AVANT-PROPOS

La constitution physique de la matière d'après les physiciens modernes

Bien que la cosmologie se différencie par sa méthode et son but des sciences naturelles, elle s'en montre cependant tributaire dans une large mesure. Elle est une métaphysique, mais en continuité avec les sciences physiques. Sans doute, elle s'intéresse surtout aux faits scientifiques, mais elle ne saurait rester indifférente à l'égard de ces théories qui, à une époque donnée, semblent dominer tout le domaine de la science.

Parmi ces théories dont les promesses d'avenir paraissent exceptionnelles, au moins s'il faut en croire la plupart des ph5''siciens, nous devons signaler la théorie électronique.

Avant d'aborder l'étude philosophique du monde minéral, nous exposerons donc sous forme d'introduction, les idées des physiciens modernes sur la constitution physiqtie de la matière.

Au surplus, grâce à cet exposé préliminaire, le lecteur pourra comprendre, sans peine, le résumé forcément très succinct que nous aurons à Taire parfois, au cours de ce traité, de certains faits et hypothèses relatifs à la théorie régnante.

ARTICLE PRP:MIEK La réalité de Tatome chimique

I. L'atome est-il une réalité ? — Depuis plus d'un demi siècle la théorie atomique occupe une place considérable dans les sciences naturelles. Pour tous les chimistes et physiciens actuels, le corps simple est un agrégat d'atomes, c'està-dire de particules chimiquement insécables, d'une petitesse inimaginable, dépositaires cependant des propriétés caractéristiques du corps que ces particules représentent. En un mot, les atomes constituent les vraies individualités chimiques du corps simple.

Quant au composé, on le considère comme le résultat de la combinaison des atomes de plusieurs corps simples, en sorte que toutes les propriétés de la matière sont censées tirer leur origine immédiate ou lointaine des masses atomiques.

On comprend dès lors le grand intérêt qui s'attache,

dans la chimie moderne, à l'étude des caractères distinctifs

de ces unités élémentaires, notamment du poids atomique,

de l'affinité^ de l'atomicité ou valence. A l'heure présente,

ces diverses questions dominent encore la chimie théorique

et se trouvent au premier plan des recherches scientifiques.

Malgré les immenses services rendus à la science par la

théorie atomique, l'atome était resté, jusqu'en ces dernières

années, une entité hypothétique.. L'hypothèse se conciliait

avec un nombre considérable de faits, elle en donnait une

explication simple et commode, mais on n'était point parvenu

à prouver d'une manière décisive l'existence des masses

atomiques, moins encore à en exprimer la grandeur absolue.

Les sciences semblent avoir résolu récemment ce délicat

problème et assuré le triomphe définitif de la doctrine atomistique. Plus de treize méthodes différentes ont été employées pour la détermination des grandeurs moléculaires. Souvent même les phénomènes observés sont complètement indépendants les uns des autres ; tels sont, par exemple, la viscosité des gaz, le mouvement brownien, la radioactivité de la matière, le bleu du ciel, le spectre du corps noir. Or, ces procédés si divers donnent des résultats si concordants, qu'il serait téméraire de ne pas y voir l'expression de la réalité.

« On est saisi d'admiration, écrit Perrin, devant le miracle de concordances aussi précises, à partir de phénomènes si différents. Qu'on retrouve la même grandeur, d'abord à l'intérieur de chacune des méthodes, en variant autant que possible les conditions d'expérience, et que les nombres ainsi définis sans ambiguïté par ces diverses méthodes coïncident, cela donne à la réalité moléculaire autant de certitude qu'en peuvent avoir les principes de la thermodynamique » '). « La théorie atomique a triomphé, dit-il encore. Nombreux naguère, ses adversaires enfin conquis renoncent l'un après l'autre aux défiances qui longtemps furent légitimes et sans doute utiles. C'est au sujet d'autres idées que se poursuivra désormais le conflit des instincts de prudence et d'audace dont l'équilibre est nécessaire au lent progrès de la science humaine » ^).

H. Poincaré, dont on connaît l'esprit critique et la prudente réserve, n'est pas moins catégorique. « Les anciennes hypothèses mécanistes et atomistes ont pris, dit-il, dans ces derniers temps, assez de consistance pour cesser presque de nous apparaître comme des hypothèses ; les atomes ne sont plus une fiction commode ; il nous semble que nous les

') PiiRRi.v, Les preuves de la rcalitc moléculaire, p. 52 (Les idées modernes sur la constitution de la matière). Paris, Alcan, 1013. 2) Perrin, Les atovies, p. 295, Paris, Alcan, 1913.

voyons, depuis que nous savons les compter... l'atome du chimiste est maintenant une réalité » ').

