LA FORMATION DES HAYONS CATHODIQUES

relier cet anneau à l'anode pour déterminer un resserrement immédiat du faisceau cathodique, et un accroissement correspondant de résistance ; on a réalisé ainsi, artificiellement, un tube dans lequel le potentiel est égal à celui de l'anode jusqu'au voisinage immédiat de la cathode, c est-à-dire un tube très résistant, comme si la raréfaction était poussée très loin Si, au contraire, on dérive sur cet anneau, sous forme d'aigrette, une partie de l'électricité négative qui arrive à la cathode, la résistance diminue immédiatement et la section d'émission augmente. On réalise ainsi un tube à résistance variable (^).

On peut analyser le phénomène précédent en disposant, devant la cathode, mais latéralement, une électrode auxiliaire, qu'on relie soit à une source électrique indépendante, soit simplement à Tun des pôles de la bobine de Ruhmkorff, avec intercalation d'une étincelle pour faire varier le potentiel. La

Fig. 38.

Fi g. 39.

présence d'une charge positive repousse la région démission et la déplace sur la cathode {^). Une charge négative produit l'effet inverse (fig. 38) (en même temps il y a déviation des rayons). On peut se contenter d'approcher de la cathode une

(1) Reprenant une idée de M. E. Wiedeniann iWieci. Annalen, t. LXIII. p. 262, 1897), M. A Wehnelt, dans un travail récent, admet que les parois voisines de la cathode se comportent comme des cathodes secondaires, et donnent un espace obscur qui opposerait une grande résistance au passage des rayons cathodiques. Ceux-ci ne pourraient par suite se former qu'au centre du tube. L'expérience de l'anneau montre que cette explication ne saurait être admise puisque c'est en reliant l'anneau a l'anode que le resserrement du faisceau est maximum.

(2) Des déplacements de ce genre ont été observés par E. Wiedemann et G. -G. Schmidt avec des électrodes extérieures. L'effet était momentané, le tube tendant toujours à faire écran. Wied . Annalen, t. LX, p. 5io (1897).

AFFLUX CATHODIQUE (j\

lame métallique reliée à l'anode ou à la cathode. Mais il faut faire l'expérience avec un tube peu résistant, sinon l'effet est très faible (phénomène d'écran produit par les parois) et de plus on s'expose à percer le verre.

La répulsion produite par une charge positive est également facile à constater au moyen d'une électrode E arrivant au centre de la cathode C par une petite ouverture pratiquée dans celle-ci (fig. 39). Si la cathode est concave, la région radiante est un anneau. Il suffit de relier l'électrode E à l'anode pour que le diamètre de cet anneau augmente immédiatement d'une quantité notable.

Afflux cathodique. — L'électrisation négative des rayons cathodiques ne rend évidemment pas compte des résultats précédents : on les explique au contraire sans difficulté en admettant que l'émission cathodique est alimentée par un afflux de matière chargée positivement, provenant des régions comprises à rintérieur de l'espace obscur. On explique en même temps l'observation faite par M. Schuster (^), qu'un objet placé dans l'espace obscur, porte une ombre sur la cathode.

Cet afflux cathodique, repoussé par les parois, se centre sur le tube si celui-ci est de révolution, ou, plus généralement, en reflète la symétrie. Sa presque totalité, exception faite de ce qui provient des régions très voisines de la cathode, constitue un courant central d'autant plus resserré que le tube est plus étroit et l'électrisation des parois plus forte, et peu sensible à un décentrage notable de la cathode. De là l'existence d'un faisceau cathodique principal central, plus ou moins étroit, suivant que l'afflux est plus ou moins resserré, dont la région de départ n'est autre que celle d'arrivée de l'afflux et se déplace avec celui-ci.

L'afflux cathodique est d'ailleurs aisément visible sous l'aspect d'une gerbe rose violacé qui semble implantée sur la cathode. Presque confondue avec le faisceau cathodique dans le cas d'un tube cylindrique à cathode centrée, elle s'en [distingue nettement, si on incline celle-ci, ou encore si le tube s'élargit rapidement en avant de la cathode (fîg. 40). Peu sensible aux actions magnétiques, l'afflux constitue, en appa-

(i) [Proceed. Roy, Soc.,i. XLVII, p. 55;,

rence, une partie non déviable à l'aimant des rayons cathodiques.

