LES RAYONS CATHODIQUES ET LES RAYONS X

L’oplique, prise dans son sens le plus large, ne s’est pas seulement augmentée récemment des rayons hertziens. D’autres rayonnements sont encore venus s'ajouter à ceux que nos connaissions déjà : leur étude a été singulièrement féconde et a conduit aux applications les plus curieuses et aux plus étranges conséquences théoriques: On savait, depuis les travaux de Crookes, que les décharges électriques passant dans l’atmosphère suffisamment raréfiée d'une ampoule de verre, provoquent à la cathode une émission de rayons dits cathodiques, reconnaissables à la lumière qu’ils excitent en frappant diverses substances, déviables à lapproche d’un aimant et, par là, différant a priori de tous les rayons lumineux connus. Dans ces dix dernières années, les recherches sur les rayons cathodiques se sont multipliées ; elles ont amené indirectement à la découverte des rayons Rüntgen, puis à celles des rayons de Becquerel. Une première observation fut que les rayons cathodiques peuvent traverser des couches de matière suffisamment minces, telles qu’une mince feuille d'aluminium recouvrant une petite ouverture pratiquée dans la

paroi de l’ampoule de Crookes, comme l’a remarqué

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M. Lénard. Les rayons continuent à se propager dans l’atmosphère extérieure, tout en étant fortement diffusés, et ils déchargent rapidement les conducteurs électrisés, propriété jusqu’alors inconnue, En outre, la propagation se fait dans un gaz d'autant plus loin que celui-ci est plus léger et plus raréfié.

Quelle est la nature des rayons cathodiques? Le fait que le milieu gazeux nécessaire au passage des décharges électriques et à l’excilation des rayons cathodiques est non seulement inutile, mais encore nuisible à la propagation de ces rayons, devait nécessairement amener une comparaison entre ces rayons et les rayons lumineux. Les physiciens allemands, à la suite de Hertz, regardèrent les rayons cathodiques comme un mode d’ondulation de l’éther lumineux. Mais, en face de cette théorie d’ondulation, s’est dressée la théorie d'émission de l’École anglaise qui a définitivement prévalu. Crookes, étudiant jadis les actions mécanique et calorifique des rayons cathodiques, avait admis que ces actions sont dues à un bombardement formé de la matière du gaz raréfié sous un état spécial : c’est l’état radiant. La matière radiante était, pour Crookes, formée de particules animées d'une très grande vitesse et électrisées négativement.

La théorie d'émission a eu le mérite de faire prévoir notamment lélectrisation négative des rayons cathodiques, propriété capitale démontrée nettement

LA PHYSIQUE DE L'ÉTHER s. 159

par M. Perrin; elle permet de comprendre l’existence et le sens de la déviation magnétique des rayons cathodiques qui se comportent, en effet, dans ce phénomène comme le férait un courant. Pour arriver à déterminer la vitesse des rayons, MM. Becquerel et J.-J. Thomson interprétèrent la déviation magnétique ou électrique de ces rayons en supposant que le flux d'électricité cathodique est formé de particules matérielles électrisées négativement. La théorie, développée suivant ce principe, permit de calculer la vitesse de propagation des rayons cathodiques d'après les valeurs observées des déviations magnétique et électrique de ces rayons, et en même temps le rapport dé la charge des particules à leur masse. Cette vitesse est d’autant plus grande que les rayons sont moins déviés par laimänt et atteint dans les expériences actuelles jusqu’au tiers de la vitesse de la lumière. Mais celte grande vitesse du bombardement cathodique anime seulement une masse qui, d’après les mêmes expériences interprétées par la même théorie, n'est que la deux millième partie environ de la masse d'hydrogène capable, dans lélectrolyse, de transporter la mêmé quantité d'électricité que les rayons cathodiques. Un point important est que le rapport de la charge à la masse de la particule électrisée en mouvement est constant, c’est-à-dire indépendant dé la nature du gaz, et il en est de même de la vitesse des particules pour un même potentiel de décharge.

