PAR LES CHOCS DES IONS CHARGÉS NÉGATIVEMENT

Par John-S. TOWNSEM).

Traduit de l'anglais par H. MOULIN.

Philosophical Magazine, i. I, 1901, p. 198 à 227.

I. Dans une Note publiée dans Nature (Vol. LXU, 9 août 1900) j'ai décrit brièvement quelques expériences qui montrent que les ions chargés négativement peuvent produire d^autres ions en se déplaçant à travers un gaz, bien que le champ qui agit sur eux soit très petit par rapport au champ nécessaire pour produire les décharges qu^on observe d'ordinaire dans les tubes à vide ou les étincelles. La présente Noie contient un exposé plus complet des principales expériences, et de quelques recherches basées sur la théorie à laquelle m'ont conduit les résultats expérimentaux.

Dans toutes les expériences que nous allons décrire ici, un certain nombre d'ions sont produits dans le gaz par quelque source extérieure, telle que rayons Rnntgen ou Becquerel. La conductibilité produite par ces rayons a été étudiée par divers physiciens, qui ont trouvé qu'elle tend vers un maximum quand le champ électrique augmente. Ainsi, dans la Note qu'ils ont publiée sur ce sujet, les professeurs J.-J. Thomson et E. Rutherfôrd ( * ) ont établi que, « pour une intensité donnée de la radiation, le courant à travers le gaz ne <iépasse pas une certaine valeur maxima, quelle que soit la force élec- Iroraotrice ».

De nombreuses expériences ont été faites également avec des élecirodes de différentes formes, et ont montré que la conductibilité ne change pas quand on renverse le champ.

(') Professeurs J.-J. Thomson et Ruthsrford, Pkil. Mag„ novembre 1896.

D'après les expériences décrites dans la présente Noie, on verra que la relation entre le courant et la force électromotrice né présente plus ces propriétés quand la conductibilité est produite dans un gaz à basse pression. Il n'existe ni pression ni force électromotrice critiques pour lesquelles une discontinuité se présente, et, quand on réduit la pression, la relation entre le courant et la force électromotrice perd graduellemeiit les caractères simples qu'elle possédait aux pressions élevées.

Aux basses pressions, on peut considérer le courant comme passant par trois phases quand on augmente la force électromotrice. Dans la première phase, le courant croît avec la force électromotrice; dans la deuxième, le courant reste pratiquement constant et présente seulement de petites variations pour des variations relativement grandes delà force électromotrice; dans la troisième, le courant croît rapidement avec la force électromotrice. De plus, avec des électrodes de certaines formes, on peut avoir une grande difl'érence de conductibilité en renversant la force électromotrice. Ceci est particulièrement notable quand le courant passe entre deux électrodes dont l'une entoure l'autre; mais, quand on emploie des plateaux parallèles, la conductibilité présente seulement de faibles changements lorsqu'on inverse le champ. Dans ce dernier cas, il n'y aurait aucun changement si les plateaux étaient de même métal. Nous commencerons donc par décrire la nature de la conductibilité entre deux plateaux parallèles dans un gaz à basse pression.

2. L'appareil employé pour ces recherches est représenté par la figure 1 . Il consistait en deux plateaux parallèles placés à l'intérieur d'un récipient étanche en relation avec une pompe de Topler. Le plateau inférieur était une épaisse plaque de zinc percée d'une fenêtre circulaire W couverte d'un disque d'aluminium mince, le joint entre le zinc et^ l'aluminium étant mastiqué avec de la glu élastique pour en assurer l'étanchéité.

Une feuille d'aluminium fut étendue sur la surface du plateau de zinc pour que la surface en regard du plateau de laiton mobile B soit plane. Le tube T, par lequel on faisait le vide dans l'appareil, était soudé au dos du plateau de laiton.

Le plateau B avait lo*^" de diamètre et l'ouverture circulaire avait 4^° de diamètre.

La tubulure de la cloche de verre C couvrant l'appareil était fermée par un bouchon d'ébonite traversé par un tube de laiton U et Ton

rendit étanche le joint enlre le tube et Tébonite. Le tube T rentrait exactement dans le tube U et pouvait y glisser verticalement, ce qui permettait de faire varier la distance entre les plateaux; une échelle S,

gravée sur le tube T, permettait de déterminer la distance entre les plateaui. Un morceau de tube de caoutchouc était disposé en haut du tube U et empêchait l'air de rentrer dans Tappareil en passant ^ntre les deux tubes.

