Minéralogie

Sur le trajet de la lumière, on place une plaque de verre. Qu'observe t'on ?

Réponse : un observe un spot de même intensité que le rayon initial.

Interprétation : le matériel vitreux ne modifie pas le rayon lumineux.

Sur le trajet de la lumière, on place un cristal épais de calcite. Qu'observe t'on ?

Réponse : on observe deux spots lumineux sur l'écran.

Interprétation : le rayon lumineux initial se décompose en deux rayons lumineux.

Lorsqu'on fait tourner le cristal sur lui-même, qu'observe-t-on ?

Réponse : l'un des spots reste fixe, alors que le second décrit une rotation autour du spot fixe.

Les expériences suivantes sont réalisées avec un PRADO : il s'agit d'un appareil qui reproduit sur l'écran les phénomènes optiques qui se passent dans un microscope optique.

Placer un polariseur sur le trajet de la lumière blanche. Qu'observe-t'on ?

Réponse : le polariseur atténue légèrement l'intensité de la lumière (ce n'est pas l'effet d'une certaine opacité du matériau).

Interprétation : les vibrations perpendiculaires à la direction du polariseur sont éteintes. Les vibrations obliques par rapport à la direction du polariseur sont projetées le long de la direction de polarisation. Les vibrations parallèles sont transmises en totalité.

Placer un polariseur sur le trajet de la lumière blanche. A la suite, on place un autre polariseur de direction perpendiculaire (dit analyseur). Qu'observe-t'on ?

Réponse : rien.

Interprétation : le second polariseur éteint la lumière polarisée du premier. On a donc conçu un dispositif qui permet d'éteindre la lumière alors qu'on n'a placé sur son trajet que des matérieux translucides.

Une lumière traversant un dispositif comprenant deux polariseurs dits croisés s'appelle lumière polarisée et analysée^[3] (LPA). Par convention, la lumière traversant un polariseur seul s'appelle lumière polarisée non-analysée^[4] ou lumière naturelle^[5] (ce dernier terme est un abus de langage, puisque la lumière naturelle - du soleil - n'est pas polarisée).

Entre polariseur et analyseur croisés, on place une plaque de verre. Qu'observe-t'on ?

Réponse : rien.

Interprétation : le résultat est identique à la deuxième expérience. La matière amorphe est sans influence sur la polarisation de la lumière.

On lace un cristal (de calcite par exemple) à la place de la plaque de verre de l'expérience précédente. Que se passe-t'il lorsque l'on tourne le cristal, on observe :

Réponse :

• chaque tâche passe par deux maxima et deux minima,

• lorsqu'une tâche passe par son maximum, l'autre est à son minimum,

• les positions d'extinction d'une tâche par rapport à l'autre sont séparées de 90°,

• à 45°, l'intensité des tâches est identique.

Interprétation : chacun des deux rayons est polarisé. Les deux rayons sont polarisés perpendiculairement.

Entre polariseur et analyseur croisés, on place une lame mince (de 30 µm) cristal. Qu'observe-t'on ?

Réponse : le minéral présente une coloration qu'il ne présente pas naturellement.

Interprétation : lorsque l'épaisseur de cristal traversée est suffisamment mince, la zone de recouvrement des deux rayons est le siège d'interférences lumineuses dues à l'extinction de certaines longueurs d'onde.

Soit un cristal traversé par une lumière de longueur d'onde λ. Les deux rayons se propagent dans le cristal à des vitesses différentes. A la sortie du cristal, il existe donc un décalage de phase (différence de marche) entre les deux rayons : \(\Delta\), qui dépend de la nature du matériau traversé, de l'épaisseur de matériau et de l'orientation du rayon initial par rapport à l'ellipsoïde.

Dans les expériences précédentes, nous avions utilisé un cristal de calcite d'épaisseur importante ; à la sortie les deux rayons sont trop éloignés l'un de l'autre pour ne pas interférer. Dans les lames minces, en revanche, l'épaisseur est très faible (30 µm) et les spots lumineux générés par les rayons sont superposés en partie. Dans la zone de superposition, il se crée des phénomènes d'interférences chromatiques entre les deux rayons. Dans le cas d'une lumière monochromatique, si les deux rayons sont en phase, les deux rayons s'additionnent et l'intensité est maximale; si les deux rayons sont opposition de phase, ils s'annulent (\(k=\lambda/2\)).

Si la lumière initiale est polychromatique, alors toutes les longueurs pour lesquelles : \(\Delta = k \cdot \lambda\) vont s'éteindre; la lumière blanche initiale va donc "perdre" certaines longueurs d'onde. L'impression résultante sera un effet chromatique (disparition de certaines longueurs d'onde).

On parlera de teinte de biréfringence^[6] (alors qu'on utilise le terme de couleur^[7], pour parler des phénomènes chromatiques du minéral en lumière naturelle).

On distingue plusieurs ordres :

• premier ordre : teintes gris foncé-gris clair-blanc,

• second ordre : teintes vives,

• troisième ordre : teintes délavées,

• ordres supérieurs : teintes de plus en plus délavées.