METHODE DE J

a, en effet, conduit à cette conclusion importante que la charge électrique de chaque ion est sensiblement égale à celle qu'ont les ions dans l'électrolyse. Mais avant qu'on arrivât à ce résultat, M. J.-J. Thomson (^) avait mesuré directement la charge de chaque ion dans un gaz par une méthode vraiment géniale, dont nous allons essayer de donner une idée.

Lorsque l'air saturé de vapeur se détend brusquement, une partie de cette vapeur se condense en jjrouillard par suite du refroidissement qui accompagne la détente, et chaque gouttelette a généralement comme noyau une parcelle de la poussière en suspension dans l'atmosphère. Il semble, en effet, que la condensation de la vapeur nécessite la présence de corps très petits, et qu'elle commence à se produire précisément à leur surface, dont le rayon de courbure est certainement très petit ; quoiqu'il en soit, il est certain que la présence de ces corpuscules active et favorise la liquéfaction de la vapeur. Si, en effet, la poussière est éliminée avec soin, la formation du brouillard nécessite une détente de l'air humide plus forte que celle nécessitée dans le premier cas.

M. G.-T.-R. Wilson (^) a, d'autre part, démontré qu'un gaz contenant des ions se comporte comme de l'air contenant des poussières, de sorte que les ions eux-mêmes fonctionnent comme noyaux de condensation de la vapeur. Et, en vérité, une détente de l'air à l'état ordinaire, trop faible pour que le brouillard puisse se produire, peut devenir suffisante pour faire condenser la vapeur lorsque l'air est ionisé, au moyen d'un faisceau de rayons X, par exemple.

(1) J.-J. Thomson. — P/iil.-Mag., p. 529, décembre 1898.

(2) G.-T.-R. Wilson. — P/uL Trans., p. 26.5 (1897).

Le fait suivant confirme que c'est bien la présence d'ions qui change la manière de se comporter du gaz ; en éliminant en eflet les ions au moyen d'un courant électrique traversant le gaz, on remarque immédiatement que la formation du brouillard est de nouveau retardée, et qu'elle exige de nouveau une détente plus forte.

L'appareil imaginé par M. J.-J. Thomson est quelque peu compliqué ; mais ses parties essentielles sont les suivantes : un récipient contenant de l'air humide possède à son intérieur deux conducteurs métalliques disposés l'un au-dessus de l'autre, horizontalement. Le conducteur supérieur, qui peut servir de couvercle au récipient, est généralement constitué par un disque mince d'aluminium et il est mis en communication avec le sol ; le conducteur inférieur, qui peut être constitué par la masse d'eau servant à maintenir saturé de vapeur l'air environnant, est en communication avec un électromètre. Au moment opportun, on ionise l'air en faisant entrer dans le récipient à travers la lame d'aluminium soit des rayons X, soit des rayons émis par un corps radioactif.

On peut encore introduire des ions dans le récipient en chargeant négativement le conducteur inférieur et en y dirigeant un faisceau de lumière ultraviolette. Dans ce dernier cas, le disque d'aluminium est remplacé par une toile métallique, le récipient est fermé au moyen d'une lame de quartz, et le conducteur est constitué par une plaque métallique, en zinc par exemple.

Dans une première phase de l'expérience, on mesure la quantité d'électricité qui passe pendant l'unité de temps d'un conducteur sur l'autre,' c'est-à-

METTHODE UE J.-J. THOMSON

dire l'intensité du courant qui traverse l'air ionisé.

Cette quantité se calcule en multipliant la diminution de potentiel pendant l'unité de temps, déduite de ladiminution de la déviation électrométrique, parla capacité du système formé par le condensateur inférieur et par l'électromètre. Mais, d'autre part, ce courant est dû au mouvement des ions sous Faction du champ électrique existant entre les deux disques. Et, supposant connus ce champ ainsi que le nombre d'ions existant dans l'unité de volume, la charge de chacun et la vitesse avec laquelle ils se transportent d'un disque à l'autre, cette intensité du courant peut être calculée. En égalant les deux valeurs, on obtiendra une équation contenant, outre les données numériques résultant dii'ectement des mesures, le nombre des ions, leur charge et leur vitesse (').