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Il semblerait donc établi que les phénomènes cathodiques sont les mêmes dans tous les gaz, et, par suite, que les particules cathodiques sont constituées par une matière unique ayant, dans ces conditions, un équivalent électrochimique deux mille fois plus petit que l'hydrogène. Ces conséquences et bien d'autres ont été découvertes grâce au mouvement d'idées produit par la théorie d'émission de l’École anglaise, généralement acceptée aujourd'hui, et qui a provoqué en France les importantes recherches de M. Perrin, de M. Villard, et de plusieurs autres physiciens. Ainsi, la théorie d'émission triomphe pour le moment, puisqu'elle se montre d'une très grande fécondité. Quant à la théorie ondulatoire, doit-elle être rejetée définitivement? Il serait imprudent de l’affirmer; pour qu'elle redevienne utile, il faudrait imaginer quelque mode nouveau de perturbation de l'éther correspondant au transport des charges négatives, mais il semble que ce serait aller au devant de bien grandes complications.

Des considérations indiquées ci-dessus, résulte que la masse d’une particule cathodique est très petite, environ la deux millième partie de la masse de l'atome d'hydrogène. M. J.-J. Thomson a été ainsi conduit à esquisser quelques vues générales sur la constitution de la matière dont je dois dire un mot. On a dans ce que les physiciens anglais ont longtemps appelé l'état radiant, un nouvel état de la

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matière. Tandis que, dans l'état ordinaire, les molécules ont des masses différentes avec la nature de la substance, les corpuscules de la matière radiante ont une masse invariable, de quelque substance qu’ils proviennent, cette masse étant le deux millième de celle d’un atome d’hydrogène; de plus, chacun de ces corpuscules porte une charge d’électricité négative qui est constante. Pour M. J.-J. Thomson, l’état corpusculaire fournit une représentation du fluide électrique dans la théorie d’un seul fluide. L'existence de la matière à l’état corpusculaire ne se manifeste pas seulement dans la production des rayons cathodiques ; M. Thomson trouve la matière à cet état au voisinage d'une plaque métallique éclairée par la lumière ultra-violette. Il développe, de plus, toute une théorie qui n’est pas sans analogie avec celle de M. Lorentz, dont nous parlions plus haut, d'après laquelle la matière corpusculaire pénètre tous les corps métalliques ; dans ceux-ci, comme dans les solutions, les charges électriques sont portées par des corpuscules.

Outre les rayons cathodiques, on distingue encore dans un tube de Crookes les rayons magnéto-cathodiques, entrevus par Plucker, signalés ensuite par M. Broca, et étudiés d'une manière approfondie, dans ces derniers temps, par M. Villard. Ces rayons se disposent suivant un tube de force magnétique ayant pour base la cathode ; ils ne transportent pas

d'électricité et sont déviés dans un champ électrique -

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pérpendiculairement à la force électrique. M. Villard

a fait la très intéressante remarque que l’on constate

ainsi pour la première fois une action du champ électrique perpendiculaire à sa direction, comme l'action du champ magnétique définie par la loi de Laplace. On pourrait supposer que les rayons magnéto-cathodiques transportent des particules magnétiques, comme les rayons cathodiques transportent des particules électriques, mais il convient d'attendre de nouvelles expériences.

Après les rayons cathodiques, nous devons mentionner les rayons désignés sous le nom de rayons À. Leur découverte est due à M. Rôntgen; l’illustre physicien montra en 1895, qu’à l'extérieur d’une ampoule cathodique en activité se propage une nouvelle espèce de rayons capables, à la manière des rayons ultra-violets, de révéler leur présence en illuminant lé platinocyanure de barium et diverses substances dans lesquelles ils excitént une phosphorescence visible, capables aussi d’impressionner les plaques photographiques même après avoir traversé

des corps opaques pour tous les rayons lumineux

connus. De plus, ils Se propagent très exactement en ligne droite, sans se réfracter ni se diffracter. Ils sont absorbés par les divers corps, suivant la nature des éléments chimiques qui les constituent, les éléments de plus faibles poids atomiques étant, en général, les moins absorbants ; par là, ils se rapprochent des rayons cathodiques, mais ils sont

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bien plus pénétrants que ceux-ci. Les rayons de Rüntgen se différencient surtout des rayons catho- diques en ce qu'ils ne sont point déviés par les champs magnétiques ou électriques, et qu'ils ne transportent point de charges électriques.