La pression du gaz à Tinlérieur de l'appareil était mesurée avec «ne jauge de Mac Leod.

Les connexions électriques étaient faites à la manière habituelle. Le plateau de zinc A, supporté par des cales d'ébonite, était relié à lune des extrémités d'une batterie d'accumulateurs dont l'autre ^itrémité était au sol. Le plateau supérieur B était relié par Tinter- *ïiédiaire du tube T à l'une des paires de quadrants d'un électromètre dont l'autre paire de quadrants et la cage étaient au sol. Le fil reliant •ctubeT aux quadrants passait au centre d'un tube de laiton relié au solformant écran pour le fil.

Des bandes de papier d'étain, collées autour de la cloche de ^c*te C, intérieurement et extérieurement, étaient maintenues au potentiel zéro par des connexions avec le sol. Le bord inférieur des

bandes était à 2^"^ du plateau de zinc, de telle sorte qu^aucune charge ne pouvait fuir du plateau A sur la surface du verre et par suite iii« fluencer le potentiel du plateau supérieur et du tube T.

Les cales d'ébonite supportant l'appareil reposaient sur une boîte recouverte de plomb, contenant un tube focus à rayons de Rontgen et une bobine de Ruhinkorff. Une ouverture circulaire était percée dans le plomb et le tube placé de façon que Tanode de platine soit sur la verticale du centre de l'ouverture.

Les rayons traversaient Tespace compris entre les deux plateaux au-dessus de la fenêtre d'aluminium, et le disque isolé B, en laiton épais, empêchait la radiation de pénétrer dans la partie supérieure de l'appareil. En même temps le plateau de laiton donnait une radiation secondaire qui augmentait considérablement l'ionisatio n entre les plateaux.

3. Les expériences furent conduites de la manière suivante : le fil reliant le plateau supérieur aux quadrants était mis au sol et le plateau inférieur était porté au potentiel voulu; le plateau supérieur était alors isolé. On observait la déviation produite par les rayon^ agissant pendant 10 secondes. L'électro mètre ne présentait aucun^^ fuite avant le fonctionnement du tube et, après l'arrêt des rayons, 1^ déviation de l'électromèlre restait parfaitement fixe, ce qui indiqu»»^ que le courant ne continuait pas à passer lorsque les rayons avaies:»^ cessé d'agir.

La relation entre le courant et le champ électrique fut alors déte«"' minée pour différentes pressions et les nombres obtenus sont représentés graphiquement dans les figures 2 et 3 (* ). Le courant varie Légèrement quand on renverse le champ : c'est la moyenne des de^-*^ courants obtenus qui est représentée sur les courbes. La différeiB.ce de conductibilité, généralement faible, aurait pu être supprimée f>^^ remploi de deux plateaux d'aluminium, mais l'avantage qu'on en attirait alors tiré n'aurait pas compensé la diminution de conductibilité provenant du grand effet secondaire dû au laiton

Trois séries d'observations ont été faites à chaque pression pour des distances de o'"*, 5, 1*^" et 2*^'" entre les plateaux. Les courbes correspondant à ces distances sont marquées respectivement o,5, i et a. Les champs X sont donnés en volts par centimètre [(potentiel de A) : (distance des plateaux)]. L'unité de courant est de i ,4 X lo""*' am-

(') Figures a et 6 du Mémoire.

CONODCTtBILITB fHODUITK DANS LES GAZ I

t LKS CHOCS DKS lONS-

père. Les courbes n'ont pas été tracées à partir de l'origine, car nous Déconsidérons, pour le moment, que la relation entre le courant et le champ électrique quand la différence de potentiel entre les électrodes dépasse lo à 20 volts. Les courbes montrent que le courant

Klg. I.

firvssioti 4,13'"-"

'^'"oit, quelquefois très rapidement, lorsqu'on a dépassé la seconde pé- ''lode (au sujet de laquelle j'ai donné des références).

Ces résultais expérimentaux s'expliquent complètement si nous '"emarquons que tous les ions produits par les rayons, y compris les Savons secondaires, sont recueillis par les électrodes quand le cliamp Cst petit (et le courant ne dépend pas pratiquement du champ), et ^ue les ions négatifs en produisent d'autres, par collision avec les >tiol<'-cules du gaz, quand le champ augmente : les nouveaux ions négatifs ainsi produits ayant la même propriété que les ions négatifs initialement produits parle rayonnement.