Les expériences suivantes mettent bien en évidence l'existence de ce courant matériel :

Un tube cylindrique T (fig. 41) de jo millimètres de diamètre est muni d'une cathode plane de 4^ millimètres de diamètre, G. A ij millimètres en avant est un diaphragme métallique, D, percé de deux ouvertures a et b, et relié à un fil de platine, d, qui sort 3u tube. E est une électrode mobile dans une Fig-. 40. coulisse ; il suffit d'incliner le tube dans un

sens ou dans l'autre pour la faire mouvoir. En A et A^ sont des électrodes lîxes^ A étant généralement anode.

Faisons progressivement le vide dans l'appareil ; tant que la limite de l'espace obscur est comprise entre G et D, tout se passe comme si le diaphragme n'existait pas. Dès que cette limite a dépassé D, l'émission devient plus intense en face de a et b. Gontinuant à faire le vide, et les choses étant disposées comme l'indique la fî«-ure 41 > deux faisceaux cathodiques se forment suivant les axes des trous a et b, le reste de la cathode n'émettant presque rien.

Gomparons avec ce qui se passerait en l'absence de diaphragme, à égalité de résistance ; on aurait un faisceau cathodique central allant frapper le verre en f, déterminant en ce point une vive fluorescence et une élévation de température capable de fondre rapidement la paroi, mais en ce point seulement. Dans le cas présent, c'est en f et f" que le verre est plus fluorescent et menacé de fondre.

On ne saurait objecter qu'ici le faisceau cathodique, encore très large, a été diaphragmé à la manière d'un faisceau lumineux parallèle : si, en effet, on place le diaphragme loin de la cathode, à 20 centimètres par exemple, il n'y a naturellement illumination du verre qu'en face des trous du diaphragme ; mais en ces points le verre n'est ni plus lumineux, ni plus chaud que si le diaphragme n'existait pas ; c'est précisément le contraire qui a lieu ici. De plus, si le diaphragme est loin de la cathode, la région radiante de celle-ci est circulaire,, et se réduit à un point central quand le vide est suffisamment poussé. Dans le cas de la figure il y a, au contraire, deux

AFFLUX CATHODIQUE

points radiants distincts bien visibles ; on a non pas un, mais deux tubes de Grookes dans une même enveloppe.

Il est tout naturel d'admettre que l'afflux cathodique, partant des régions comprises dans l'espace obscur, ne peut arriver à la cathode qu'en passant par les trous a et ^ du diaphragme, ou plutôt par les centres de ces trous dont les bords le repoussent (*). De là les deux points radiants observés ; le reste de la cathode, alimenté par l'espace CD seulement, n'émettant presque rien, et d'autant moins que la distance CD est plus petite (^).

dd^

Fig. 41.

Fig. 42.

Le phénomène reste qualitativement le même, si D est relié à l'anode ; mais il est moins marqué : dans ce cas, en effet, l'espace situé au-dessous de CD forme cage de Faraday, et un très petit nombre de lignes de force émanant de la cathode peuvent passer par a et h. Aussi l'émission est-elle moindre et la résistance plus considérable.

Relions maintenant l'électrode E à une source électrique (^),

(i) Ce phénomène n'ayant lieu qu'à partir du moment où le diaphragme est à l'intérieur de l'espace obscur, on en conclut que l'afflux n'existe que dans cet espace, ce qui est confirmé par le résultat obtenu dans la première partie de l'expérience.

(2) C'est cette propriété qui a été utilisée dans 1 appareil représenté figure 16.

(3) Il est commode de faire varier le potentiel de l'électrode en prenant comme source électrique le tube lui-même, dans lequel, pendant

<)G LA lOIlMATIOX DES RAYONS CATHODIQUES

et élevons son potentiel, puis faisons-la avancer comme l'indique la figure ^i. Aussitôt le point a^ se déplace, l'afflux s'incurve fortement ; il s affaiblit en même temps, repoussé par ce nouvel obstacle, qui gêne son arrivée au travers de l'ouverture a. En même temps le faisceau cathodique est attiré par l'électrode et dispersé dans le plan de la ligure. Mais il est moins dévié que l'afflux.