Les physiciens discutent encore sur la nature des rayons X, On a en vain essayé de réaliser des expériences d'’interférences et de polarisation avec les rayons de Rôntgen, qui semblait, au début, disposé à voir des vibrations longitudinales de l’éther, dans les phénomènes qu'il avait découverts. On a pensé que l’émission de ces rayons serait due à un effet d'induction électromagnétique développée dans l'éther du vide par l’arrêt brusque des projectiles cathodiques au moment où ïls rencontrent une paroi du tube de Crookes; les rayons 4 pourraient alors être comparés à des rayons lumineux de longueurs d’onde extrêmement petites, et ce seraient des rayons ultra-ultra violets. On comprend ainsi qu'ils ne se diffractent pas sensiblement ; on voit moins bien pourquoi ils ne se réfractent pas, à moins d'admettre, avec M. Boussinesq, qu'il n’y a plus de réfraction quand les longueurs d’ondulation ne sont plus qu'une petite fraction des dimensions de la molécule, comme s’annule sensiblement sur une mer agitée l'impulsion d'ensemble que subit, de la part des vagues, un très grand navire assez étendu pour en recouvrir toujours plusieurs.

Il semble que beaucoup de physiciens adoptent

maintenant une explication proposée par Stokes. Les

chocs des projectiles cathodiques ne produisent pas

une succession continue d'ondes analogues à celles

que produisent la lumière, mais des ondes solitaires

comme il s’en rencontre en hydraulique, quand on lève brusquement une vanne. Il n’y a donc pas, dit-

on, dans les rayons Æ la périodicité qui est, en

optique, l'origine des phénomènes de réfraction et

de polarisation; mais ceci est très contestable, les

ondes solitaires se produisant périodiquement.

Un chapitre intéressant à été ajouté à l’étude des rayons X par M. Sagnac : c’est celui des rayons secondaires. Tous les corps se comportent comme des milieux troubles pour les rayons 4. Cette dissémination, au moins dans les corps de gros poids atomiques, comme le plomb, est accompagnée d’une transformation des rayons en rayons secondaires, plus absorbables que les rayons générateurs. L’émission secondaire est par là comparable, dans une cerlaine mesure, à la transformation d’une lumière qui frappe un corps fluorescent en une lumière de couleur différente, mais elle se présente comme une propriété surtout atomique. De plus, ces rayons secondaires semblent formés eux-mêmes par un mélange de rayons non déviés et de rayons analogues aux rayons Ccathodiques; en fait, ils sont électrisés négativement.

Outre les propriétés de rendre certains corps fluorescents et d'impressionner les plaques photo-

LA PIYSIQUE DE L'ÉTIIER | 165

graphiques, les rayons X possèdent la propriété de décharger les conducteurs électrisés, même quarä les rayons traversent seulement les gaz soumis aux champs électriques des conducteurs sans effleurer ceux-ci. Quand les rayons Æ frappent un conducteur électrisé, à l’action de décharge due à la conductibilité du gaz s'ajoute une action supplémentaire variant avec le métal, et qui provient des rayons secondaires issus du métal.

Rappelons enfin que, la propagation rectiligne des

rayons À à travers les corps a permis d'observer l'intérieur des corps opaques à la lumière par le simple examen des silhouettes de ces corps projetées par un tube à rayons X sur un écran phosphorescent (radioscopie) ou sur une plaque photographique qu'on peut, après développement, observer à loisir (radiographie). Cette méthode d’exploralion, due à M. Rüntgen, appliquée à l'intérieur du corps humain, a rendu de grands services à la médecine et à la chirurgie; elle a rendu populaires les rayons 4.

LES NOUVEAUX RAYONNEMENTS ET LA MÉCANIQUE DES ÉLECTRONS Les rayons hertziens, les rayons cathodiques et les

rayons À ne sont pas les seules conquêtes faites, depuis vingt ans, dans l’étude des rayonnements.

