A TRAVERS LES GAZ

Par J.-J. THOMSON.

Traduit de l'anglais par M. MOULIN.

Pkilosophical Magazine, t. L, 1900, p. 278 à 283.

Dans beaucoup de cas de décharges à travers les gaz, le champ n'a pas à fournir lui-même les ions, mais ces ions sont produits par des agents extérieurs, tels que les rayons de Rontgen, la radiation de l'uranium et des autres substances radioactives, l'action de la lumière ultra- violette sur les métaux, les filaments incandescents, etc. Cependant, en plus de ces cas, nous avons une série très importante de phénomènes qui comprend la décharge par étincelle et la décharge ordinaire dans les tubes à vide, pour lesquelles il n'y a aucune source extérieure efficace qui puisse produire des ions, de sorte que ceux-ci doivent, d'une manière ou d'une autre, provenir de l'action du champ lui-même. Il est très difficile de supposer que de simples molécules sont dissociées par la force électrique dans le champ, qui entraîne l'ion positif d'un côté et l'ion négatif du côté opposé. Pour ne mentionner qu'une de ces difficultés, la force électrique nécessaire pour produire la décharge est toujours excessivement faible par rapport à la force due à une charge atomique agissant à la distance atomique. Dans mes Récent Researches, j'ai indiqué que, sous l'action du champ électrique, quelques molécules formeraient des agglomérations longues et étroites, comme le feraient la fumée et la poussière dans les mêmes conditions : ces agglomérations, étant des corps de pouvoir inducteur spécifique plus élevé que le milieu qui les entoure, agiraient sur les lignes de force comme des conducteurs longs et pointus et produiraient, par conséquent, une grande concentration des lignes de force sur l'extrémité de l'agglomération. De la sorte, le champ électrique maximum serait énormément plus grand que le champ électrique moyen qui est tout ce que nous pouvons mesurer. Depuis

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que ceci a été publié, de nombreuses recherches ont été faites, qui ooi prouvé que, lorsque des particules électrisées se meuvent à traders un gaz, des ions sont produits dans certaines conditions, tout au moins si la particule est électrisée négativement. Ainsi Lenard montra que ses rayons rendent un gaz, au travers duquel ils passent, conducteur de Télectricité. Les rayons Lenard sont des particules électrisées négativement et, d'après notre théorie, la conductibilité du pi est due à la production d'ions. J'ai montré encore (PAiL Ma^„ oct. 1897) ^}^^ '^ passage des rayons cathodiques à travers un pi !'ionisait. Ainsi nous avons la preuve que, au moins dans certains cas, le mouvement des corpuscules à travers un gaz peut l'ioniser. Celle hypothèse que le mouvement des ions à travers un gaz peut l'ioniser est confirmée par les expériences de Sloletow {Journal de Physique^ t. IX, p. 4^8). Elles montrent que, pour un même champ électrique, le courant entre les deux plateaux, dont l'un est éclaire par la lumière ultra-violette, croît avec la distance des plateaux^ cet accroissement étant plus marqué quand la pression est faible. C'est à quoi l'on s'attendrait si les ions négatifs partant du plateau éclairé produisaient de nouveaux ions pendant leur passage à travers le gaz. L'idée que je désire avancer dans cette Note est que l'ionisation dan!» les cas ordinaires de décharge à travers les gaz est produite par le mouvement à travers le gaz d'ions ou de corpuscules toujours présents dans le gaz. Ces ions ou corpuscules sous l'action du champ électrique acquièrent de la vitesse et de l'énergie cinétique; et, quand cette vitesse ou cette énergie atteint une certaine valeur, qui peut ne pas être la même pour l'ion positif que pour l'ion négatif, ces ions on corpuscules sont aptes, par collision avec les molécules voisines, ï produire d'autres ions et d'autres corpuscules. Cette dissociation penl être due directement au choc ou, indirectement, à des rayons analogues aux rayons Rontgen produits par le choc. Prenons le cas d'un gaz dans lequel sont disséminés quelques ions; si l'énergie on la vitesse communiquée par le champ électrique à ces ions dépasse alor^ une certaine valeur critique, chacun des ions primitifs produira d'autres ions, et ces nouveaux ions donneront naissance à d'autre>. de sorte que le nombre d'ions et la conductibilité du gaz augmentenmt rapidement; ils iront en augmentant jusqu'à ce que la conductibilité du gaz atteigne une valeur telle que l'intensité du champ électrique soit réduite de façon à ce que le travail effectué sur un ion prenne la valeur critique; quand ce régime est atteint, chaque ion en produit un et seulement un autre, de sorte que le nombre des ions reste

LA PRODUCTION DES lOXS DANS LA DÉCHARGE DE l'ÉLECTRICITÉ. 857

constant, et le gaz atteint un état permanent quand il est traversé par la décharge.