Le résultat est inverse, si on abaisse le potentiel de lélectrode E. Si celle-ci est isolée, elle agit comme une charge positive ; elle fait en effet partie de la paroi.

Dans ces expériences, le second faisceau passant par b reste lîxe et sert d'objet de comparaison.

L'appareil représenté figure 41 permet de vérifier en même temps que deux courants d'afflux ne se repoussent pas.

Ces phénomènes sont aisément visibles, et cette visibilité peut être encore augmentée en faisant le vide sur de l'oxygène pur. L'espace obscur est alors remarquablement sombre, et l'afflux y est plus facile à voir ; au delà de cet espace, les trajectoires des rayons cathodiques sont très apparentes et se détachent nettement en jaune. Mais il est encore préférable de photographier le tube en activité, la lumière violacée émise par les poSnts radiants étant très photogénique.

Les résultats précédents établissent, en dehors de toute hypothèse, que les rayons cathodiques se forment là seulement où ils ont devant eux un espace suffisant. Pour montrer que la présence d'obstacles agit non pas sur le rayon lui-même, mais sur le courant qui l'alimente, il suffit de reprendre Tun des tubes précédents, le premier par exemple, et, à l'aide d'un aimant, de dévier les deux faisceaux cathodiques jusqu'à leur faire rencontrer l'obstacle D. On voit alors se produire sur celui-ci deux petites taches fluorescentes, si le métal est un peu oxydé. Ce n'est donc pas sur les rayons cathodiques euxmêmes que l'obstacle exerce son action. Quant à l'afflux, il est à peine dévié, et les points radiants restent à peu près fixes. ,

chaque décharge de la bobine excitatrice, le potentiel est croissant de C à A; reliant par exemple E à ^, ou A', ou A, on en élève le potentiel de plus en plus; on abaissera au contraire celui-ci en dérivant sur E, sous forme d'aigrette, une partie du courant passant dans le rhéophore qui aboutit à la cathode.

AFFLUX CATHODIQUE (^-7

Cette dernière expérience permet de faire une observation relative à la circulation du gaz dans un tube de Crookes. Dans l'appareil précédent, ou mieux dans un tube analogue, mais plus étroit, dévions les faisceaux cathodiques, au moyen d'un aimant, jusqu'à les amener loin des trous du diaphragme, et jusque sur la paroi du verre, où leurs points d'impact sont plus aisés à reconnaître. Nous constaterons alors qu un nouvel afflux se forme et arrive à la cathode en face de chacun de ces points d impact, comme partant de chacun de ces points. Un tube de Crookes complet a été créé dans le tube principal, et son anode est le diaphragme lui-même.

En même temps l'afflux passant par les trous s'affaiblit notablement dès que les faisceaux cathodiques correspondants ne traversent plus le diaphragme. Ces deux courants gazeux, afflux et rayons, sont donc bien dépendants Tun de l'autre.

De tout ce qui précède, il semble résulter que le rôle des électrodes se borne à établir dans le tube une distribution particulière des potentiels, de laquelle résulte une circulation régulière du gaz, sous la double forme d'afflux et de rayons cathodiques, circulation comparable à celle qui se produit entre la chaudière et le condenseur d'une machine à vapeur. On est ainsi conduit à réaliser l'expérience suivante : Dans un tube de Crookes, cylindrique par exemple et à cathode centrée, plane ou concave, remplaçons la partie centrale de la cathode par une lame de verre ; on pourrait croire que l'émission cathodique en sera singulièrement modifiée ; il n'en est rien ; en faisant progressivement le vide, on observe encore la formation d'un faisceau cathodique principal central, qui se réduit fmalement à un fdet axial partant du centre de la lame de verre, où, par raison de symétrie, doit arriver l'afflux ; après quelques minutes de fonctionnement, la partie centrale de la lame de verre est imprégnée de gaz qui se rassemble en petites bulles si on la chauffe, comme dans l'expérience de M. Gouy ; une anticathode de focus, placée sur le trajet de ce faisceau central comme à l'ordinaire, est portée rapidement au rouge et, à un vide convenable, émet abondamment des rayons X. Dans cette expérience, on pourrait supposer que la lame de verre fixée à la cathode se comporte comme un conducteur médiocre et que la région radiante est mal isolée. Mais le résultat est le même si on forme la cathode de deux pièces séparées par un espace vide, l'une annulaire qui sera reliée au

