LA CONDENSATION DE LA VAPEUR D'EAU PAR LES IONS

Si la pression d'une vapeur, la vapeur d'eau par exemple, vient à atteindre dans l'atmosphère la valeur de la pression maxima correspondant à la température de l'expérience, la théorie élémentaire enseigne que le moindre abaissement de température provoquera une condensation ; des gouttelettes se formeront, le brouillard se transformera en pluie.

Dans la réalité, les choses ne se passent pas aussi simplement, un retard plus ou moins considérable pourra se produire, la vapeur restera sursaturée. On découvre aisément que ce phénomène est dû à l'intervention des actions capillaires ; sur une goutte liquide agit la tension superficielle, qui donne naissance à une pression d'autant plus grande que le diamètre de la goutte est plus petit.

La pression facilite l'évaporation, et, en examinant de plus près cette action, on arrive à considérer que la vapeur ne peut jamais spontanément se condenser lorsqu'il n'existe pas de gouttes liquides déjà formées, à moins que des forces d'autre nature n'interviennent pour diminuer l'effet des forces capillaires.

Dans le cas le plus fréquent, ces forces proviendront des poussières qui sont toujours en suspension dans l'air, ou qui existent dans n'importe

quel récipient. Les grains de poussière agissent par leur pouvoir hygrométrique et forment des germes autour desquels les gouttes vont pouvoir se former. On peut, comme Ta fait dès 1875 M. Coulier, utiliser ce phénomène pour enlever les germes de condensation, en produisant par détente, dans un flacon contenant un peu d'eau, un premier brouillard qui purifie l'air; dans des expériences ultérieures, il deviendra alors presque impossible de produire une nouvelle condensation de la vapeur.

Mais ces forces peuvent aussi être d'origine électrique. M. R. von Helmboltz a, depuis longtemps, montré que l'électricité exerce une in fluence sur la condensation de la vapeur d'eau et M. Wilson a, sur ce sujet, effectué de véritables expériences de mesure. On découvrit rapidement, après l'apparition des rayons X, que les gaz devenue conducteurs, les gaz ionisés, facilitent, eux aussi, la condensation de la vapeur d'eau sursaturée.

On est ainsi conduit, par une nouvelle voie, à penser qu'il existe dans les gaz des centres électrisés et que chaque centre attire à lui les molécules d'eau voisine, comme le fait un bâton de résine électrisé pour les corps légers placés dans son voisinage. Il se produit de cette manière, autour de chaque ion, un rassemblement de molécules d'eau qui constitue un germe capable de provoquer la formation d'une goutte d'eau, résultant de la condensation de la vapeur en excès dans l'air ambiant ; comme on doit s'y attendre, les gouttes sont électrisées et ont pris la charge des centres autour desquels elles se sont formées; autant d'ailleurs il y aura d'ions, autant de gouttes prendront naissance.

LA CONDUCTIBILITÉ DES GAZ 23l

Dèe lors, il suffira de compter ces gouttes, pour connaître, par là même, le nombre des ions qui existaient dans la masse gazeuse.

Pour faire ce dénombrement, plusieurs méthodes ont été employées ; différentes dans leur principe, elles conduisent cependant à des résultats pareils. On peut, comme l'ont fait MM. Wilson et J.-J. Thomson, évaluer, d'une part, le poids du brouillard qui se produit dans des conditions déterminées, et, d'autre part, le poids moyen des gouttes, en déduisant leur diamètre, d'après une formule donnée autrefois par Sir G. Stokes, de la vitesse avec laquelle descend ce brouillard ; on peut, comme M. Lemme, déterminer le rayon moyen des gouttes par un procédé optique, en mesurant le diamètre du premier anneau de diffraction produit lorsqu'on regarde un point lumineux à travers le brouillard.

L'on arrive ainsi à un nombre considérable ; il y a, par exemple, lorsque les rayons ont produit leur effet maximum' quelques vingt millions d'ions par centimètre cube ; mais pour élevé qu'il soit, ce nombre est encore très petit par rapport au nombre total des molécules ; toutes les conclusions tirées des théories cinétiques nous amènent à penser que, dans le même espace, à côté d'une molécule séparée en deux ions, il doit en subsister intactes un milliard, restées à l'état neutre.

M. Wilson a remarqué que les ions positifs et les ions négatifs ne produisent pas la condensation avec la même facilité ; on peut séparer à peu prc^ complétaient les ions de signe contraire en tV çant le gaz ionisé dans un champ couve;;

232 LA PHYSIQUE MODERNS

disposé: au voisinage d'un disque négatif, il n'y a plus guère que des ions positifs, contre un disque positif ne se rencontrent que des ions négatifs ; et, en opérant une séparation de ce genre, on pourra constater que la condensation par les ions négatifs est plus facile que par les ions positifs.

Il est, par suite, 'possible de ne provoquer la condensation que sur les centres négatifs et d'étudier séparément les phénomènes produits par les deux sortes d'ions ; on vérifie ainsi qu'ils portent bien des charges égales en valeur absolue ; l'on peut même évaluer ces charges, puisque l'on connaît déjà le nombre des gouttes ; cette évaluation se fera, par exemple, en comparant les vitesses de chute d'un brouillard dans des champs de différente valeur, ou, comme l'a fait J.-J. Thomson, en mesurant la quantité totale d'électricité libérée dans le gaz.

