instrumentemployé.
Si l’on admet que dans cette zone diffractée on cesse de per- cevoir la lumière dès que son intensité est le irentiè111e de celle de la
portion
où l’éclairement est constant, on voit que , pour unobjectif
de o centimètresd’ouverture,
cette zone diffractée exté- rieure a une étudeangulaire égale
àI",4.
En d’autres termes, en vertu même des
propriétés
del’agent
lu-mineux au
foyer
d’unob jectif aplanétique,
le diamètre del’image
focale d’une source , dont l’étendue
angulaire
est suffisammentgrande,
estégale
à son diamètregéométrique augmenté
d’une cer-taine
quantité
variable avec l’ouverture del’instrument,
etqui
pour un
objectif
de I0 centimètres atteintthéoriquemen t
la valeurde
2",8.
Relativement à la mesure des diamètres des astres d’une certaine étendue
angulaire,
leSoleil,
la Lune et lesplanètes, chaque objec-
tif ou
chaque
miroir est donccaractérisé,
comme pour lasépara-
tion des étoiles
multiples,
par une constantedéterminée, qui
dif-fère d’ailleurs de son
pouvoir séparateur
etqui varie,
comme lui,avec l’intensité même de la source.
Nous
appellerons
cette nouvelle constante constante liedif- .fl’action instrumentale,
pour bien enrappeler I’origin e ;
et avecles
hypothèses
que nous avons faites et les restrictionsqui
les ontaccompagnées,
nous sommes autorisé à dire que, pour unobjectif
ou un miroir de I0 centimètres
d’ouverture,
sa valeur est 2" , 8.Une autre
conséquence également importante
découle immédia-tement de la théorie
qui précède.
Lors du passage d’uneplanète,
Vénus ou Mercure, sur le
disque
duSoleil,
il existe pour celui-ci deux zones de lumière diffractée : la zone extérieure dont nous ve- nons deparler
et, en outre, une zone intérieurequi empiète
sur274
la
planète
elle-même. Le diamètre de Vénus ou deMerc-tire,
me-suré
pendant
le passage, devra donc êtretoujours plus petit
que dans les conditions ordinairesd’observation;
et, deplus,
ce dia-mètre sera d’autant
plus petit
que l’ouverture de l’instrument seramoindre,
la variation étantégale
à la différence des constantes de diffraction instrumentale des instrumentsemployés.
La vérification de ces deux lois a été faite comme il suit.
III. - ’TÉRIFICATIOl’S EXPÉRIMENTALES.
io Dans une lame de
cuivre, argentée
etpolie
sur une de sesfaces, j’ai
fait tailler une ouverturerectangulaire
à arêtes bien rec-tilignes
et de 2 centimètres de haut surIc,5
delarge.
On éclairaitcette ouverture avec la lumière d’une
lampe Drun1mond,
tantôt par derrière pour avoir une source lumineusedirecte,
tantôt en avantet par réflexion pour avoir
l’analogue
d’uneplanète
sur ledisque
du
Soleil;
on a obtenus ainsi :20 Dans une lame de laiton
noircie, j’ai
faitpratiquer
deux ou-vertures
rectangulaires
de 3 centimètres de haut surIc,5
delarge, séparées
par un espace de Ic,5,
et dont les bords étaient bien rec-tilignes
et taillés en biseau. En éclairant cette lame par derrièreavec la flammme d’une
lampe
Drummond, on avait ainsi deuxsources lumineuses d’un certain diamètre apparent,
séparées
l’unede l’autre par un intervalle obscur. Le diamètre extérieur était ce-
lui d’une source lumineuse
directe ;
le diamètre intérieur corres-pondait
évidemment au cas d’uneplanète
mesurée sur le Soleil.Cette
disposition expérimentale
était d’ailleurspréférable
à laprécédente;
car, pour les deuxdiamètres,
les conditions d’éclaire-275
ment étaient
identiques; j’ai
obtenuainsi,
avec une excellente lu-nette
due 4
poucesqui
ni’a étéprêtée
par MM. Brunner :Avec une autre lunette
due 4
pouces, defoyer
un peuplus long,
on a eu :
IV. - VÉRIFICATION ASTRONOMIQUE.
I°
Passages
de Mercure et (le Vénus. - L’une des conditions essentielles que l’on doitrechercher,
si l’on veut trouver dans les observationsastronomiques
la vérification de la loi que nous ve-nons
d’énoncer,
est de ne comparer entre elles que les observa- tions faites dans les mêmes conditions d’éclairement. Telles sont les mesures obtenues avec des instruments d’ouvertures différentes, mais de constructionidentique,
lors d’un même passage de Vénusou de Mercure sur le
disque
du Soleil.276
La vérification de la loi que nous cherchons à établir résulte du
simple
examen des tableauxqui précèdent;
mais il y aplus, si,
àl’aide des observations du passage de Mercure du
4 novembre
1868et du passage de Vénus du
3-g
décembreI874,
on calcule la con- stante de diffraction instrumentale relative à une lunette de i o cen-timètres
d’ouverture,
on trouve :valeurs
qui
s’accordent de la manière laplus
satisfaisante avec le nombre que nous a donné la théorie.Ainsi, lorsqu’une planète,
fonctionnant comme corps opaque, limite une
portion
d’une sourcelumineuse
très-intense,
comme leSoleil,
son diamètre diminue àmesure que l’ouverture de l’instrument augmente et la constante de
diffraction insti,unîeiztaie,
relative à ce cas, peut êtreprise égale
à2’1 ,634.
277 2" Observations de
jour
et de nuit desdifférentes planètes.
-La
comparaison
des nombresqui précèdent
avec ceux obtenus dans les conditions ordinaires d’observation conduit aux deux con- clusions suivantes :cz. Le dialnètre de Vénus, lnesuré
pendant
lejoui,
estplus petit
que celui que l’on obtient
pendant
la nuit avec un instrument, de n2éme ouverture.b. Les dianlètres de Vénus ou de Mercure, lnesurés soit pen- dant la
rzuit,
soitpendant
lejour,
sontplus grands
que ceux obtenus lors des passages de ces deuxplanètes
sur ledisque
duSoleil.
(A suivre.)
SUR LES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DU GALLIUM;
PAR M. LECOQ DE BOISBAUDRAN.
Les
quantités
du nouveau métal quej’ai
réussi à obtenir étanttrès-petites,
il ne m’a étépossible
d’examiner encorequ’un
nombrerestreint de ses
principales propriétés physiques.
Le
gallium
pur(1)
fond à environ -E-29°,5 :
il seliquéfie
doncrapidement
dèsqu’on
leplace
dans la main.Lorsqu’il
a été coin-plétement fondu ,
il se maintient en surfusion avec une facilitéextrême. En février-mars
1876,
unpetit globule
a conservé l’étatliquide, pendant plus
d’unmois,
à l’air libre de mon laboratoire deCognac,
bienqu’il
fûtchaque jour divisé, puis réuni,
au moyen d’unetige d’acier,
etcela,
par destempératures qui
sontplusieurs
fois descendues
jusque
vers zéro etpeut-être
au-dessous. Legal-
lium surfondu se
prend
en massequand
on le touche avec une trace degallium
solide.Au-dessous de
+29°,5,
ou à froid et ensurfusion,
legallium liquide
esttrès-mobile,
maisapparait
comme recouvert d’une mincepellicule,
souslaquelle
on voit le métal coulerlorsqu’on penche
(1) La marche suivie dans la préparation des 10 centigrammes de gallium présentés
à l’Institut et à la Société française de Physique, ainsi que l’examen spectral, me porte
du moins à penser que ce gallium approchait de la pureté complète.