INlais la vitesse des ions dans un champ électrique d'intensité donnée a été mesurée, et elle est bien connue ; pour arriver à la détermination de la charge des ions, il ne reste donc plus qu'à déterminer leur nombre par unité de volume.

Pour effectuer cette mesure, on passe à la seconde partie de l'expérience. Une détente convenable ayant déterminé la production du brouillard, il suffira

(']. — Soit E l'intensité du champ entre les deux disques, N le nombre des ions par cmc., f la vitesse des ions dans un champ d'intensité 1, e la charge de chacun, A la surface des disques ; l'intensité du courant allant d'un disque à l'autre aura jjour valeur N t- E e A.

Soit G la capacité du disque isolé, P la diminution de son potentiel pendant l'unité de tem^ps ; l'équation dont on parle dans le texte est N i^ E e A = G P.

En mesurant E, A, G, P, et attribuant à f la valeur donnée par des expériences spéciales qui furent faites par Rutherford pour déterminer cette vitesse (480 cm. dans le cas des ions produits dans l'air par les rayons X), il ne reste plus comme inconnues que N et e ; N sera mesuré par la méthode décrite ci-dessus dans le texte.

112 MASSE, VITESSE ET CHAnGE DES ELECTRONS

ensuite de compter par un procédé quelconque les gouttelettes d'eau qui le forment pour que le but proposé soit atteint. En admettant, en effet, que chaque ion soit un noyau d'une de ces gouttelettes, le nombre de ces dernières sera égal au nombre d'ions. Pour évaluer le nombre de gouttelettes, il suffit de diviser leur masse totale par la masse de chacune d'elles. La masse totale se calcule en se basant sur la mesure de la température minima atteinte par l'air au moment de la détente et sur la température de cet air après la formation du brouillard {*] ; la masse de chaque gouttelette se déduit de son diamètre, et celui-ci de la vitesse avec laquelle descend le bord supérieur du brouillard, toujours assez nettement visible.

Et il est naturel qu'il existe une relation entre le diamètre d'une sphère et la vitesse avec laquelle elle tombe. Si tous les corps tombent dans le vide avec la même vitesse, il n'en est plus de même, en effet, dans l'air dont la résistance ralentit plus ou moins leur mouvement. Dans le cas d'une sphère, ce ralentissement est d'autant plus grand qu'elle est plus petite. En effet, le poids est proportionnel au volume et par suite au cube du rayon de la sphère, alors que la résistance opposée par l'air est proportionnelle à sa surface et par suite au carré de son rayon ; donc, pour une diminution de ce dernier, le poids diminue plus rapidement que la résistance de l'air. C'est la raison connue pour laquelle les corps réduits en

(1) Soient i et t' ces deux températures, C la chaleur spécifique de l'air à volume constant, L la chaleur latente d'évaporation de l'eau, M la masse de l'air par unité de volume, et y la masse de vapeur condensée; on a :

Lq ^ CM {t' — t).

MÉTHODE DE J.-J. THOMSON ll3

petits fragments, comme les poussières, poudres inpalpables, et les petites gouttes, tombent très lentement au point de paraître immobiles.

La détermination du diamètre des gouttes d'eau est efifectuée au moyen d'une formule (^) où entrent le diamètre, la vitesse de chute des gouttelettes et la viscosité du milieu dans lequel ces dernières se meuvent. Ce diamètre une fois calculé, l'on a immédiatement, d'après le procédé décrit, le nombre des ions, et finalement la charge de chacun.

Le résultat final auquel parvint J.-J. Thomsom après une série d'expériences faites sur l'air ionisé par les rayons X, fut que la charge de chaque ion était (en unités électrostatiques) 6,5 X 10"^^ c'est-àdire 0,000.000. 000. 65. ,

Dans une autre série d'expériences exécutées en recourant à l'action des rayons ultraviolets sur le zinc cette charge fut trouvée égale à 6,8 y< 10~^^; assez peu différente, par conséquent, de la précédente valeur.

Plus tard cependant J.-J. Thomson (^) reconnut que ces résultats devaient être corrigés. On a, en effet, constaté que les ions négatifs exigent, pour que la vapeur se condense autour d'eux, une détente plus faible que la détente minima nécessitée pour les ions positifs ; il est donc probable que dans les expériences décrites ci-dessus, peu de ces derniers étaient entrés en action. Et Ton sait maintenant qu'en augmentant brusquement le volume de l'air

(1). — Soit f la vitesse de chute d'une gouttelette, r son rayon, y le coefficient de viscosité de l'air et ^l'accélération de la pesanteur, nous avons 9 y-Y = 2 g r'^

Pour l'a'ir //- = 0,000 18.

