AU BUREAU DU JOURNAL DE PHYSIQUE

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JOURNAL

THÉOMQUE ET APPUQUÉE.

SUR LB8 RATONS GATHODigUBS ; Par M. P. VILLARD.

Il suffit de faire le vide dans un tube de Crookes à peu près quelconque, un focus par exemple, pour remarquer les deux phénomènes suivants, aujourd'hui bien connus : quand le degré de vide s'élève, le faisceau cathodique, qui partait d'abord de toute la surface de la cathode, se resserre, peu à peu jusqu'à n'être plus qu'un mince filet axial au moment où apparaissent les rayons X. En second lieu la résistance du tube, mesurée par l'étincelle équivalente, augmente en même temps que le faisceau se réduit. Cette résistance semble d'ailleurs dépendre d'une foule de conditions: diamètre du tube, degré de vide, forme et position des électrodes, etc.

Il est facile de s'assurer que ces deux phénomènes sont corrélatifs, et que la résistance, mesurée comme il est dit plus haut, dépend uniquement de la section à l'origine du faisceau cathodique.

Soient, par exemple, les tubes représentés en coupe [fig. 1) ; supposons le vide assez avancé pour que tous donnent des rayons cathodiques visibles : A étant d'abord anode, si C| est cathode, on a un faisceau large, et la résistance est de quelques millimètres d'étincelle. En Cj ou Cj' ou C3 le faisceau sera beaucoup plus étroit, et la résistance sensiblement plus forte ; en C4 elle sera considérable, mais il n'y aura plus qu'un filet cathodique à peine visible; de même en C5, bien que le tube soit large. En C^, au contraire, la résistance est minime, mais la surface d'émission est notable ; toute la surface du fil est active.

6 VILLAHD

Réunissons en quantité C, et C'^ ; la section radiante est doablée, l'étincelle équivalente est notablement réduite.

An contraire, l'introduction d'un diaphragme disposé comme en C, réduit le faisceau cathodique au même diamètre qu'en C^, et la résistance est la même.

Le diamètre de la cathode importe, au contraire, fort peu, pourvu qu'il Boit supérieur à celui du faisceau émis, dans les mêmes conditions, par une cathode aussi large que le tube. Il convient seulement de protéger par du verre la face postérieure des cathodes étroites, sans quoi celle-ci émettrait également des rayons, et la surface active serait doublée [fîg. I, Cj).

On peut faire varier autrement le diamètre de la région d'émission. Laissons C, en activité, par exemple, et transportons successivement l'anode de A ena, et h^ Chaque fois le faisceau cathodique se resserre, et la résistance augmente.

Le même résultat s'obtient encore, comme on le sait, en poussant plus loin la raréfaction.

II est certain que l'action des parois doit jouer uu rùie prépondérant dans ces phénomènes. En effet, la région d'émission tend à se centrer sur le tube, si celui-ci est de révolution ; dans ce cas, elle est circulaire. D'une manière générale, elle possède toujours la même symétrie que le tube et subit le contre-coup de toute déformation des parois. Par exemple, dans un focus à anticatbode inclinée, la région radiante présente, dans le plan de symétrie de l'appareil, un allongement unilatéral plus ou moins marqué, suivant la distance et les

HAYONS CATHODIQUES 7

dimensions de Tanticathode. Au contraire, un décentrage notable de la cathode est à peu près sans effet, si celle-ci est un peu large [fig. 2, C et C) ; il Test tout à fait dans le cas représenté en C". Enfin, si Ton met en avant de la cathode un diaphragme présentant un trou excentré {fig. 2, C"), c'est en face du centre du trou que les rayons cathodiques se forment.

Cette action des parois est évidemment d'ordre électrique. Cela est manifeste dans le cas où le resserrement du faisceau s'obtient en rapprochant Tanode de la cathode. Or on sait, par les travaux de Crookes, que, dans les tubes à rayons cathodiques, les parois sont chargées positivement,d'autant plus fortement que le vide est poussé plus loin, et jusque tout près de la cathode. On verra plus loin que cela suffit pour expliquer les faits observés. Il est auparavant nécessaire d*insister sur cet important phénomène.

