CHAPITRE IX

Les rayons cathodiques. — Les corps radio-actifs.

|i. — LES RAYONS CATHODIQUES

Un fil parcouru par un courant électrique est, comme il vient d'être expliqué, le siège d'un mouvement d'électrons ; coupons ce fil : pareil au courant d'eau qui, en un point d'une conduite où vient à se produire une rupture, se répand en abondance au dehors, un flux d'électrons va sans doute jaillir entre les deux extrémités de la coupure.

Si l'énergie des électrons est suffisante, ils vont en effet sortir, ces électrons, se propager dans l'air ou dans le milieu isolant interposé ; mais les phénomènes produits dans les décharges seront en général fort complexes ; nous n'examinerons ici qu'un cas particulièrement simple, celui des rayons cathodiques, et, sans entrer dans les détails, nous retiendrons seulement les résultats relatifs à ces rayons qui viennent apporter de précieux arguments en

faveur de l'hypothèse des électrons et fournir de solides matériaux pour la construction de nouvelles théories de l'électricité et de la matière.

Depuis longtemps déjà, Ton avait constaté que. dansun tube de Geissler, les phénomènes changent considérablement d'aspect lorsque la pression du gaz devient très faible sans que cependant le vide soit parfait ; de la cathode jaillit normalement et en ligne droite, à l'intérieur du tube, un flux obscur mais capable d'impressionner une plaque photographique, de développer la fluorescence de diverses substances et particulièrement des parois en verre, de produire des effets calorifiques et mécaniques; ce sont les rayons cathodiques, ainsi nommés en 1883 par E. Wiedemann, et leur nom encore ignoré, il y a une douzaine d'années à peine, d'un grand nombre de physiciens est devenu aujourd'hui populaire.

Vers 1869, Hittorf en avait fait une étude fort complète déjà et avait mis leurs principales propriétés en évidence, mais ce furent surtout les travaux de Sir W. Crookes qui attirèrent sur eux l'attention. Le célèbre physicien pressentait que les phénomènes qui se produisent ainsi dans les gaz raréfiés sont, malgré leur complication encore bien grande, plus simples que» ceux que présente la matière prise dans les conditions où elle se rencontre ordinairement.

Il imagina une théorie célèbre qui ne saurait plus être intégralement admise, parce qu'elle n'est pas en accord complet avec les faits, mais qui était fort intéressante et qui renfermait en germe, certaines des idées actuelles. Pour Crookes, dans le tube où le gaz a été raréfié, on se trouve en pré-

sence d'un étal spécial de la matière, le nombre des molécules du gaz est devenu assez petit pour que leur indépendance soit presque absolue, elles peuvent,dans cet état radiant, parcourir de longs espaces sans dévier de la ligne droite. Les rayons cathodiques sont dus à une sorte de bombardement moléculaire sur les parois des tubes et des écrans que l'on peut introduire à l'intérieur de ce tube ; ce sont les molécules, électrisées par leur contact avec la cathode, puis repoussées avec force par les actions électrostatiques, qui produisent par leur mouvement, leur force vive, tous les phénomènes observés. D'ailleurs ces molécules électrisées, animées de vitesses extrêmement rapides, correspondent, d'après la théorie vérifiée dans la célèbre expérience de Rowland sur les courants de convection, à un véritable courant électrique et peuvent être déviées par un aimant.

Malgré le succès des expériences de Crookes, beaucoup de physiciens, et particulièrement les physiciens allemands, n'avaient pas renoncé à une hypothèse entièrement différente de l'hypothèse de la matière radiante ; ils continuaient à considérer le rayonnement cathodique comme dû à des radiations particulières, de nature encore mal connue, mais se produisant dans l'éther lumineux. Cette interprétation sembla bien, en 1894, devoir définitivement triompher à la suite d'une découverte remarquable de Lenard, découverte qui, à son tour, devait en provoquer tant d'autres et entraîner des conséquences dont, chaque jour, la portée paraît plus considérable.

