CHAPITRE III

L EMISSION CATHODIQUE

Découverte des rayons cathodiques. — Les rayons cathodiques ont été découverts par M. Hittorf(^) en 1868. L'attention du physicien allemand s'est portée particulièrement sur l'espace obscur négatif et la lueur bleue (dans l'air) qui enveloppe cet espace. Diverses expériences sur lesquelles nous aurons l'occasion de revenir l'amenèrent à cette conclusion que, dans l'espace entourant l'électrode négative, la propagation de l'électricité se fait suivant des trajectoires rectilignes, des rayons, le long desquels l'électricité négative cheminerait en ligne droite, dans des directions à peu près normales à la surface de la cathode. Ce mode de transmission de l'électricité est comparable soit à une émission, soit à la propagation d'un mouvement ondulatoire.

Ces rayons cathodiques {^) peuvent atteindre les parois du tube à décharge quand la pression est suffisamment faible, et ils excitent alors sur le verre une phosphorescence de couleur verte avec le verre ordinaire, bleue si c'est du cristal. Il en résulte un aspect particulier et très caractéristique des tubes à rayons cathodiques ou tubes de Crookes,

Un corps solide, isolant ou conducteur, arrête ces rayons sans les infléchir et sa silhouette se projette en noir sur la paroi de l'ampoule ; la direction dans laquelle se produit cette sorte d'ombre est indépendante de la position de l'anode.

Un champ magnétique dévie ces rayons et ceux-ci se comportent en présence d'un aimant comme des courants d'élec-

(i) PoggencI . Annale i, t. GXXXVI, p. i et 197 (1869). (u) Cette dénomination est due à M, EJ Wiedemann.

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tricité négative partant de la cathode. Nous reviendrons plus loin sur ces phénomènes magnétiques.

La découverte de Hittorf fit immédiatement reparaître la lutte entre les deux hypothèses imaginées par les physiciens pour expliquer les phénomènes de rayonnement.

Suivant quelques-uns, les rayons cathodiques seraient constitués par un mouvement vibratoire de l'éther universel, mouvement transversal comme pour la lumière et les ondes électriques, ou longitudinal (lumière longitudinale de Jaumann) (^). Cette théorie ne compte aujourd'hui que de rares défenseurs ; la plupart des physiciens sont maintenant d'accord pour considérer les rayons cathodiques comme étant les trajectoires de particules matérielles électrisées, lancées par la cathode. C'est la matière radiante pour employer une (expression imaginée par Faraday et fort heureusement appli- (juée par M. Crookes aux phénomènes en question.

L'hypothèse balistique non seulement rend aisément compte des phénomènes observés dans des conditions bien définies, mais elle a permis d'en prévoir quelques-uns et ses prévisions ont jusqu'à présent été entièrement confirmées. Il ne saurait donc être question de lui préférer une hypothèse peut-être plus séduisante pour certains esprits, mais, pour le moment, difficile à adapter aux propriétés les plus caractéristiques des rayons cathodiques et de servir de guide pour leur étude.

Le faisceau cathodique. — Comme les rayons lumineux, les rayons cathodiquess ont par eux-mêmes absolument invisibles. Pour les étudier, on met à profit la propriété qu'ils possèdent d'exciter la phosphorescence de certains corps (verre ou cristal, sulfure de zinc, craie, fluorine, etc.) et on dispose sur leur trajet un écran recouvert de ces substances. C'est la méthode employée par M. Crookes et, à son exemple, par un grand nombre de physiciens. Elle a le défaut de ne pas indiquer dans son ensemble la forme d'un faisceau de rayons cathodiques. Il est de beaucoup préférable de prendre comme objet fluorescent le gaz résiduel du tube ; c'est ce que faisait M. Hittorf pour étudier l'action du magnétisme sur la décharge.

Le gaz a évidemment sur l'écran solide l'avantage considé-

(i) Wied. Annalen, t. LVII, p. 147 («896).

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rable de ne pas arrêter les rayons et il s'illumine sur tout leur trajet. L'oxygène pur convient très bien pour cet emploi : Il donne une assez vive lumière jaune sur le parcours des rayons cathodiques, et permet de les observer jusqu'à une raréfaction assez avancée. Dans ce gaz l'espace obscur est remarquablement visible et la lumière positive est complètement supprimée si l'ampoule est de forme simple. Le faisceau est également très brillant, mais moins net, dans l'hydrogène mélangé de vapeur de mercure.