Soit un tube quelconque, analogue aux focus par exemple, muni d'une électrode auxiliaire placée au-devant de la cathode, à quelques millimètres de celle-ci. Dès qu'on arrive à une résistance notable, correspondant à 7 ou 8 centimètres d'étincelle, l'électrode auxiliaire et Tanode sont presque au même potentiel. Entre elles ne peut se produire qu'une étincelle grêle de quelques millimètres, tandis qu'entre l'électrode auxiliaire et la cathode on a la presque totalité de l'étincelle équivalente. Pour cette raison, on est obligé de laisser une distance assez grande entre la cathode et le point de sortie du iil conducteur qui la porte ; sans cette précaution, des étincelles partant de ce fil iraient percer le verre en avant de la cathode.

Quand le vide est tel que le courant ne passe plus, tout le tube est au potentiel de l'anode.

La presque totalité de la chute de potentiel se fait donc près de l'électrode négative; plus loin le champ intérieur est très faible. On peut aisément le vérifier comme il suit : On prépare un tube de

Crookes cylindrique avec un tube de verre présentant des stries longitudinales qui ne sont autre chose que des LuIIes étirées. Dans ce tube on dispose, aux deux bouts, des électrodes planes identiques, puis on Texcite par le courant intermittent d'une bobine de Ruhmkorff. Sous Tinfluence du champ intérieur variable, les stries s'illuminent en traits de feu, mais seulement près de la cathode, jamais vers Tanode.

Un tube de Crookes, dont on fait croître la résistance, tend vers un état dans lequel la distribution électrique serait la môme que sur un conducteur ; à Tintérieur, le champ tend à devenir nul et les parois constituent un écran électrique imparfait.

On explique ainsi Texpérience suivante, due à Jaumann (*) : Si on approche rapidement d'un tube de Crookes en activité un bâton de verre éleclrisé, les rayons cathodiques sont déviés, puis reprennent leur direction première dès que le mouvement s'arrête. Sous Tinfluence d'une charge extérieure la distribution électrique se modifie dans le tube de manière à maintenir très faible le champ intérieur ; mais ce phénomène n'est pas assez rapide pour contrebalancer l'action variable d'une charge en mouvement.

Inversement on pourra faire varier la résistance d'un tube de Crookes en modifiant la distribution des potentiels à son intérieur; disposant, par exemple, un peu en avant de la cathode, un anneau métallique parallèle à celle-ci, et reliant cet anneau à l'anode, on réalise la même distribution que dans un tube résistant, et la résistance s'élève. Si, au contraire, on dérive sur cet anneau, sous forme d'aigrette, une partie de l'électricité négative qui arrive à }a cathode, on abaisse le potentiel au-devant de celle-ci, cl la résistance du tube diminue. J'ai utilisé ce phénomène pour obtenir des tubes focus à résistance variable.

C'est bien à l'électrisation des parois qu'il convient d'attribuer le resserrement du faisceau cathodique et sa tendance à se centrer sur le tube. On peut en effet vérifier directement qu'une charge positive repousse la région d'émission cathodique et la déplace sur la cathode. Une charge négative produit l'effet inverse (^). 11 suffit, pour constater le fait, de relier à une source électrique (par exemple à un pôle de la bobine actionnant le tube, avec intercalation d'une étincelle

(>} Comptes RendiLs des Séances de V Académie des ScienceSj t. CXXII, p. 989; (S) Ce déplacement a été signalé par Wiedemann et Schmidt.

pour faire varier le potentiel) une électrode disposée en avant de la cathode ; cette électrode agit d'ailleurs, même si elle est isolée, car elle fait partie de la paroi. On peut également approcher du tube une lame métallique reliée à un des pôles de la bobine, mais on ne réussit que si le tube est peu résistant, autrement le phénomène de récran se produit et, de plus, on s'expose à percer le verre.