Si les deux espèces d'ions, positifs et négatifs, en produisaient d'autres à la suite de leurs chocs avec les molécules, il est évident

que le courant ne cesserait pas quand on supprime les rayons. Nous devons donc attribuer l'augmentation de conductibilité aux ions d'une seule espèce; et l'on peut montrer clairement par des expériences, faites en plaçant l'une des électrodes à l'intérieur de l'autre, que ce

Fig. 3.

mm

lao

Pression OJ/r-

Vo/ts par centimètre.

sont les ions négatifs qui produisent la grande augmentation de conductibilité observée ( ' ).

4. Le premier pas à faire vers une explication de ces résultats est de chercher, d'après les courbes, le nombre a d'ions d'une seule espèce qu'un ion négatif produit en se déplaçant sous l'influence d'un champ électrique à travers i*^'" de gaz. Le nombre d'ions positifs qui sont produits est égal au nombre d'ions négatifs, de sorte que, dans ce qui va suivre, nous n'aurons besoin de considérer que le nombre d'ions négatifs^ sous-entendant que lorsqu'un ion négatif est produit un ion positif est aussi produit.

Supposons qu'un champ X agisse sur Nq ions négatifs dans un gaz à la pression /> et à la température /. Soit N le nombre total

(') Voir le Mémoire ullérieur de P.-J. Kirkby.

CODICTIBILITÉ t*RODLITE DANS LES GAZ PAR LES CHOCS DES IONS. 887

(fions négatifs lorsque les No ions ont parcouru une distance x. Les nouveaui ions se déplacent avec la même vitesse que les No primitifs, de sorte que tous les ions négatifs se trouveront ensemble pendant leur déplacement. Le nombre d'ions négatifs produits par N ions se (léplaranl d'une distance dx sera aN dx^ % étant une constante ilépendant de X, p et l.

Nous aurons alors

d'où

N =Nûe*-^.

Soient n^l ions négatifs distribués uniformément entre deux plateaux distants de /, et soit X le champ qui leur est appliqué. Le nombre d'ions, C, qui arrivent au plateau positif est

G= r n^z'^dx^ ^^(6»/—!), et le rapport de ce nombre au nombre d'ions primitif est

Si Cfl est le nombre d'ions produits par les rayons primaires et secondaires, le courant total dans le gaz est

C4, courant lorsque aucun ion n'est produit par chocs, est représenté pour chaque courbe par l'ordonnée (^y) du point pour lequel la tani?ente à la courbe devient pratiquement parallèle à l'axe des X.

G Le rapport -^ est donc fonction de / et, par un calcul simple, on

peut montrer que Téquation (2) rend tout à fait compte de la forme dci» trois courbes dans chaque diagramme. La valeur de a peut se dé-

G terminer en substituant le rapport p- trouvé expérimentalement et la

dislance des plateaux / dans l'équation (2).

Les petites valeurs de a sont déterminées avec une grande exactitude d'après les courbes correspondant à /= » ; mais, dans les Tableaux suivants, quelques-unes de ces valeurs ont été obtenues d'après deux courbes et l'accord entre ces nombres montre que l'elFet de l'écartement des plateaux est complètement expliqué par la théorie. Les

Tableaux donnent les valeurs de a pour les différentes valeurs du champ X; les déterminations faites d'après les courhes correspondant à des distances entre les plateaux de a*^", i et o'^*°,5 sont données respectivement dans la deuxième, la troisième et la quatrième colonne. Vn Tableau spécial est donné pour chaque pression.

Tableau

Pression : 4""",

Calculé

lao

Tableau V.

Pression : o""", 171.

CalcuN

If

Jt , 2 3

Les nombres de la cinquième colonne de ces Tableaux ont été calculés par la méthode indiquée dans le paragraphe 7.

5. Nous pouvons maintenant chercher la relation qui existe entre a, p et X, la température étant constante.

Soit f la vitesse acquise par un ion en se déplaçant librement entre deux points entre lesquels la dillérence de potentiel est P( volts). Soient e la charge d'un ion et m sa masse.

On a alors

e xP 3 00

CONDt'CTlBlLlTK PRODUITR DANS LKS GAZ PAR LES CHOCS DES IONS. H89

Soient n le nombre de molécules par centimètre cube d'un gaz à la pression atmospbérique (lo* en unités C.G.S.) et à la température de20"C. (qui était à peu près la température moyenne à laquelle les expériences ont été faites), et // la vitesse moyenne d'agitation d'une particule de masse m dans un gaz à la température de p.o".

La vitesse u est donnée par l'équation

(4) -/n/iM* = io*.

D'après les équations (3) et (4), nous obtenons

V* in X e X P . ^ .