La photographie peut aussi rendre de grands services dans ces observations. Elle réussit très bien avec l'azote.

Aucune indication ne peut être donnée sur la pression ; elle dépend essentiellement de la forme du tube et de ses dimensions ; elle doit être telle que l'espace négatif obscur ne s'étende pas à la totalité du tube, mais reste limité à moins de \ à 5 centimètres de la cathode.

Soit par exemple une ampoule sphérique munie de diverses électrodes A, A', C (fig. 3). L'une d'elles, C, que nous pren-

Fig. 3.

drons comme cathode a la forme d'un miroir concave, et le revers en est protégé par une coupe en verre qui limitera le phénomène cathodique à la partie concave de l'électrode. Le vide étant fait au q^ de millimètre sur de l'oxygène pur (*),

(i) Les tubes dans lesquels se fait rexpérience doivent être soigneusement débarrassés de toute trace de matières organiques.

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mettons G et A en communication avec les pôles d'une bobine d'induction (en ayant soin d'arrêter le courant inverse par un dispositif approprié). La lumière positive reste confinée au voisinage immédiat de l'anode A et ne pénètre pas dans l'ampoule; autour de la cathode se montre la lumière négative, jaune pâle, à l'intérieur de laquelle est l'espace obscur encore peu développé ; au contact même de la cathode on remarque une couche lumineuse violacée. Examinant de plus près la lumière négative, on voit qu'elle présente un maximum de luminosité suivant un cône qui a sensiblement pour base la cathode et pour sommet son centre de courbure.

L'aspect est analogue à celui d'un faisceau de lumière convergente qui traverserait de l'air chargé de poussière, et s'affaiblirait progressivement après avoir franchi son point de concentration maxima (fig. 3, Ci).

Ce cône n'est autre chose que le faisceau cathodique principal et, déjà à ce degré de raréfaction, sa déformation dans un champ magnétique est aisée à observer.

Le phénomène précédent devient beaucoup plus net si on abaisse un peu la pression, de telle sorte que l'espace obscur s'étende jusqu'à i ou 'i centimètres de la cathode. La luminescence générale du gaz est alors très faible, et le cône cathodique est entièrement apparent, il est visible même dans l'espace obscur, oii il est rose violacé. On constate en même temps :

i^ Que le cône cathodique a pour base un cercle de diamètre un peu moindre que la cathode ;

1^ Que ce cône est creux. Nous aurons l'occasion de revenir sur ce point important ;

3^ Que les génératrices sont légèrement courbes au voisinage de la cathode, leur concavité étant tournée vers l'extérieur. Au delà de l'espace obscur elles sont rectilignes. Il résulte de là que le sommet du cône est maintenant un peu plus loin de la cathode que précédemment (fig. 3, Go et G3) ;

4^ A mesure que la raréfaction s'élève le cône s'allonge de plus en plus et sa base se rétrécit jusqu'à se réduire presque à un point situé au sommet de la cathode. Le faisceau se réduit alors à un filet cylindrique avec une légère diffusion latérale. On a en réalité un pinceau légèrement divergent présentant une forte condensation au voisinage de l'axe ;

5° Ges aspects ne se modifient pas si l'anode est transportée

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de A en A' ou A^^ ; il y a seulement disparition de la lumière positive.

Sous l'action d'un aimant le faisceau cathodique s'infléchit (lig. 3, C4); en même temps l'espace obscur se déforme. Contrairement à ce qui se passe pour la lumière positive les rayons déviés ne reprennent pas leur direction primitive.

Avec une cathode en forme de disque plan le cône cathodique est remplacé par un cylindre, creux également, dont le diamètre diminue en même temps que la pression. Si la cathode est convexe, le faisceau est toujours divergent ; si la convexité est très marquée il présente une condensation centrale très nette ; comme précédemment son diamètre diminue quand la raréfaction augmente.

Le Tableau suivant indique l'étendue de l'espace obscur, le diamètre, à la base, du faisceau cathodique, et le potentiel explosif pour des tubes de 10 millimètres, 10 millimètres et '\o millimètres de diamètre, munis de cathodes planes. La distance des électrodes est égale à 65 centimètres. Ces résultats sont empruntés à un travail de M. A. Wehnelt (^).