Afflux cathodique. — L'électrisation négative des rayons cathodiques ne rend évidemment pas compte des résultats précédents ; on les explique, au contraire, facilement, en admettant que rémission cathodique est alimentée par un afflux de matière chargée positivement, provenant des diverses parties du tube, ou au moins de celles qui sont comprises dans l'espace obscur.

Cet afflux catliodique, repoussé par les parois, se centre sur le tube, si celui-ci est de révolution, ou, plus généralement, en reflète la symétrie. Sa presque totalité, exception faite de ce qui provient des régions très voisines de la cathode, constitue un courant central d'autant plus resserré que le tube est plus étroit et l'électrisation des parois plus forte, et peu sensible à un décentrage notable de la cathode. De là, 1 existence d'un faisceau cathodique principal central, plus ou moins étroit, suivant que l'afflux est plus ou moins resserré, dont la région de départ n'est autre que celle d'arrivée de l'afflux et se déplace avec celui-ci.

L'afflux cathodique est d'ailleurs aisément visible sous l'aspect d'une gerbe rose violacé qui semble implantée sur la cathode. Presque confondue avec le faisceau cathodique dans le cas d'un tube cylindrique à cathode centrée, elle s'en distingue nettement, si on incline celle-ci, ou encore si le tube s'élargit t'apidement en avant de la cathode. Peu sensible aux actions magnétiques, l'afflux constitue, en apparence, une partie non déviable à l'aimant des rayons cathodiques.

Les expériences suivantes mettent bien en évidence l'existence de ce courant matériel :

Un tube cylindrique T {fig. 3) de 50 millimètres de diamètre est muni d'une cathode plane de 48 millimètres de diamètre, C. A 15 millimètres en avant est un diaphragme métallique, D, percé de deux ouvertures a et 6 et relié à un fil de platine, <i, qui sort du tube. E est une électrode mobile dans une coulisse ; il suffit d'incliner le tube dans un sens ou dans l'autre pour la faire mouvoir. En  et Â' sont des électrodes fixes, A étanl généralement anode.

Faisons progressivement le vide dans Tappareil ; tant que la limite de l'espace obscur est comprise entre C et D, tout se passe comme si le diaphragme n'existait pas. Dès que cette limite a dépassé D, rémission devient plus intense en face de a et h. Continuant à faire le vide, et les choses étant disposées comme l'indique la fig. 3 en 1, deux faisceaux cathodiques intenses se forment suivant les axes des trous a et 6, le reste de la cathode n'émettant presque rien.

Comparons avec ce qui se passerait en Tabsence de diaphragme, à égalité de résistance : on aurait un faisceau cathodique central allant frapper le verre en /*, déterminant en ce point une vive fluorescence et une élévation de température capable de fondre rapidement la paroi, mais en ce point seulement. Dans le cas présent, c'est en /^ et /^ que le verre est plus fluorescent et menacé de fondre.

On ne saurait objecter qu'ici le faisceau cathodique, encore très large, a été diaphragmé à la manière d'un faisceau lumineux parallèle; si, en effet, on place le diaphragme loin de la cathode, à 20 centimètres par exemple, il n'y a naturellement illumination du verre qu'en face des trous du diaphragme ; mais en ces points le verre n'est ni plus lumineux, ni plus chaud que si le diaphragme n'existait pas; c'est précisément le contraire qui a lieu ici. De plus, si le diaphragme est loin de la cathode, la région radiante de celle-ci est circulaire et se réduit à un point central quand le vide est suffisam-

ment poussé. Dans le cas de la figure il y a, au contraire, deux points radiants distincts bien visibles; on a non pas un, mais deux tubes de Crookes dans une même enveloppe.

Il est tout naturel d'admettre que Tafflux cathodique, partant des régions comprises dans l'espace obscur, ne peut arriver à la cathode qu'en passant par les trous a et 6 du diaphragme, ou plutôt par les centres de ces trous dont les bords le repoussent (^). De là les deux points radiants observés ; le reste de la cathode, alimenté par l'espace CD seulement, n'émettant presque rien, et d'autant moins que la distance CD est plus petite.