Vtllard. Rayons Cathodiques. 7

pôle négatif de la bobine excitatrice, Tautre centrale soutenue par une longue tige de cristal se soudant à la paroi en un point très éloigné du point d'insertion de la cathode annulaire

L'hypothèse de l'afflux conduit à deux conséquences faciles à vérifier :

En arrivant à la cathode, Tafflux s arrête, et il doit y avoir production de chaleur, comme sur les obstacles frappés par les rayons cathodiques. Et en effet, si la cathode est formée dune lame métallique mince, une lame de platine par exemple, elle est portée au rouge vif aux points radiants, 011 est supposé arriver fafflux. Si le centre de la cathode est en verre, celui-ci est rapidement fondu. On a ainsi l'explication de ce fait fréquemment observé que, dans un tube de Geissler, le fil qui est pris comme cathode peut être porté au rouge vif, s'il est de faible diamètre, rien de semblable ne se produisant à l'anode (exception faite du cas où les deux courants de la bobine passent).

L'élévation de température des cathodes paraît avoir été nettement observée par M. Naccari et par MM. Naccari et Guglielmo(^). L'incandescence d'une cathode réduite à un fil métallique a été indiquée par MM. E. Wiedemann et H. Ebert (2). On peut à ce sujet faire l'expérience suivante : deux lampes à incandescence à filaments un peu rigides sont réunies par un large tube de raccord de telle sorte que les deux filaments constituent la cathode et l'anode d'une sorte de tube à décharges. On fait le vide dans l'appareil en ayant soin toutefois de ne pas obtenir une résistance trop élevée, auquel cas le champ près du filament cathode serait suffisant pour le briser. On relie les filaments aux bornes d'une bobine de Ruhinkorff alimentée par un courant alternatif et munie d'un tube soupape arrêtant l'une des alternances. Dans ces conditions beaucoup mieux définies qu'avec le dispositif ordinaire, le filament pris comme cathode est porté au blanc, l'anode restant obscure. On réussit encore mais moins bien, avec un trembleur très rapide (pour que les filaments ne puissent pas vibrer synchroniquement).

La seconde conséquence est la suivante : Si la cathode d'un

(i) // Nuot^o Cimento, 3" série, t. XI, p. 28 (1882); t. XV, p. 272; t. XYII, p. I (i885). Journal de physique, 2« série, t. Ij, p. 521, et t. V,

(2) PhysikaJ. Jnsi.der Erlangcn, décembre 1891,

AFFLUX CATHODIQUE

tube de Grookes est perforée en un point frappé par l'afflux cathodique, celui-ci doit, au moins en partie, continuer sa route en vertu de la vitesse acquise ; cela est facile à vériiier : Suivant une disposition décrite par M. J. Perrin ('), prenons comme cathode un cylindre métallique G remplissant exactement le tube de verre (iig. 43) et fermé à son extrémité

F]g. 4j et 44.

antérieure par un disque en métal dont la partie centrale sera perforée, ou, ce qui est ici préférable, remplacée par une toile métallique très fine. Au-devant de cette cathode disposons une électrode à coulisse E. Le vide étant fait de manière à réduire le faisceau cathodique à un mince filet, on observe sur le prolongement de l'afflux, dans la cathode, une traînée lumineuse formant un cône peu divergent \^). Aux points 011 ce cône rencontre le verre, il y a production de chaleur et apparition d'une

(1) Annales de chimie et de physique, 7" série, t. XI, p. 5o3 , Comptes rendus, t. CXXl, p. ii3o.

(2) La disposition adoptée ici ne permet pas d'observer la convergence du faisceau à l'intérieur de l'électrode. Cette convergence a été d'ailleurs établie par M. Goldstein.

lOO LA FORMATION DES RAYONS CATHODIQUES

lumière jaune, qui n'est autre que la lumière du sodium ; il n'y a pas fluorescence du verre mais émission de vapeur de sodium comme au contact d'une flamme (*).