L'idée fondamentale de M. Lenard fut d'étudier

les rayons cathodiques dans des conditions différentes de celles où ils se produisent. Ces rayons prennent naissance dans un espace très raréfié, sous des conditions parfaitement déterminées par Sir W. Crookes, mais, une fois produits, ne sontils pas capables de se propager dans d'autres milieux, dans un gaz à la pression ordinaire ou même dans le vide absolu? L'expérience seule pouvait répondre à cette question, mais on se trouvait en face de difficultés qui semblaient presque insurmontables; les rayons sont arrêtés par le verre, môme sous une épaisseur faible: comment, dès lors, séparer l'espace presque vide, où nécessairement ils doivent prendre naissance, de l'espace absolument vide ou rempli de gaz, dans lequel on voudrait essayer de les faire pénétrer? L'artifice à employer fut suggéré à M. Lenard par une expérience de Hertz. Le grand physicien s'était, en effet, occupé, peu de temps avant sa mort prématurée, de cette importante question des rayons cathodiques, son génie a laissé là, comme ailleurs, sa marque puissante ; il avait montré que des feuilles métalliques de très faible épaisseur sont transparentes pour les rayons cathodiques ; M. Lenard est parvenu à obtenir des feuilles imperméables à l'air, mais qui se laissent cependant encore traverser par le faisceau cathodique.

Si l'on prend alors une ampoule de Crookes dont l'extrémité est hermétiquement fermée par une plaque métallique présentant une fenle diamétrale de lm/m de largeur, et que l'on obture cette fente par une feuille d'aluminium très mince, on constate immédiatement que les rayons traversent

24S LA PHYSIQUE MODERNS

la feuille et sortent de l'ampoule; ils se propagent dans l'air à la pression atmosphérique, ils peuvent aussi pénétrer dans le vide absolu ; dès lors, on ne saurait plus les attribuer à la matière radiante, et l'on est amené à penser que l'énergie mise en jeu dans le phénomène a son siège dans l'éther lumineux lui-même.

Mais c'était une lumière bien étrange que cette lumière sur laquelle l'aimant agissait,, qui n'obéissait pas au principe du retour inverse et pour laquelle les gaz les plus divers étaient déjà des milieux troubles. Elle possédait, en outre, d'après Crcokes, la singulière propriété de transporter avec elle des charges électriques.

Cette convection d'électricité négative par les rayons cathodiques semble tout à fait inexplicable dans l'hypothèse où les rayons sont des radiations éthérées ; on n'avait guère d'autre ressource, pour maintenir l'hypothèse, que de nier la convection qui n'était d'ailleurs établie que par des expériences indirectes.

On doit à M. J. Perrin d'avoir mis hors de toute contestation possible la réalité de ce transport, par une expérience extrêmement élégante et qui est d'autant plus convaincante qu'elle est plus simple. M. J. Perrin recueillit, à l'intérieur du tube de Grookes, le faisceau cathodique dans un cylindre métallique. Conformément aux principes élémentaires de l'électricité, ce cylindre devra se charger de toute la charge apportée par les rayons si elle existe; bien entendu diverses précautions doivent être prises, mais le résultat fut très net, aucun doute ne pouvait subsister : les rayons sont électrisés.

On aurait pu, on la fait quelque temps encore après que cette expérience fut publiée, soutenir que les phénomènes à l'intérieur de l'ampoule sont compliqués, qu'à l'extérieur les choses se passeraient peut-être autrement, mais Lenard luimême, avec cette absence de tout parti-pris même involontaire qui n'appartient qu'aux grands savants, se chargea de démontrer que l'opinion à laquelle il s'était d'abord rangé ne pouvait plus être soutenue, car, dans l'air ou même dans le vide, il parvint à répéter sur les rayons cathodiques l'expérience de M. Perrin,

Sur les débris des deux hypothèses contradictoires ainsi détruites l'une et l'autre, en conservant d'ailleurs les matériaux qui avaient servi à les construire, on a pu édifier une théorie qui coordonne très bien tous les faits connus, cette théorie est d'ailleurs étroitement liée à la théorie de l'ionisation, comme celle-ci, elle repose sur la conception de l'électron : les rayons cathodiques sont des électrons en mouvement rapide. ■

Les phénomènes qui se produisent, soit dans le tube de Crookes, soit au dehors, sont d'ailleurs généralement complexes ; dans les premières expériences *de Lenard, dans beaucoup d'autres qui ont été faites ensuite, alors que cette région de la physique était fort mal connue, dans quelquesunes même qui se publient aujourd'hui encore, l'on peut remarquer quelques confusions.