M. Gustave Le Bon appela l’atteñtion sur diverses expériences curieuses, dont il vient de reprendre la description dans un volume appartenant à cette collection, en exposant ses idées sur la généralité des dissociations atomiques. M. Henri Becquerel, peu de temps après la découverte de M. Rôüntgen, reconnut que l'uranium et les sels d'uranium émettent des rayons invisibles impressionnant la pläque photographique et rendant l'air qu’elles traversent condücteur de l'électricité ; il fut établi qu’elles traversent le papier noir, les métaux, qu’elles ne se” réfléchissent ni ne se réfractent. Enfin, ce qui est le plus surprenant, c’est que l'émission des rayons ést spontanée : elle n’est produite par aucune cause excitatrice connue ; elle se conserve, en dépit des combinaisons chimiques, et l’origine de l’énergie mise en jeu fut l’objet de longues discussions. D’autres Corps jouissent des mêmes propriétés que l'uranium. La radio-activité, mesurée par la vitesse de décharge d’un condensateur électrique, est beaücoup plus grande dans certains minerais naturels d'uranium et de thoriam que dans l’uranium luimême et les minerais correspondants préparés artificiellement. M"° Curie en a conclu que les minerais naturels, d'activité anormale, renferment des traces de substances nouvelles très fortement radio-actives. Cette remarque fut le point de départ de recherches mémorables entreprises par M. et M®° Curie, avec la collaborätion de M. Bémond, qui conduisirent à

admettre l'existence de deux nouvelles substances, l'une le polonium précipité dans les combinaisons chimiques avec le bismuth, l’autre le radium précipité avec le barium.

La découverte du radium a été confirmée par l'analyse spectrale, et on a pu fixer approximativement le poids atomique de ce nouveau corps qui forme le dernier terme de la série des métaux alealino-terreux. La remarquable méthode de recherches inaugurée par M. et M*° Curie, a permisà M. Debierne de découvrir un autre élément, l’actinium, analogue au thorium, dont il est difficile à séparer, et permettra, sans doute, de découvrir encore d’autres éléments jumeaux d'éléments déjà connus. Une grande difficulté de ces recherches est qu’un élément inactif par lui-même peut devenir actif lorsqu'il est exposé, pendant un temps suffisant, aux rayons du radium ou de substances analogues ; ce phénomène de radio-activité induite est d’ailleurs temporaire,

L'étude des radiations, analogues à celles de l’uranium, et que l’on désigne aujourd’hui sous le nom de rayons de Becquerel, a fait l’objet d’un nombre immense de travaux en France, en Allemagne et en Angleterre. Il en résulte que ces rayonnements sont formés de rayons de trois espèces. Ceux de la première espèce qu’on appelle les rayons y sont analogues aux rayons X. Ceux de la deuxième les rayons $ sont analogues aux rayons cathodiques, ils sont déviés par l’aimant et sont chargés d’élec-

tricité négative de telle sorte que les corps radioactifs dégagent spontanément, et d’une façon con: tinue, de l'électricité ; la vitesse du bombardement cathodique des rayons $ est énorme et peut, dans certains cas se rapprocher de la vitesse de la lumière. Enfin une troisième espèce de rayons, les rayons «, sont déviés dans un champ magnétique en sens inverse des rayons cathodiques et par suite chargés d'électricité positive; ils ont une vitesse DAS que les rayons f.

Rappelons encore un des chapitres les plus mystérieux des nouveaux rayonnements, celui de l’'émanation qui se dégage des corps radio-actifs et communique temporairement aux autres corps des propriétés radio-actives; cette émanation est d’ailleurs liée à la présence de Ja matière et se transmet par les gaz. De plus, les solutions des sels de radium dégagent d’une manière continue un mélange d’'hydrogène et d'oxygène contenant de l’hélium d’après MM. Ramsay et Soddy; cet hélium est regardé comme résultant de la désagrégalion de l'atome de radium. Enfin, les sels de radium sont spontanément lumineux : le chlorure de radium sec émet une lumière assez intense pour qu’on puisse lire dans l’obscurité.