Enfin, citons encore l'opinion d'un ph3^sicien de marque. « A aucun moment de l'histoire de la physique, écrit M. Bloch, les idées atomistiques n'ont joui d'une pareille faveur. La théorie atomique... de la matière, vieille de bien des siècles, est aussi la plus solide et ne nous semble plus susceptible aujourd'hui que de retouches de détail » ^).

A nous en tenir aux témoignages des physiciens modernes et plus encore à la concordance irrécusable de leurs preuves, l'existence des atomes, leur nombre, la détermination de leur poids absolu et de leur grandeur, s'imposent comme autant de faits définitivement acquis à la science.

1) Hexri Poin'CARÉ, Les rapports de la matière et de l'éther, pp. 357- 359 (Les idées modernes). Paris, Alcan, 1913.

2) E. Bloch, La théorie électronique des métaux, p. 148 (op. cit.), Paris, -Alcan, 1913.

ARTICLE II La constitution de l'atome chimique

2. L'atome a une structure complexe. La théorie électronique. — Mais ces masses atomiques dont la petitesse défie les plus puissantes imaginations, constituent-elles les éléments ultimes de la matière ?

On serait tenté de le croire, quand on pense que, d'après les mesures les plus exactes, un centimètre cube d'air, pris dans les conditions normales, c'est-à-dire à la température de zéro degré et sous la pression d'une colonne de mercure de 76 centimètres de hauteur, contient trente milliards de milliards de molécules '). Cependant, il n'en est rien, au moins s'il faut souscrire à la théorie électronique actuellement régnante en physique.

D'après l'hypothèse de Lorentz, l'atome chimique forme lui-même tout un monde. On peut le considérer comme une sorte de système solaire^ où de petits électrons négatifs jouent le rôle de planètes gravitant autour d'un gros électron positif qui joue le rôle d'un soleil central ^). En d'autres termes, la partie centrale ou le noyau de l'atome chimique est chargée d'électricité positive ; c'est la partie la plus considérable de l'édifice atomique. Autour de ce noyau, mais à titre d'éléments constitutifs de l'atome, gravitent avec des vitesses énormes les petits atomes d'électricité négative, appelés électrons ^). Le nombre des corpuscules négatifs

') Perrin, Les atomes, p. ii8. Paris, Alcan, 1913.

2) H. PoiNCARF,, Les r,ip(>orlsde la mitière et de l'éther, p. 360 (op. cit.). Paris, Alcan, 19 13. — Lucien Poincaré, La physique moderne, son évolution, p. 289. Paris, Flammarion, 1909.

3) N )tons que, pour l'école anglaise, l'atome neutre devient un ion positif (mono ou plurivalent) quand il est privé d'un ou de plusieurs électrons

qui entourent la partie centrale positive est considérable. « Les atomes, à l'état normal électriquement neutre, contiennent, dit M. Lange vin, un nombre déterminé de corpuscules cathodiques (négatifs);... ce nombre est proportionnel ou peut même être égal à la masse atomique correspondante, celle de l'atome d'h5-drogène étant prise. comme unité » '). L'atome d'hydrogène qui en possède le moins, parce qu'il est le plus petit, en contient probablement plus de 1800. Celui d'uranium et de radium qui ont un poids atomique très élevé, en renferme certainement plusieurs centaines de milliers.

C'est l'attraction mutuelle du noyau positif et des électrons négatifs qui maintient la cohésion du SN'stème atomique et en fait un tout, c'est-à-dire un atome chimique neutre, assez stable, malgré sa complexité, pour demeurer intact dans les réactions chimiques ordinaires Y Telle est aussi la raison pour laquelle l'atome doit contenir une quantité de charges positives équivalente ou à peu près à la charge totale. des électrons négatifs qu'il renferme à l'état normal.

Parmi les électronsaiégatifs-qui forment l'atmosphère immédiate du centre atomique positif, il en est qui n'ont pas avec lui une liaison très étroite et peuvent même en être séparés sans que les propriétés de l'atome chimique soient modifiées. Les électrons dont les vibrations jouent un rôle dans l'émission et l'absorption de la chaleur et de la lumière sont probablement de cette nature. La propriété que possèdent les métaux de conduire si facilement à travers leur masse la cha-

négatifs, et qu'un atome neutre devient un ion négatif (mono ou plurivalent) quand il reçoit un ou plusieurs électrons négatifs. C(r. Ramsay, La chimie moderne, i" partie, pp. 55-58. Paris, Gauthier-Villars, 1909.