Le phénomène reste qualitativement le même, si D est relié à l'anode; mais il est moins marqué : dans ce cas, en effet, l'espace situé au-dessous de CD forme cage de Faraday, et un très petit nombre de lignes de force émanant de la cathode peuvent passer par a et b. Aussi l'émission est~elle moindre et la résistance plus considérable.

Relions maintenant l'électrode E à une source électrique (^), et élevons son potentiel, puis faisons-la avancer comme l'indique la fig, 3 en IL Aussitôt le point radiant a' se déplace, l'afilux s'incurve fortement ; il s'affaiblit en même temps, repoussé par ce nouvel obstacle, qui gène son arrivée au travers de l'ouverture a. En même temps le faisceau cathodique est attiré par l'électrode et dispersé dans le plan de la figure. Mais il est moins dévié que l'afflux.

Le résultat est inverse, si on abaisse le potentiel de l'électrode E. Si celle-ci est isolée, elle agit comme une charge positive; elle fait en effet partie de la paroi.

Dans ces expériences, le second faisceau passant par b reste fixe et sert d'objet de comparaison.

L'appareil représenté /îg, 3 (I) permet de vérifier en même temps que deux courants d'afflux ne se repoussent pas.

Ces phénomènes sont aisément visibles, et cette visibilité peut être

(1) Ce phénomène n'ayant lieu qu'à partir du moment où le diaphragme est à l'intérieur de l'espace obscur, on en conclut que l'arflux n'existe que dans cet espace, ce qui est confirmé par le résultat obtenu dans la première partie de Texpérience.

(*) Il est commode de faire varier le potentiel de l'électrode en prenant comme source électrique le tube lui-même, dans lequel, pendant chaque décharge de la bobine excitatrice, le potentiel est croissant de C à A ; reliant par exemple E à cf, ou Â', ou A, on en élève le potentiel de plus en plus ; on abaissera, au contraire, celui-ci en dérivant sur E, sous forme d'aigrette, une partie du courant passant dans le rhéophore qui aboutit à la cathode.

i2 VrLLARD

encore augmentée en faisant le vide sur de l'oxygène pur. L'espace obscur est alors remarquablement sombre, et l'arilux y est plus facile à voir; au-delà de cetespace, les trajectoires des rayons catliodiques sont très apparentes et se détachent nettement en jaune. Mais il est encore préférable de photographier le tube en activité, la lumière violacée émise par les points radiants étant très photogénique. On peut donner à l'expérience précédente diverses formes conduisant, par exemple, aux résultats représentés /f^. i. Le premier tube est à cathode cylindrique; le second, à cathode plane, porte une électrode auxiliaire perpendiculaire au plan de la figure et placée au-dessus de l'ouverture a. Dans ce cas, l'aRlux se divise en deux courants divergents donnant deux points radiants a', a", qui s'éloignent ou se rapprochent l'un de l'autre, suivant que le potentiel de E s'élève ou s'abaisse. Cette expérience est semblable h celle que M. J. Perrin a réalisée avec les rayons cathodiques (')■

I^s résultats précédents établissent, en dehors de toute hypothèse, que les rayons cathodiques se forment là seulement où ils ont devant eux un espace suffisant. Pour montrer que la présence d'obstacles agit non pas sur le rayon lui-même, mais sur le courant qui l'alimente, il suffit de reprendre l'un des tubes précédents, le premier par exemple, et, à l'aide d'un aimant, de dévier les deux faisceaux cathodiques jusqu'à leur faire rencontrer le diaphragme. On voit alors se produire sur celui-ci deux petites taches fluorescentes, si le métal est un peu oxydé. Ce n'est donc pas sur les rayons cathodiques eux-mêmes que l'obstacle exerce son action. Quant à l'afflux