Au point de vue purement théorique, l'intérêt des nouvelles substances est très grand; il réside dans les propriétés extraordinaires du rayonnement spontané de ces substances. Les discussions soulevées à ce sujet touchent aux bases mêmés de la science,

au principe de la conservation de l'énergie, au principe de Carnot, à l'invariabilité de l'atome, à la nature de la matière. A la vérité, ces difficultés paraissent moins grandes aujourd’hui, car au moins . en considérant la partie des nouveaux rayonnemenis assimilables aux rayons cathodiques, il semble qu'il y ait une émission de matière si on adopte les idées développées plus haut. D’ailleurs, cette émission est tellement faible qu’elle ne peut être contrôlée par une perte de poids, puisque d’après les premiers physiciens qui se sont occupés de cette question, elle serait d’un milligramme par centimètre carré de surface rayonnante en un milliard d'années. Quoique ces nombres soient très exagérés et aient été récemment réduits, il n’y a, dans ces conditions, aucune contradiction avec le principe de la conservation de l’énergie, mais alors il faut admettre que l'atome chimique n’est pas un édifice immuable et se désagrège en sous-atomes radiants. On peut expliquer par cette dislocation les dégagements de chaleur observés par Curie et aussi le fait qu’un sel de radium enfermé dans un tube scellé, prend une charge d'électricité positive, les rayons négatifs £ sortant du tube et les rayons « étant arrêtés. Quant au principe de Carnot, on ne sait vraiment pas à quoi s’adresser, pour l’appliquer, au milieu de ces dislocations atomiques, et le mieux est de n’en pas ‘parler à celte occasion. On voit que la découverte des rayons de Becquerel et de Curie n’intéresse pas

nioins la chimie que la physique, et que les diverses radiations, dont nous venons d’esquisser l’histoire pourraient modifier nos idées sur plus d’un point fondamental ; elle a donné aussi une vive impulsion à une théorie dont nous allons parler dans un moment, celle des électrons.

Pour ce qui concerne les applications, les corps radiants sont des auxiliaires utiles dans les laboratoires de physique. Leur propriété de rendre l’air conducteur de l’électricité est déjà fréquemment utilisée; on peut aussi faire des radiographies en utilisant ces corps. En chimie, les études à faire sont nombreuses : le radium provoque des actions chimiques énergiques, comme la transformation du phosphore - blanc en phosphore rouge. Enfin, des applications industrielles sont à prévoir. On pourrait, par exemple utiliser un jour, pour l'éclairage, une substance aussi spontanément lumineuse que le radium ; une révolution se prépare peut-être ainsi dans les moyens d'éclairage. On mesure le progrès qui se trouverait réalisé quand on pense qu'aujourd'hui nous ne savons mettre en mouvement l’éther, pour produire des vibrations lumineuses, qu'en chauffant des corps matériels, ce qui ne donne, en énergie utilement rayonnée, qu’un rendement très faible. Toutefois, la production de lumière sans chaleur jusqu'ici réalisée seulement, semble-t-il, par certains insectes ne serait pas réalisée par le radium, comme on avait pu l'espérer un moment, puisqu'un gramme de

LA PHYSIQUE DE L'ÉTHER 171 radiüm émeêt par heure, d’après Curie, cent calories. La rareté et le prix élevé du radium rendent d’ailleurs impraticable actuellement les applications, en dehors de celles qui touchent à la médecine.

On parle beaucoup, depuis quelque temps des électrons ét de la mécanique à laquelle conduit leur théorie. Il n’est pas facile en quelques lignes de faire comprendre en quoi consiste cette mécanique nouvelle, où il est question dé masse dépendant de la vitesse et où on discute si cette masse est tout entière d’origine électro-magnétique. Reprenons la particule électrique du tube’de Crookes et regardons-la comme se mouvant dans l’éther immobile. On sait que dans celui-ci les composantes de la force électrique et de la force magnétique en châque point

satisfont aux six équations de Hertz, ét l’énergic électro-magnétique pour une variation du champ est posée égale à la variation d’une certaine intégrale triple étendue à tout l’espace, intégrale où figure la somme des carrés des six composantes des chämps électrique ét magnétique. Rappelons-nous aussi que, conformément à l'expérience célèbre de Rowland, un corps électrisé en mouvement crée un champ magnétique, de telle sorte que le mouvement de la particule va modifier l’état de l’éther; ces variations pourront être étudiées en se servant des équations de Hertz. Si le mouvement de la particule est uniforme, les variations se réduisent à un {ransport de même direction et à un sillage électromagnétique

