A TRAVERS LES GAZ

Par J.-J. THOMSON.

Traduit de Fanglais par M. MOULIN.

Philosophical Afagazine, 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 Rimtgen, la radiation de Turanium et des autres substances radioactives, Taction de la lumière ultra- violette sur les métaux, les filaments incandescents, etc. Cepen* dant, en plus de ces cas, nous avons une série très importante de phéaomènes 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 Id force due à une charge atomique agissant à la distance atomique. *^ans mes Récent Researches, j'ai indiqué que, sous l'action du 'harap électrique, quelques molécules formeraient des agglomérations ^ngues et étroites, comme le feraient la fumée et la poussière dans ^s mêmes conditions : ces agglomérations, étant des corps de pouvoir ^ducteur spécifique plus élevé que le milieu qui les entoure, agi- "^ient sur les lignes de force comme des conducteurs longs et pointus '( produiraient, par conséquent, une grande concentration des lignes *e force sur l'extrémité de l'agglomération. De la sorte, le champ élec- ^ique maximum serait énormément plus grand que le champ élec- ^que moyen qui est tout ce que nous pouvons mesurer. Depuis

que ceci a été publié, de nombreuses recherches ont été faites, qui ont prouvé que, lorsque des particules électrisées se meuvent à tra\ers 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 el, d'après notre théorie, la conductibilité du gaz est due à la production d'ions. J'ai montré encore (PhiL Mag,, oct. 1897) que le passage des rayons cathodiques à travers un gaz !'ionisait. Ainsi nous avons la preuve que, au moins dans certains cas. le mouvement des corpuscules à travers un gaz peut l'ioniser. Cette hypothèse que le mouvement des ions à travers un gaz peut l'ioniser est confirmée par les expériences de Stoletow {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 éclairé par la lumière ultra- violette, croit 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 dans 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 ou corpuscules sont aptes, par collision avec les molécules voisines, à produire d'autres ions et d'autres corpuscules. Cette dissociation peut être due directement au choc ou, indirectement, à des rayons analogues aux rayons Rfintgen produits par le choc. Prenons le cas d'un gaz dans lequel sont disséminés quelques ions; si l'énergie ou la vitesse communiquée par le champ électrique à ces ions dépasse alors une certaine valeur critique, chacun des ions primitifs produira d'autres ions, et ces nouveaux ions donneront naissance à d'autres, de sorte que le nombre d'ions et la conductibilité du gaz augmenteront 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 PRODrCTION DES IONS DANS LA DÉCHARGB DE l'rLECTRICITÉ. 857

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

Si rintensité 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^auraît 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 déchaîne à travers un gaz.

LVnergie cinétique maxima fournie par le champ sur un ion sera mesurée par le travail eflectué 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 le choc la diminuera après. Ainsi, si A est le chemin libre moyen, rënei^ie cinétique, fournie par le champ à l'ion, sera mesurée par FeÀ, 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 la nature du gaz. Alors, la condition pour que la décharge ait lieu est Ye\ = 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, Â 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

(îr^ n gaz à pression élevée.

La théorie explique facilement pourquoi il faut un champ plus mtense pour faire passer une étincelle à travers une mince couche de gaz 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 <^hoc,.que la couche soit assez épaisse pour, absorber la radiation;

mais, dès que l^épaisseur de la couche devient comparable au chemiB libre moyen d^un ion, la probabilité d'un choc contre une molécule, avant que les ions aient atteint Tëlectrode, diminuera rapidement, de ] sorte que Faptiludedes ions en mouvement à produire la dissociatioft diminuera rapidement quand Tëpaisseur 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 i augmenter, soit encore grande par rapport au chemin libre d'une molécule se mouvant dans le 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 décharge électrique.

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

Considérons maintenant les phénomènes plus complexes qui accompagnent 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, l'ionisation 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 ou quelques autres centres d'ionisation qui produisent les ions qui sont amenés en A par le champ. Dans le Philosophical Ma^srazinef àe 1899, j'^' 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 étude 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 mutuelle-

( ' ) W. Linss, Meteor. Zeits., t. IV, 1887, p. 352.

(') Terrestrial MagnetUm and Atmaspheric Electricity, t. IV, 1899, P* ^*^-