I mime lemps, l'ëlec-

il est à peine dévié, et les points radiants restent à peu près fixes. Cette dernière expérience permet de faire une observation relative à la circulation du gaz dans un tube de Crookes. Dans Tappareil précédent, ou mieux dans un tube analogue, mais plus étroit, dévions les faisceaux cathodiques, au moyen d'un aimant, jusqu'à les amener loin des trous du diaphragme, et jusque sur la paroi de verre, où leurs points d'impact sont plus aisés à reconnaître. Nous constaterons alors qu'un nouvel afflux se forme et arrive à la cathode en face de chacun de ces points d'impact, comme partant de chacun de ces points. Un tube de Crookes complet a été créé dans le tube principal, et son anode est le diaphragme lui-même.

En même temps Tafflux passant par les trous s'affaiblit notablement dès que les faisceaux cathodiques correspondants ne traversent plus le diaphragme. Ces deux courants gazeux, afflux et rayons, sont donc bien dépendants l'un de l'autre.

De tout ce qui précède il semble résulter que le rôle des électrodes se borne à établir dans le tube une distribution particulière des potentiels, de laquelle résulte une circulation régulière du gaz, sous la double forme d'afflux et de rayons cathodiques, circulation comparable à celle qui se produit entre la chaudière et le condenseur d'une machine à vapeur. On est ainsi conduit à réaliser l'expérience suivante : Dans un tube de Crookes, cylindrique par exemple et à cathode centrée, plane ou concave, remplaçons la partie centrale de la cathode par une lame de verre ; on pourrait croire que l'émission cathodique sera ainsi singulièrement modifiée ; il n'en est rien : en faisant progressivement le vide, on observe encore la formation d'un faisceau cathodique principal central, qui se réduit finalement à un filet axial partant du centre de la lame de verre, où, par raison de symétrie, doit arriver l'afflux ; une anticathode de focus, placée sur le trajet de ce faisceau central comme à l'ordinaire» est portée rapidement au rouge et, à un vide convenable, émet abondamment des rayons X. Dans cette expérience, on pourrait supposer que la lame de verre fixée à la cathode se comporte un peu comme un métal et que la région radiante est mal isolée. Mais le résultat est le même^ si on forme la cathode de deux pièces séparées par un espace vide, l'une annulaire qui sera reliée au pôle négatif de la bobine excitatrice, l'autre centrale soutenue par une longue tige de cristal se soudant à la paroi en un point très éloigné du point d'insertion de la cathode annulaire.

L'hypothèse de l'afllox conduit à deux conséquences faciles à vérifier :

En arrivant à la cathode, l'afflux s'arrête, et il doit y avoir production de chaleur, comme 6Up les obstacles frappés par les rayons cathodiques. Et en effet, si la cathode est formée d'une lame métallique mince, une lame de platine par exemple, elle est portée au rouge vif aux points radiants, où est supposé arriver l'afflux. Si le centre de la cathode est en verre, celui-ci est rapidement fondu. On a ainsi l'explication de ce fait fréquemment observé, que, dans un tube de Geissler, le fit qui est pris comme cathode peut élre porté au rouge vif, s'il est de faible diamètre, rien de semblable ne se produisant à l'anode (exception faîte du cas où les deux courants de la bobine passent).

La seconde conséquence est la suivante : Si la cathode d'un tube de Crookes est perforée en un point frappé par l'afflux cathodique, celui-ci doit, au moins en partie, continuer sa route en vertu de la vitesse acquise ; cela est facile à vérifier.

Suivant une disposition décrite par M. J. Perrin ('}, prenons comme cathode un cylindre métallique C remplissant exactement le tube de verre Ififf. 5) et fermé à son extrémité antérieure par un disque en métal dont la partie centrale sera perforée, ou, ce qui est ici préférable, remplacée par une toile métallique très fine. Au-

(') Annales de Chimie et de Phytique, T «érie, tXI, p.503;- Comples Rendus, t. CXXI, p. 1130; 1893.