A l'endroit où les rayons cathodiques viennent frapper la paroi, apparaissent les rayons X essentiellement différents, puisqu'il* ne sont pas

250 lk PHYSIQUE MODERNE

électrisés, qu'ils ne sont pas déviabîes par l'aimant ; ces rayons peuvent à leur tour donner naissance à des rayons secondaires de M. Sagnac ; souvent on s'est trouvé en présence des effets produits par ces radiations et non par les rayons cathodiques véritables.

Les électrons se propageant dans un gaz peuvent ioniser les molécules de ce gaz, s'unir avec les atomes neutres pour former des ions négatifs, pendant qu'apparaissent des ions positifs. Dans les tubes, il se produit ainsi, au dépens du gaz qui subsistait encore après la raréfaction, des ions positifs qui. attirés par la cathode et arrivant sur elle, ne sont pas tous neutralisés par les électrons négatifs, et qui peuvent, si cette cathode est percée d'un trou, la traverser, ou sinon la contourner; on a alors ce que l'on appelle les rayons canaux de Goldstein qui sont déviés par un champ électrique ou magnétique en sens contraire des cathodiques mais qui, étant plus gros, donnent des déviations faibles, ou qui peuvent même n'être plus deviables parce qu'ils ont perdu leur charge en traversant la cathode.

Il se peut aussi que ce soit les portions de parois éloignées de la cathode qui envoient à celle-ci, par un mécanisme semblable, un afflux positif; il se peut encore qu'en certaines régions du tube l'on rencontre des rayons cathodiques diffusés par un obstacle solide quelconque, sans avoir pour cela changé de nature. Toutes ces complications^ ont été démêlées par M. Villard, qui a publié sur ces questions des expériences remarquablement ingénieuses et particulièrement soignées.

M. Villard a étudié aussi les phénomènes d'en-

ronlement des rayons dans un champ, signalés par liittorf et Pliicker :

Quand un champ magnétique agit sur la particule cathodique, cette particule suit une trajectoire en général hélicoïdale qui peut être prévue par la théorie ; on se trouve en présence d'une question de balistique assez simple.

L'expérience confirme très bien les prévisions du calcul. Toutefois des phénomènes assez singuliers apparaissent pour certaines valeurs du champ, ces phénomènes entrevus par Plûcker et parM.Birkeland, ont fait aussi l'objet des recherches de 11. Viilard ; les deux faces de la cathode semblent alors émettre des rayons qui sont déviés dans un sens perpendiculaire aux lignes de force par un champ électrique et qui ne paraissent pas électrisés. M. Viilard les appelle des rayons magnétocathodiques ; d'après M. Fortin, ces rayons pourraient être des rayons cathodiques ordinaire? mais de très faible vitesse.

Dans certains cas, la cathode elle-même peut se désagréger superficiellement, des parcelles extrêmement ténues s'en détachent, qui, transportées normalement, peuvent aller se déposer comme un voile très mince sur les objets placés sur le trajet.

1 . Il résulte d'un très remarquable travail publié récemment par M. Dunoyer que dans les tubes à vide il y a lieu de distinguer deux modes de production des rayons cathodiques : les uns prennent naissance dans le gaz, par l'accélération de corpuscules arrachés aux molécules du gaz, les autres se produisent à la surface de la cathode par suite de réchauffement local qui a lieu momentanément aux régions d'impact de l'afflux cathodique. Le phénomène des projections cathodiques matérielles" serait donc une véritab';J evaporation thermique,

Divers physiciens, M. Houllevigue entre autres, ont étudié ce phénomène, et pour des pression? comprises entre 1/20 et 1/100 de millimètre, M. Houllevigue a obtenu des couches spéculaires avec la plupart des métaux, c'est le phénomène qu'il désigne sous le nom de ionoplastie.