D'après Vécole allemande, l'atome matériel est simplement un S3Stème d'électrons positifs et négatifs. Cfr. Manville, Les découvertes modernes en physique, p. 187. Paris, Hermann, 1909.

') Langevin, T.es grains d'électricité, pp. 64-65 (op. cit ). Paris, Alcan, 1913.

') PÉCHEUX, Détermination des poids atomiques et des poids moléculaires, p. I. Paris, Delagrave, 1913.

leur et l'électricité est due à la présence d'électrons négatifs libres ou du moins très aisément séparables des atomes métalliques ').

Mais à côté de ces électrons que nous appellerions volontiers accidentels, il en est d'autres qui ont avec l'atome chimique une liaison beaucoup plus intime ; ils constituent une partie essentielle de l'individualité atomique, à tel point que leur séparation de l'atome entraîne pour celui-ci un changement de nature ou d'espèce.

Un premier fait à relever dans la théorie électronique est donc la structure complexe de l'atome.

3. Faits qui révèlent la complexité de l'atome chimique. — Cette complexité est bien mise en lumière dans un phénomène étrange connu sous le nom de radioactivité.

Pour des causes encore inconnues, l'équilibre interne du petit édifice atomique se brise ; les corpuscules essentiels positifs ou négatifs sont projetés dans l'espace et l'atome luimême se trouve désagrégé. « Les corps radioactifs, écrit M"" Curie, doivent être considérés surtout comme des sources de projectiles, lancés à la suite de cataclysmes internes, analogues à des explosions, qui entraînent la destruction de l'édifice atomique. Ces projectiles représentent les fragments d'atomes résultant de la transformation ; ils "possèdent, au moment de celle ci, des vitesses plus ou moins grandes qui leur permettent de s'éloigner de leur point de départ à des distances plus ou moins importantes » ^).

Que l'atome chimique ait lui-même une structure compliquée, qu'il se compose d'un nombre de corpuscules doués d'un C:iractère électrique, l'expérience, dit-on, nous en donne

') E. Bloch, Li thiorit électronique des :nâtaux, p. 150 (Les idées modernes). Paris, Alcan, 1913. — L.-\ngevin, Les grains d'électricité, p. 67.

2) M""" Curie, Sur les rayonnements des corps radioactifs, p. 273 (op. cit.). Paris, Alcan, 1913.

des preuves péremptoires. « Nous avons admis, écrit encore M'"* Curie, que les rayons corpusculaires des substances radioactives résultent de la fragmentation d'atomes. C'est là, non plus une hypothèse, mais un fait expérimentalement établi, servant de base à la théorie actuelle des phénomènes radioactifs, théorie de désintégration atomique » ').

Bien avant les faits récents qui ont confirmé en tous points les prévisions des physiciens et levé les derniers doutes, Lucien Poincaré ne craignait pas d'affirmer qu'au point de vue scientifique, l'hypothèse de la complexité atomique était la véritable hypothèse explicative de la radioactivité. « Les physiciens les plus prudents et les plus respectueux des principes établis, dit-il, peuvent, sans aucun scrupule, admettre l'explication de la radioactivité du radium par une dislocation de son édifice moléculaire... Il n'est plus guère de physicien qui n'adopte aujourd'hui sous une forme ou sous une autre rh5^pothèse balistique ; tous les faits nouveaux viennent, grâce à elle, si heureusement se condenser, qu'elle satisfait de plus en plus notre esprit ; on ne saurait toutefois affirmer — bon nombre de faits nouveaux lui étaient alors inconnus — qu'elle s'impose d'une manière absolue » ^).

D'ailleurs, depuis longtemps déjà, la structure extrêmement complexe des spectres d'émission des atomes chimiques avait fait supposer que les atomes d'un élément ne sont pas des points matériels, mais des ensembles très compliqués ^).

Sans doute, la radioactivité qui nous a surtout révélé la désintégration réelle des masses atomiques et, par suite, le degré de complexité de leur édifice, la radioactivité, disons-

') M'"® Curie, <»/>. cù., p. 275. — Cfr. Bouty, La vérité scientifique, p. 28. Paris, Flammarion, 1913.

2) I-t;'CiEN PoiN'CARÉ, 1^(1 physique moderne, son évolutio7i, pp. 275-277. Paris, Flammarion, 1909.