Au degré d'approximation que peuvent comporter de telles expériences, on arrive à trouver que la charge d'une goutte, et par conséquent la charge portée par un ion, est sensiblement 3,4xl0-10 unités électrostatiques ou 1,1X10~20 unités électromagnétiques ; cette charge est très voisine de celle que l'étude des phénomènes de l'électrolyse ordinaire conduit à attribuer à un atome monovalent produit par la dissociation électrolytique.

Une telle coïncidence est évidemment très frappante ; elle ne sera pas la seule d'ailleurs, quel que soit le phénomène étudié, il apparaîtra toujours que la plus petite charge que nous puissions concevoir isolée est celle-là; on se trouve en présence d'une unité ^naturelle ou, si l'on veut, de l'atome d'électricité.

Il faudrait bien, toutefois, se garder de croire que l'ion gazeux est identique à l'ion électrolytique ; des différences sensibles apparaissent immédiatement, de plus grandes encore seront relevées par un examen plus approfondi.

Comme l'a montré M. Perrin, l'ionisation produite#par les rayons X ne dépend en aucune façon de la composition chimique du gaz ; que l'on prenne un volume d'acide chlorhydrique gazeux ou un mélange d'hydrogène et de chlore dans les mêmes conditions, tous les résultats resteront identiques, les affinités chimiques ne jouent ici aucun rôle.

On peut obtenir encore d'autres renseignements sur les ions, connaître par exemple leurs vitesses, et aussi avoir une idée de leur ordre de grandeur.

En composant les vitesses que possèdent les charges libérées avec ia vitesse connue d'un courant gazeux, M. Zeleny mesure les mobilités, c'està-dire les vitesses acquises dans un champ égal à l'unité électrostatique par les charges positives et négatives ; il a trouvé que ces mobilités étaient différentes, elles varient, par exemple, entre 400 et 200 centimètres par seconde pour les deux charges dans les gaz secs, les ions positifs étant moins mobiles que les négatifs ; ce qui suggère cette pensée qu'ils sont, sans doute, de masse plus grande.

M. Langevin, qui s'est fait en France l'apôtre très éloquent des nouvelles doctrines et qui a contribue grandement à les faire comprendre et à les faire admettre, a personnellement entrepris des expériences analogues à celles de M. Zeleny, mais beaucoup plus complètes ; il a étudié d'une façon très ingénieuse- non seulement les mobilités,

mais encore la loi de recombinaison qui régit le retour spontané du gaz à l'état normal. Il détermine, expérimentalement le rapport du nombre de recombinaisons au nombre des collisions entre les deux ions de signe contraire, en étudiant la variation, produite par un changement dans la valeur du champ, de la quantité d'électricité que l'on peut recueillir dans le gaz,qui sépare deux lames métalliques parallèles après le passage, dans ce gaz, pendant un temps très court, des rayons Rontgen émis dans une seule décharge d'un tube de Crookes. Si l'image des ions est bien conforme à la réalité, ce rapport doit être évidemment toujours plus petit que l'unité, et tendre vers cette valeur lorsque la mobilité des ions diminue, c'est-à-dire quand la pression du gaz augmente. Les résultats obtenus sont en parfait accord avec cette prévision.

D'autre part, M. Langevin a pu, en suivant le déplacement des ions dans l'intervalle des lames parallèles, après l'ionisation produite par la radiation, déterminer les valeurs absolues des mobilités avec une grande précision, il a ainsi mis nettement en évidence l'irrégularité des mobilités positives et négatives.

Connaissant, par des expériences de ce genre, la vitesse des ions dans un champ déterminé, connaissant, d'autre part, puisque l'on a su évaluer leur charge électrique, la force qui les fait mouvoir, on peut calculer leur masse ; ils progressent évidemment moins vite quand ils sont plus gros ; dans le milieu visqueux que constitue le gaz, le déplacement se fait avec une vitesse sensiblement proportionnelle à la force motrice.

A la température ordinaire ces masses sont rei:i-

tivement considérables, plus grandes pour les ions positifs que pour les négatifs, environ de l'ordre d'une dizaine de molécules ; les ions paraissent donc formés par une agglomération de molécules neutres maintenues, autour d'un centre électrisé, par les attractions électrostatiques.

Si la température s'élève, l'agitation thermique deviendra assez grande pour empêcher les molécules de rester liées au centre ; par des mesures effectuées dans les gaz des flammes, on arrive à des valeurs des masses très différentes de celles que l'on avait trouvées pour les ions ordinaires et surtout très différentes pour les ions de signe contraire. Les ions négatifs ont des vitesses bien plus considérables que les positifs ; ceux-ci paraissent de la grosseur même des atomes ; les premiers doivent, par suite, être considérés comme beaucoup plus petits, un millier de fois environ.

Ainsi, pour la première fois dans la science, apparaît l'idée que l'atome n'est pas la plus petite fraction de la matière qui soit à considérer ; il peut exister des fragments mille fois plus petits, possédant d'ailleurs une charge négative ; ce sont les électrons que nous allons de nouveau rencontrer dans Fétude d'autres phénomènes.