(2) J.-J. Thomson. — Pha. Mag. p. 346 (mars 1903).

Il4 MASSE, VITESSE ET CHARGE DES ÉLECTRONS

humide dans le rapport de 1 à 1,25 les ions négatifs fonctionnent seuls comme noyaux de formation de gouttelettes d'eau, et c'est seulement quand la détente est dans le rapport de 1 à 1,31 que les ions positifs commencent à prendre part au phénomène.

De nouvelles expériences, dans lesquelles on a tenu compte de ce fait, ont conduit au résultat plus précis de 3,4 X 10~^*^ unités électrostatiques comme charge d'un ion.

Peu après, de nouvelles recherches sur le même sujet furent instituées par M. H. -A. Wilson (^) en se servant d'une méthode un peu différente, mais qui a l'avantage de ne pas rendre nécessaire l'évaluation du nombre d'ions existant dans l'air traversé par les rayons de Rôntgen,

Ici encore, au moyen d'une brusque détente de l'air, l'on fait condenser la vapeur d'eau en gouttelettes dont chaque noyau est constitué par un ion ; mais le brouillard se produit entre deux disques métalliques parallèles. Quand ces disques sont électrisés d'électricités contraires, la vitesse de chute des gouttelettes est diminuée ou augmentée, suivant la direction de la force électrique, par rapport à celle qu'elles possèdent quand il n'existe pas de champ électrique entre les disques métalliques. En mesurant ces vitesses de chute on a tout ce qui est nécessaire pour calculer la charge d'une goutte. (^)

(1) H.-A. WiLSON. — Phil. 3Iag., p. 429 (avril 1903).

(2) Soient Cj et t>2 les vitesses de chute des gouttelettes respectivement quand il n'existe pas de champ électrique et quand ce dernier existe et accélère la chute ; soit X l'intensité du champ électrique, e la charge d'un ion, ?ti la masse d'une gouttelette, g l'accélération due à la pesanteur. L'on a évidemment,

m g Co = {m g +. X e) r^i ;

MÉTHODE DE C.-T.-R. WIl.SON ll5

Sans entrer dans les détails de ces ingénieuses expériences, nous ferons remarquer seulement qu'elles confirment une circonstance déjà notée par J.-J. Thomson, à savoir que si l'intensité des rayons X adoptés pour ioniser l'air est as«ez forte, plusieurs ions, au lieu d'un seul, peuvent s'associer pour constituer le noyau d'une même goutte. Dans ce cas, la charge delà goutte est double ou triple, etc., de celle appartenant à une goutte dont le noyau n'est constitué que par un seul ion. L'exactitude de cette manière de voir est pleinement confirmée par les expériences de C.-T.-R. Wilson, car, dans ces expériences, le brouillard à peine formé se sépare en plusieurs strates horizontaux descendant avec des vitesses différentes. Ces strates sont évidemment constitués par des gouttelettes ayant pour noyau un simple ion pour le premier strate, deux ions pour le second strate et ainsi de suite.

Il est clair qu'en tenant compte de ce fait, la mesure de la vitesse de chute de l'un quelconque de ces différents strates, nous permettra encore de calculer la charge d'un ion.

Le résultat obtenu par Wilson est exprimé par le nombre 3,1 XiO"**^, assez peu différent de celui de Thomson. Cette valeur coïncide presque avec celle de la charge de l'ion électrolytique d'hydrogène, si

Or, 9 //. f' = 2 g 1-2 (voir pag-e 113)

En éliminant donc m entre cette relation et la relation précédente, il vient

e = 3,14 X 19-9 X I {v.,-v^] v'^ relation qui nous permet de calculer e en fontcion de X, Vi et v^.

Il6 MASSE, VITESSE ET CHARGE DES ÉLECTRONS

l'on adopte comme masse de ce dernier la valeur que fournit la théorie des gaz.

Les coïncidences numériques que la théorie tait prévoir sont donc vérifiées expérimentalement dans les limites que l'on peut raisonnablement exiger dans ce genre de recherches