^) Nernst, Traité de chimie générale, l'e partie. Propriétés générales des corps — atome et molécule, p. 473. Paris, Hermann, 1911. — Uelbet, La science et la réalité, p. 329. Paris, Flammarion, 1913.

nous, n'existe pas au même degré chez toutes les espèces chimiques. Bien pkis, quoi qu'en pense M. Le Bon '), il n'est pas encore prouvé expérimentalement que tous les corps simples présentent ce phénomène ^). Cependant, « il est très possible que la radioactivité soit une propriété générale de la matière, mais que, pour un grand nombre d'éléments, la vitesse de transformation soit trop faible pour qu'on puisse mettre en évidence la radioactivité qui en résulte, à l'aide des méthodes qui ont été suivies jusqu'ici » ^).

Au surplus, les exceptions plus ou moins nombreuses à la loi commune n'infirmeraient en rien l'hypothèse de la complexité atomique. Outre la radioactivité réfractaire à toute influence du dehors, il y a d'autres moyens d'obtenir la désintégration ou l'émiettement des atomes. On sait, en effet, que, sous diverses influences, soit dans la décharge disruptive, soit sous l'action d'une radiation lumineuse ou ultraviolette, ou d'une élévation de température, les métaux peuvent émettre des électrons négatifs. Et puisqu'il est possible d'en faire sortir de tous les atomes matériels, il est permis d'étendre à tous les atomes l'hypothèse qui leur attribue une constitution complexe '^).

Mais si le fait de la complexité de l'atome des chimistes peut prendre place parmi les données acquises à la science, l'étude de l'édifice atomique est loin d'être achevée. La structure intime des pièce? qui le constituent, les lois qui régissent leurs mouvements à l'intérieur de l'atome sont autant de problèmes à résoudre '). Comme le dit H. Poincaré, l'atome

') Le Bon, L'évolution de la matière, p. lo. Paris, Flammarion, 1912.

'^)'^KK-^?,X, Traité de chimie généyale, i''^ T^3.r\.\e, p. 396. Paris, Hermann, 191 1.

3) Dkrierne, Sur les tran-^formiitiom radioactives, p. 322 (Les idées modernes). Paris, Alcan, 1913.

*) Langevix, [.es grains d'électricité, p. 59 (Les idées modernes), Paris, Alcan, J913.

^) Langevin, op. cit., p. 103.

est un monde, mais un monde fermé, au tout ou moins presque fermé ; nous ignorons à peu près complètement ce qui se passe au dedans ').

Heureusement, les fragments atomiques, mis en liberté par la dislocation de l'atome, se prêtent davantage à l'expérimentation, et leur nature a pu être établie dans un grand nombre de cas, bien qu'elle laisse subsister encore un vaste champ d'études.

4. Quels sont les constituants atomiques dont on a observé la séparation, dans les phénomènes radioactifs ? — Ils se divisent en trois catégories qu'on désigne d'ordinaire par les lettres grecques a, p, y-

i" Le rayonnement P se caractérise par l'émission de particules, appelées électrons négatifs. Ces particules portent chacune une charge minima d'électricité négative et constituent de vrais atomes d'électricité. Les plus rapides sont douées d'une vitesse voisine de celle de la lumière, et possèdent un pouvoir de pénétration considérable, qui leur permet de traverser, par exemple, une lame d'aluminium de 7 millimètres d'épaisseur. Un de leurs caractères les plus intéressants est l'invariabilité de leur charge électrique et leur identité essentielle, quelle que soit leur origine, quelles que soient les circonstances où elles prennent naissance. Leur masse est une fonction croissante de la vitesse : elle est sensiblement constante pour des vitesses qui ne dépassent pas 60 à 80 kilomètres à la seconde. Au delà, elle croît assez rapidement et deviendrait même infinie si les corpuscules pouvaient atteindre la vitesse de la lumière. Dans l'état actuel de la science, ces corpuscules représentent les derniers degrés d'atténuation de la matière ; pour des vitesses faibles, leur masse est environ 1800 fois plus petite que celle d'un atome d'hydrogène, et

) H. Poi.NXARÉ, r,es rafiports de la matièie et Je l'éther, p. 363.

même pour des vitesses relativement considérables atteignant les 910 de la vitesse de la lumière, cette masse reste encore très petite par rapport à l'atome d'h3'drogène.

2° Les rayons a sont formés de particules chargées positivement. En fait, ces corpuscules a ne sont autre chose que des atomes d'hélium porteurs de deux électrons positifs ; leur quantité d'électricité positive est donc double de la charge élémentaire. L'identité des particules a avec des atomes d'hélium chargés a été l'objet d'une vérification directe. Il a été prouvé, en effet, qu'une paroi matérielle, qui avait reçu et absorbé des rayons a, dégageait ensuite le gaz hélium qui y avait pénétré, grâce à la grande vitesse de ses atomes ').