accompagnant le point. Il n’y a pas alors de variation dans l'énergie telle qu’elle a été définie plus haut; mais la creation du sillage exige une certaine quantité d'énergie, différence entre l’énergie électromagnétique totale du sillage et l’énergie électrostatique de la particule au repos. Or, dans le cas d’une particule sphérique, le calcul donne pour cette quantité d'énergie une formule simple où figurent la charge électrique e, le rayon de la sphère, et le rapport de la vitesse v de la particule à la vitesse V de la lumière. Si ce rapport est petit, la formule peut être réduite à son premier terme qui est de la forme mvw°. On a alors une énergie cinétique de même forme que dans la mécanique classique; le coefficient m que l’on peut appeler la masse électromagnétique, s'exprime à l'aide de la charge e, du rayon de la sphère et de la vitesse de la lumière V.

Quand le rapport + n’est pas très petit, on peut

toujours mettre l'énergie sous la forme mv?, mais alors m dépend de la vitesse v, et la formule montre que m grandit indéfiniment à mesure que v se rapproche de V. Il semble que nous soyons bien loin des substances radio-actives avec ces considérations, où les équations différentielles de Hertz jouent un rôle peut être trop grand pour plus d’un lecteur. Nous avons dit plus haut qu’au moyen des déviations . des rayons cathodiques dans un champ électrique et dans un champ magnétique, on avait pu mesurer la

LA PIIYSIQUE DE L'ÉTHER TS . ; e i vitesse v de la particule et le rapport — de sa charge m

à sa masse. D'ailleurs dans ce calcul on s'appuie sur les formules ordinaires de la mécanique, les forces provenant des lois classiques de l'électricité ct du magnétisme. Les substances radio-actives. comme le radium, permettent de refaire avec les rayons Ê les mêmes expériences dans des conditions plus larges, notamment avec des vitesses v beaucoup plus grandes. Comme la charge e est invariable dans toutes les expériences, ou du moins est regardée non sans raisons comme telle, on a pu comparer les variations des valeurs de m résultant des expériences précédentes avec celles que donne la formule théorique dont j'ai parlé tout à l'heure; la concordance est satisfaisante, et c’est ainsi qu'on a conclu que l’inertie de la particule est tout entière d’origine électro-magnétique. Il est permis de garder peut-être quelque doute à l'endroit de ce résultat, les expériences étant loin d’avoir, surtout quand » se rapproche de V, la précision que l’on exige en physique sur des points qui touchent aux principes fondamentaux de la science. Admettons-le toutefois, avec d'éminents physiciens. Ce que nous avons appelé jusqu'ici du mot un peu vague de particuie, a done une masse tout entière d’origine électromagnétique : c’est un atome d'électricité, un électron; il s’agit ici d’électron négatif. On n’a pas de renseignements précis sur les particules positives qui

174 LA SCIENCE MODERNE ET SON ÉTAT ACTUEL transportent les rayons « du radium; y a-t-il des électrons positifs, de masse purement électromagnétique? C’est à quoi on ne peut répondre actuellement. :

Je suis loin d’ailleurs d'avoir effleuré toutes les questions qui se posent dans cette nouvelle mécanique. J’ai parlé simplement de la masse ; il faudrait distinguer une masse longitudinale et une masse transversale, mais celle-ci intervient seule jusqu'ici dans les conditions expérimentales habituelles. Ne nous troublons pas trop d’ailleurs de ce que la masse varierait avec la vitesse; jusqu’à cent mille kilomètres par seconde, cette variation serait négligeable, et ce n’est pas là une vitesse courante dans la mécanique appliquée.

Quoiqu'il en soit, une théorie de la matière, sinon entièrement nouvelle, du moins orientée d’une manière plus précise à été édifiée récemment en prenant pour base la considération des électrons. On y conçoit la matière comme constituée d’électrons positifs et d'électrons négatifs; elle devient ainsi de l’électricité en mouvement. Il serait prématuré d'émettre un pronostic sur l’avenir de ces vues hardies 1, qui choquent d’autant plus certaines personnes qu’elles croient mieux connaître la matière que lélectricité. |

4. On trouvera des vues plus hardies encore dans le volume de Gustave Le Bon, paru dans cette collection, sur l'Évolufion de la Malière, où on voit la matière se résoudre en éther par dissociations atomiques.