RAYONS CATHODIQUES i!l

devant de celte cathode disposons une électrode à coulisse E. Le vide étant fait de manière à réduire le faisceau cathodique à un mince filet, on observe sur le prolongement de Tafflux, dans ta cathode, une traînée lumineuse formant un cône peu divergent. Aux points où ce cane rencontre le verre, il y a production de chaleur et apparition d'une lumière jaune, qui n'est autre que la lumière du sodium ; il n'y a pas fluorescence du verre, mais émission de vapeur de sodium comme au contact d'une flamme.

Si niaintenaiit nous dévions l'afllux au moyen de l'électrode E, le faisceau dont il s'agit se déplace et s'incline de manière à prolonger toujours exactement l'afllux, restant d'ailleurs rectiligne dans son ensemble. Un aimant est, au contraire, sans influence sensible ; or on a vu précisément que l'afflux est à peine influencé par un champ magnétique.

Le faisceau continuateur de l'afllux n'est plus électrisé ; une électrode E' ou E° est sur lui sans action ; de même, un aimant. On est en présence des Kanahirahlen de Goldstein.

Pour montrer que cette affirmation est fondée, il suffit d'établir qu'il n'existe pas, sur le prolongement de l'afflux cathodique, de courant matériel chargé positivement et invisible ou confondu en apparence avec les rayons de Goldstein.

Remplaçons, dans l'expérience précédente, la toile métallique par une lame, métallique aussi, percée d'une petite ouvertui-e O (0'°°',2), placée au point d'impact de l'afllux. En arrière, disposons, à tO milli-

mètres environ, un diaphragme D présentant une ouverture centrale de 3 millimètres, puis plus loin un cylindre de Faraday F, relié à un électroscope, par un fil entouré d'une cage de Faraday [fig. 6).

La cathode et la cage de Faraday étant au sol, et le vide étant poussé au point convenable, faisons passer le courant ; les feuilles d'or de Télectroscope restent immobiles, même si on agrandit un peu l'ouverture O. Cependant une lame mince de verre, mise à la place du cylindre de Faraday, peut être fondue dans ces conditions.

L'afflux positif a donc perdu sa charge, en pénétrant dans la cathode, et on est fondé à admettre que les rayons de Goldstein en sont bien le prolongement (*].

Les phénomènes de Crookes apparaissent ainsi comme étant le résultat d'une circulation gazeuse régulière, intéressant d'abord tout l'espace obscur, et finalement tout le tube, quand le vide est poussé assez loin. Le passage du courant électrique se faisant par l'intermédiaire de l'afflux cathodique comme par un conducteur, c'est de la section de cet afflux, et par suite de la section d'émission cathodique, que dépend la résistance du tube et, pour une source électrique donnée, la différence de potentiel entre les électrodes. Mais il ne saurait être question, d'un degré de vide convenant au phénomène de Geissler, et d'un autre permettant la production des rayons cathodiques. On sait que M. Rôntgen a obtenu des rayons X, donc des rayons cathodiques, à une pression relativement considérable, dans des tubes étroits où l'afflux était rapidement réduit à une section suffisamment faible. Inversement on peut observer le phénomène de Geissler à un degré de vide à peine mesurable. Disposant une cathode dans un tube cylindrique et une anode de diamètre un peu supérieur, dans un vaste renflement du tube, on constate, si le vide est suffisamment poussé, que le courant direct d'une bobine de Ruhmkorff refuse de passer dans l'appareil , et des étincelles de 20 centimètres éclatent au dehors : c'est le vide de Hittorf. Mais, par contre, le courant inverse passe et donne avec éclat le phénomène de Geissler. (A wivre^^

{}) Dans cette expérience Télectroscope se charge toujours positivement quelques instants après que le courant a cessé de passer; la divergence des feuilles augmente lentement pendant plusieurs minutes jusqu'à atteindre 200 à 300 volts. Il s'agit évidemment de la pénétration, par diffusion, de particules gazeuses éiectrisées aux dépans de la charge positive résiduelle des parois du tube.

PELLATETSACERDOTE. -CONSTANTES DIÉLECTRIQUES 17