On distingue actuellement plus de 20 groupes de rayons a identiques au point de vue de la nature de leurs particules, mais différents par leur vitess(3 d'émission et leur parcours, c'est-à dire, la distance déterminée qu'ils peuvent parcourir dans l'air sous la pression atmosphérique.

L'émission d'atomes d'hélium par les corps radioactifs est un fait expérimental très important et parfaitement démontré, écrit M""*^ Curie. « Le grand nombre de transformations radioactives accompagnées de l'émission d'une particule a et d'une seule généralement, semble prouver que l'atome d'hélium est un des constituants simples de l'édifice atomique, au moins pour les atomes radioactifs et probablement pour les atomes en général » ^). L'atome du radium, dont le poids atomique est 226,5, P®^^*^ perdre successivement cinq particules a. Chacune de ces séparations détermine un changement notable dans les propriétés de l'atome primitif. Il suffit, en effet, à l'atome du radium, qui a sa place naturelle dan?; cette famille de corps si énergiques, appelés alcalino-terreux, de perdre une seule par-

•) RuTHKRKORD et RoYDS, Le Radium (1909), p. 47. — Li'a proii>-ès de l.i chimie en IÇ12. p. 353. Paris, Hermann, 1913.

2) M"'" Curie, Sur /es rayonneine7iis des corps radioaclifs, p. .'76.

ticule a pour se transformer en un atome d'émanation, corps inerte, insensible aux plus puissants réactifs chimiques. Si le même atome de radium perd quatre particules a, il devient un atome de polonium, corps radioactif très différent de l'atome de radium qui lui a donné naissance. Le même phénomène se rencontre chez d'autres éléments radioactifs, notamment, chez le thorium, l'uranium et l'actinium. Partout le départ d'une ou plusieurs particules a modifie les caractères dn corps dont proviennent ces particules.

On est donc autorisé à conclure que ces corpuscules a ou atomes d'hélium, dont le poids atomique est 4, jouent un grand rôle dans la constitution de l'atome chimique ').

3° Les émissions de particules a et p, dont il vient d'être question, constituent les phénomènes primaires de la radioactivité. Mais on trouve aussi, dans le rayonnement, des particules beaucoup plus grosses résultant des transformations successives subies par les éléments primaires : l'uranium, le thorium et l'actinium. Au cours de ces transformations, deux cas peuvent se présenter. Il arrive qu'une particule a se trouve lancée dans l'espace avec une très grande vitesse, tandis que l'atome résiduel, soumis à un mouvement de recul, est lancé en sens inverse avec une vitesse beaucoup moins grande. Dans cette explosion, l'atome chimique est brisé en deux fragments : l'un est relativement petit, c'est l'atome d'hélium qui constitue le rayonnement a. L'autre est la partie restante de l'atome primitif. D'ordinaire, elle est beaucoup plus grosse que l'atome d'hélium et chargée d'électricité positive ; elle forme l'atome d'une espèce chimique nouvelle, telle l'émanation, le polonium, etc. Grâce au mouvement de recul qui lui a été imprimé par l'émission de la particule a, elle peut donner lieu à un rayonnement spécial.

Dans d'autres cas, les transformations s'accompagnent non

') M"'« Curie, op. cit., p. 276.

plus d'une émission de rayons a mais bien de rayons p chargés d'électricité négative. L'atome radioactif, en perdant un de ses électrons négatifs dont la masse est presque inappréciable, voit se modijfîer ses caractères distinctifs, mais conserve son poids atomique. L'émission de cette particule p imprime aussi à l'atome résiduel positif un mouvement de recul peu rapide. En résumé, ces deux sortes de rayonnement sont la conséquence de l'émission des particules p et a ; ils comprennent des atomes divers, de grande masse, chargés positivement ').

4° Enfin, on distingue dans le ra3"onnement total de la matière, une espèce de ra3^ons, appelés rayons y. Ils ne présentent pas de caractère électrique, et ne sont point déviés par les aimants. Ils se signalent aussi par leur grande vitesse qui leur donne un pouvoir pénétrant considérable ; ils peuvent même traverser une lame de métal de 20 ou 30 centimètres d'épaisseur.

Ces rayons sont-ils réellement corpusculaires, c'est-à-dire formés de projectiles enlevés aux atomes et lancés dans l'espace ?

La plupart des ph3^siciens les regardent plutôt comme une perturbation électromagnétique produite dans l'éther par un changement de vitesse des rayons p, au moment où ceux-ci sortent de l'atome chimique. Ils ne constitueraient donc pas un phénomène primaire dans le fait de la radioactivité, mais un effet du rayonnement P "). Au surplus, leur énergie ne compte que quelques pour cent dans l'énergie du rayonnement total.