Si l'intensité du champ avait été assez petite pour que le travail effectué sur un ion ne fût pas égal à la valeur critique, le nombre d'ions n'aurait pas augmenté et il n'y aurait eu aucune décharge à travers le gaz, à part la très faible fuite due aux ions primitivement présents dans le gaz. Ainsi, cette hypothèse explique comment un champ d'une intensité déterminée est nécessaire pour produire la décharge à travers un gaz.

L'énergie cinétique maxima fournie par le champ sur un ion sera mesurée par le travail effectué sur l'ion pendant son chemin libre, et, après le choc, la perturbation apportée dans l'énergie et dans la direction du mouvement est si grande, que le travail sera le même que si le champ recommençait à agir et, si la direction du mouvement est renversée, le champ qui accroissait l'énergie cinétique de l'ion avant ie choc la diminuera après. Ainsi, si A est le chemin libre moyen, l'énergie cinétique, fournie par le champ à l'ion, sera mesurée par FeA, e étant la charge de l'ion et F le champ électrique. La condition nécessaire pour que la décharge se produise est que l'énergie cinétique maxima soit égale k q^ q étant une quantité dépendant de ia nature du gaz. Alors, la condition pour que la décharge ait lieu est FeA=:y, de sorte que le champ électrique F, nécessaire pour produire la décharge, varie en raison inverse du chemin libre moyen des ions ou des corpuscules.

D'autre part, A est inversement proportionnel à la densité du gaz, de sorte que, d'après cette théorie, le champ électrique nécessaire pour produire la décharge serait, dans un même gaz, directement proportionnel à la densité du gaz, résultat qui est approximativement exact dans une grande étendue de pression. Ainsi, la théorie que nous avons donnée fournit une explication très simple de ce fait qu'il est plus facile de produire une décharge dans un gaz à basse pression que Cil.* n gaz à pression élevée.

La théorie explique facilement pourquoi il faut un champ plus intense pour faire passer une étincelle à travers une mince couche de g^az qu'à travers une couche plus épaisse, pourvu que l'épaisseur de la couche mince soit plus petite qu'une certaine valeur qui est inversement proportionnelle à la pression. Pour que les ions produisent la dissociation, il est nécessaire qu'ils puissent rencontrer les molécules du gaz, ou, si la dissociation est due à des rayons produits par le choc, que la couche soit assez épaisse pour absorber la radiation;

mais, dès que l'épaisseur de la couche devient comparable au chemin libre moyen d'un ion, la probabilité d'un choc contre une molëcale. avant que les ions aient atteint l'électrode, diminuera rapidemenU <Je sorte que l'aptitude des ions en mouvement à produire la dissoriatiofi diminuera rapidement quand l'épaisseur de la couche tombe audessous d'une certaine valeur. Bien que l'épaisseur de la couche, quand le champ nécessaire pour produire la décharge commence à augmenter, soit encore grande par rapport au chemin libre d'une molécule se mouvant dans ie gaz, elle ne l'est pas par rapport au chemin libre d'un corpuscule, c'est-à-dire d'un des petits ions qui ont été trouvés dans les rayons cathodiques et que nous supposons, avec raison, devoir jouer un rôle important dans tous les cas de déchar^ie électrique.

D'après cet exposé de la décharge électrique, la présence d'un petit nombre d'ions est nécessaire pour amorcer la décharge. Les exp^ riences de Linss (') et celles, plus récentes, d'Elster et Geitel î* . semblent montrer que de tels ions sont présents dans les gaz dans les conditions ordinaires; déplus, la première étincelle est d'allore beaucoup plus irrégulière que les suivantes, et ceci est d'accord a%ee l'idée que les conditions qui entraînent sa formation sont caprîciense* et toujours accidentelles.