Si maintenant nous dévions l'afflux au moyen de Télectrode E, le faisceau dont il s'agit se déplace et s'incline de manière à prolonger toujours exactement l'afflux, restant d'ailleurs rectiligne dans son ensemble. Un aimant est, au contraire, sans influence sensible ; or on a vu précisément que l'afflux est à peine influencé par un champ magnétique.

Le faisceau continuateur de l'afflux n'est plus électisé ; une électrode E^ ou E^^ est sur lui sans action ; de même un aimant. On est en présence des KanalstraJilen de Goldstein.

M. A. Wehnelt (^) est arrivé à la même conclusion et a établi très nettement que l'afflux cathodique, considéré par lui comme formé à'ions positifs, ne provient que de l'espace obscur.

La figure 44 empruntée à son mémoire, montre l'ombre portée sur la cathode par un obstacle placé dans l'espace obscur, et la formation des Kanalstrahlen, aux points frappés par l'afflux, dans le cas 011 la cathode est perforée.

(L'auteur ne paraît cependant pas avoir remarqué la répulsion exercée par l'obstacle sur l'afflux et la divergence qui en résulte pour celui-ci et pour les Kanalstrahlen correspondants.)

On comprend aisément que les Kanalstrahlen, formés aux dépens d'un faisceau convergent, qui ne peut devenir normal à la cathode s'il rencontre une ouverture pratiquée dans celle-ci, soit lui-même convergent.

On peut montrer que les Kanalstrahlen sont bien dépendants de l'afflux, en disposant devant la cathode (fig. 4^) une électrode auxiliaire E qui permet de dévier celui-ci. Les Kanalstrahlen sont immédiatement déviés, bien que se propageant à l'intérieur d'un cylindre métallique protecteur et étant par euxmêmes, insensibles à la présence d'une charge (en E' par exemple).

Il est assez singulier de remarquer que l'afflux cathodique

(i) Arnold (Wied. Ann., t. LXI, p. 326, 1897) avait observé que le chlorure de sodium donne la lumière de ce métal quand il reçoit les Kanalstrahlen.

(2) Wled, Annalen, t. LXVII, p. 421, 1899 (communiqué le 4 novembre 1898). Les travaux de cet auteur ont été effectués indépendamment des nôtres et publiés peu après.

AFFLUX CATHODIQUE 10 I

perd complètement sa charge en traversant la cathode. Cette question de l'électrisation des Kanalstrahlen ayant été très controversée, nous avons réalisé Texpérience suivante à ce sujet. La cathode est un long cylindre G (fîg. 45), en métal, relié au sol (pour défmir avec certitude les potentiels) et fermé du côté de l'anode par une lame métallique percée d'une ouverture 0, de G""", 3, exactement sur Taxe du tube. Intérieu-

rement est placé un diaphragme métallique présentant une ouverture centrale de '^ millimètres et un peu plus loin un cylindre de Faraday F communiquant avec les feuilles d or d'un électroscope par l'intermédiaire de conducteurs entourés d'une enveloppe métallique à la terre. Malgré toutes ces précautions, si la distance OF est seulement de i centimètre, on constate, pendant le fonctionnement de l'appareil, que l'électroscope se charge faiblement ; mais cette charge se fait irrégulièrement et, surtout, elle augmente dès que le courant électrique est supprimé.

Ceci indique qu'on est en présence de phénomènes parasites. En triplant la distance OF, le cylindre de Faraday ne se charge plus, et les feuilles d'or restent tout à fait immobiles tant que le courant passe.

Cependant les Kanalstrahlen pénètrent dans le cylindre, et une lame mince de cristal placée en F, peut être percée par fusion dans ces conditions. On constate d'ailleurs qu'après arrêt du fonctionnement, et seulement au bout d'une ou deux minutes, Télectroscope se charge lentement d'électricité positive. C'est l'électrisation positive résiduelle du tube qui est la cause du phénomène (^).

(i) L'existence de cette électrisation est d'ailleurs démontrée par les