LA STRUCTURE DU RAYONNEMENT

‘étude du rayonnement noir et des chaleurs spécifiques aux basses températures ont conduit Planck, et à sa suite Einstein, à l’idée que les échanges entre le rayonnement et la matière ne se font pas d’une manière continue, mais par éléments discrets, par quanta d’énergie. Que deviennent ces éléments une fois libérés par la matière ? A l’ancienne théorie du rayonnement libre, considéré comme formé d'ondes sphériques indéfiniment divisibles et expansibles, propagées par un milieu hypothétique continu, voici que se substitue l’idée d’un rayonnement projeté dans l’espace vide de matière sous forme d'unités élémentaires distinctes, ce qui implique une distribution discontinue de l'énergie sur le front des ondes transversales lumineuses. C’est un retour inattendu à la théorie de l'émission, rendant superflue la considération d’un éther servant de « je » au verbe « onduler ».

Parmi les phénomènes dont l'interprétation suggère cette manière de voir, figurent le phénomène de Hertz, la production des rayons Rüntgen par les chocs des rayons cathodiques secondaires et par les rayons X.

Le phénomène de Hertz, ou effet photo-électrique, désigne la propriété qu'ont les corps, en particulier les métaux, d'émettre des rayons cathodiques sous l’action de la lumière. Les forces électriques présentes dans les ondes lumineuses absorbées mettent en mouvement les électrons accumulés dans le métal, et quelques-uns, par suite des accélérations qu’ils subissent, sont projetés au dehors. Le courant

photo-électrique qui en résulte dépend de deux facteurs, le nombre des électrons émis dans l’unité de temps et la vitesse avec laquelle ces électrons sont émis. Lorsqu'on augmente l'intensité de la lumière, sans faire varier sa longueur d’onde, le nombre des électrons émis croît proportionnellement, mais la vitesse d'émission reste la même. Si, d'autre part, à intensité lumineuse constante, on fait varier la fréquence y de la lumière excitatrice, la vitesse d'émission semble augmenter proportionnellement à la fréquence, en raison inverse de la longueur d’onde par conséquent. La vitesse avec laquelle les électrons sont émis ne leur appartenait certainement pas avant qu'ils aiént subi l’action de la lumière, l'expérience montrant que cette vitesse est très supérieure à celle de l'agitation thermique. Si la vitesse des électrons est empruntée à la lumière, comment comprendre dès lors qu’elle soit la même pour une lumière très intense et pour une lumière très faible ; comment surtout expliquer qu’elle varie en raison inverse de la longueur d'onde ?

Stark (1) a remarqué que ces difficultés disparaissent si l’on admet l'hypothèse des quanta. La lumière qui rencontre le métal n’est pas de structure homogène, elle est constituée d'éléments isolés possédant chacun l’énergie hv. Lorsqu'un de ces éléments frappe le métal, l’énergie qu’il contient peut passer à l’un des électrons présents dans le métal. De ce fait, l’électron acquiert une vitesse qui peut dépasser de beaucoup la vitesse d’agitation thermique et entraîner sa projection hors du métal. Comme les éléments d’énergie sont d’autant plus grands qu’est élevée la fréquence y, la lumière ultraviolette sera beaucoup plus efficace que la lumière visible. Ainsi, non seulement la lumière n’est absorbée et émise que sous forme de quanta, mais, même quand elle se propage librement dans le vide; elle semble constituée par la projection d’unités discrètes.

J.-J. Thomson (?) est arrivé à des conclusions voisines en étudiant l'effet photo-électrique sur les corps gazeux. La lumière ultraviolette, de très courte longueur d’onde, ionise les gaz, c’est-à-dire brise les molécules gazeuses, en libérant des électrons. On peut déterminer le travail nécessaire à cette rupture. On trouve alors que si l’on suppose la lumière ultraviolette, conformément aux idées de Maxwell, comme

(*) Srark, Phys. Zeitsch., 1909; Principien der Atomdynamik, Leipzig, 1910. (°) J.-J, Taomson, Proceed. Camb. Phil. Soc., 1908.

formée d’un train d'ondes homogènes se propageant sans inégalités de structure, l’énergie transportée par unité de section n’est pas suffisante pour rendre compte du travail d’ionisation produit par ce faisceau. Pour ce faire, il faut admettre une distribution discontinue de l'énergie sur le front de l’onde, de manière à avoir des plages de lumière et d'ombre, Aux endroits où l'énergie est accumulée, sa densité est suflisante pour ioniser les molécules. Le front de l’onde possède une structure et le train d’ondes, dans son ensemble, n’est pas formé par un flux régulier et ininterrompu d’énergie, mais par des éléments discrets d’énergie séparés par des lacunes considérables. C’est l’ancienne théorie de l’émission, très modifiée, qui reparaît.

Einstein a complété les idées de Stark, d’une façon qui à permis une nouvelle vérification expérimentale de la théorie des quanta. Il admet qu’un électron libéré par un rayon lumineux de fréquence y ne peut mettre en jeu qu’une énergie égale à l'élément d’énergie de Planck. On a, par suite, d’après le principe de la conservation de l'énergie, l'égalité

-mv?= hv —V,

en désignant par W le travail nécessaire pour séparer l’électron de l'atome dont il fait partie. Cette formule est susceptible de vérification directe, si l’on tient compte du fait que la vitesse » des électrons photo-électriques peut se déterminer expérimentalement par la mesure du potentiel condensateur V + V, capable de réduire à zéro le courant, en réduisant à zéro la vitesse ». On a

e(V + Vo) = me?

où V désigne la différence de potentiel appliqué, V, la différence de potentiel de contact qui existe toujours entre deux métaux différents, ces deux différences devant être déterminées séparément. Parmi les vérifications les plus satisfaisantes de cette formule, il faut citer les expériences récentes de Millikan (1). Opérant dans le vide sur des surfaces fraîchement préparées de sodium, de potassium et de lithium, ce physicien a employé toute l’échelle des longueurs d’onde depuis

() R.-A. Mrrurkan, La théorie des quanta et l'effet photo-électrique (Phys. Review, t. VIII, 1916).