Considérons maintenant les phénomènes plus complexes qui accoa»pagnent le passage de la décharge dans un gaz à basse pression. La production d'ions peut avoir lieu dans tout le tube ou être localisée dans certaines parties. Toutefois, il doit y avoir au moins deux endroits où l'ionisation se produit. En effet, dans cette théorie, Tionisâtion en un endroit A est produite par des ions amenés en A parle champ électrique, de sorte qu'il doit y avoir quelque autre centre oa quelques autres centres d'ionisation qui produisent les ions qui sont amenés en A par le champ. Dans le Philosophical MagcLziney de 1899, j'ai montré comment, de l'étude de la distribution du champ électrique dans un tube à décharge, nous pouvons déduire les positions des maximums d'ionisation; le résultat d'une telle élude conduit à cette conclusion qu'il y a un centre d'ionisation très près de la cathode et un autre dans la gaine cathodique.

Suivant les idées émises dans cette Note, ces centres forment, pour ainsi dire, des systèmes de reproduction d'ions dépendant mutuellc-

( ' ) W. L1N88, Meteor. Zeits., l. IV, iJ^S;, p. 352.

(') Ter restriai Magnetism and Atmospheric Electridty, t. IV, 1899, p. 21 3.

LA PROOrCTlON DES IONS DANS LA DÉCHARGE DE L'ÉLECTRICITÉ. 869

ment l'un de Taiitre, Tionisation dans la gaine négative étant due aux corpuscules venant du centre situé tout près de la cathode, alors que l'ionisation près de la cathode est due aux ions positifs qui viennent du centre situé dans la gaine. Cette hypothèse paraît en accord avec les expériences de Villard ('), dans lesquelles un écran placé entre la lueur négative et la cathode empêcherait l'émission de rayons cathodiques par la partie de la cathode protégée par l'écran.

Les corpuscules négatifs, partant de la cathode, ionisent le gaz au voisinage de la lueur négative, en produisant dans cette région un grand nombre d'ions; ceci donne à cette région une grande conductibilité électrique, et le champ électrique tombe conséquemment à une très petite valeur. Cherchons ce qui arriverait s'il n'y avait aucun centre d'ionisation entre la gaine cathodique et l'anode : le courant dans cette partie du tube serait transporté par les ions négatifs produits dans la gaine; une telle distribution d'ions dans le tube ferait croître le champ électrique quand nous approchons de l'anode, et, si cette augmentation du champ n'accroît pas l'énergie cinétique des ions au delà de la valeur à laquelle ils commencent à produire d'autres ions, le champ électrique augmentera constamment jusqu'à l'anode. Toutefois, si le champ électrique augmente d'une façon telle que l'énergie qu'il communique aux ions soit plus grande que l'énergie nécessaire pour produire d'autres ions par dissociation, des molécules qui l'entourent, de nouveaux ions seront alors produits dans la région où le champ électrique atteint cette valeur. Ceci augmentera la conductibilité du gaz et fera, par conséquent, diminuer le champ. Ainsi, après avoir atteint une certaine valeur, le champ diminuera et recommencera à augmenter après être tombé au-dessous de la valeur pour laquelle l'ionisation se produit. Si cela se répétait plusieurs fois avant que l'on atteigne l'anode, nous obtiendrions un champ électrique croissant et décroissant comme cela se produit dans la décharge striée. L'hypothèse que les stries consistent en une succession de couches de haute conductibilité due à l'ionisation du gaz par un champ électrique dépassant une certaine valeur, alternant avec des couches de gaz dans lesquelles le champ est trop faible pour produire rionisation, rend compte du fait que la distance entre les stries diminue quand la densité du gaz augmente et que la distance entre les stries, dans un tube de section variable, est plus petite dans les parties étroites du tube que dans les parties larges. Le champ élec-

(^) Villard, Journal de Physique^ janvier 1900.

86o THOMSON. — L4 PRODUCTION DES IONS DANS LA DÉCHARGE DR L'ÉLECTRiriTI.

trique dans la partie striée de la décharge est beaucoup plus petit qoe le champ au voisinage de la cathode et Ton peut objecter que^ si un tel champ est nécessaire pour ioniser le gaz au voisinage de la cathode. le champ, dans la décharge striée qui est plus faible, ne doit pe produire d^ionisation. On doit se rappeler, cependant, que fionisatioi à la cathode est produite par les ions positifs j alors que, dans le rest? du champ, elle peut être produite par les corpuscules négaiifsj eti) se peut très bien que les gros ions positifs soient moins efficace^ comme agents ionisants que les corpuscules négatifs.

SUR

UNE SORTE DE R4D1ATI0N FACILEMENT ABSORBABLE