Mais, malgré tous les phénomènes accessoires qui vienncn-t ainsi s'ajouter au phénomène primitif et le dissimuler môme parfois, l'existence de l'électron dans le flux cathodique reste le caractère essentiel.

L'électron sera saisi, dans le rayon cathodique, par l'étude de ses propriétés essentielles ; c'est J.-J. Thomson qui a donné à l'hypothèse une grande valeur par les mesures qu'il a effectuées. Tout d'abord il avait voulu déterminer la vitesse des rayons cathodiques par des expériences directes, en observant, dans un miroir tournant, le déplacement relatif de deux bandes dues à l'excitation de deux écrans fluorescents placés à des distances différentes de la cathode, mais il comprit bientôt que l'effet de fluorescence n'était pas instantané et que le retard pouvait être une grave cause d'erreur.

Il eut recours alors à des méthodes indirectes ; on peut, par un calcul simple, évaluer les déviations produites sur les rayons par un champ magnétique et par un champ électrique, en fonction de la vitesse de propagation et du rapport de la charge à la masse matérielle de l'électron ; la mesure de ces déviations permettra donc de connaître cette vitesse et ce rapport.

D'autres procédés peuvent être employés qui fournissent toujours ces deux mêmes quantités

par deux mesures convenablement associées .l rayon de courbure que prend la trajectoire di faisceau dans un champ magnétique perpendiculaire et mesure de la chute de potentiel sous laquelle se fait la décharge; mesure de la quantité totale de l'électricité transportée en une seconde et mesure de l'énergie calorifique qui peut être cédée pendant ce même temps à une soudure thermo-électrique; les résultats sont aussi concordants qu'on peut l'espérer eu égard à la difficulté des expériences, les valeurs de la vitesse concordent aussi avec celles que M. Viechert a pu obtenir par des mesures directes.

La vitesse ne dépend jamais de la nature du gaz contenu dans le tube de Crookes, elle varie suivant la valeur de la chute de potentiel cathodique, elle est de Tordre du dixième de la vitesse de la lumière, elle peut en atteindre le tiers : la particule cathodique va donc environ trois mille fois plus vite que la terre sur son orbite. Le rapport est, lui aussi, invariable, alors même qu'on vient à changer la substance dont est formée la cathode ou à substituer un gaz à un autre, il est en moyenne mille fois plus grand que le rapport correspondant dans l'électrolyse . Gomme l'expérience a démontré, dans toutes les circonstances où la mesure a pu se faire, l'égalité des charges portées par tous les corpuscules, ions, atomes, etc., nous devons penser que la charge de l'électron est bien encore ici celle d'un ion monovalent dans l'électrolyse et par suite que sa masse n'est qu'une petite fraction de celle de l'atome d'hydrogène, de l'ordre du millième environ; c'est le même résultat que celui auquel nous avait amenés l'étude des flammes.

L'examen approfondi du rayonnement cathodique nous confirme doDC dans cette idée que n'importe quel atome matériel peut se dissocier en donnant un électron beaucoup plus petit et toujours identique, quelle que soit la matière d'où U provienne, le reste de l'atome restant chargé d'une quantité positive égale et contraire à celle que porte l'électron. Dans le cas présent, ces ions positifs sont sans doute ceux que Ton retrouve dans les rayons canaux; M. Wien a montré que leur masse était bien en effet de l'ordre de la masse des atomes. Quoiqu'ils soient tous formés d'électrons identiques, il peut exister divers rayons cathodiques, parce que la vitesse n'est pas exactement la même pour tous les électrons; ainsi s'explique qu'on les puisse séparer et que l'on produise une sorte de spectre par l'action de l'aimant ou encore, comme la montré M. Deslandres, dans une très intéressante expérience, par l'action d'un champ électrostatique ; ainsi s'expliquent encore probablement les phénomènes étudiés par M. Villard et qui ont été signalés plus haut.