VII. — Les phénomènes de condensation

L'émanation du phosphore, dont les propriétés électriques ont fait l'objet de notre étude dans les sections précédentes, jouit en outre d'une autre propriété que nous allons examiner maintenant : c'est celle de faciliter la condensation de la vapeur d'eau. Ce phénomène a été découvert et étudié par Barus (p. 12 et i3): Barus faisait arriver l'émanation du phosphore dans un jet de vapeur, et constatait un accroissement considérable de la condensation. Mais ses expériences, comme on l'a vu, semblent conduire à la conclusion que la condensation et les propriétés électriques sont indépendantes : les centres qui, dans l'émanation, provoquent la condensation seraient beaucoup plus nombreux ou même distincts des centres électrisés ; en particulier le passage de l'émanation dans un champ électrique ne suffit pas à diminuer la condensation.

Je me suis posé à ce sujet deux questions principales : i" quelles sont les conditions de production de la condensation ; 2® la conductibilité électrique et la condensation sont-elles en effet indépendantes?

La saturation suffit pour produire la condensation. — Il est facile de répéter l'expérience de Barus en approchant simplement un bâton de phosphore d'un jet de vapeur; l'effet est saisissant. Mais on sait qu'elle réus-

CONDUCTIBILITÉ ÉLECTRIQUE DE l'aIR. qS

sit aussi bien avec les ions de Taigrette, des gaz de la flamme, des rayons de Rontgen ou du radium. En d'autres termes, la vapeur, dans le jet, est en partie sursaturante, et l'expérience faite montre que, si les ions du phosphore sont capables de provoquer la condensation, ils la produisent, comme les ions ordinaires, sur la vapeur d'eau sursaturante.

En répétant l'expérience sous une forme difl*érente, il est facile d'acquérir un renseignement nouveau important : la condensation se produit en présence de vapeur d'eau simplement saturante, 11 y a là une différence profonde avec les ions ordinaires, et une analogie très nette avec les ions des gaz de l'électrolyse (p. 7).

Quand de l'air sec passe dans un tube à phosphore fraîchement monté, les abondantes fumées blanches qui se forment tout d'abord s'atténuent peu à peu (p. 34) et deviennent finalement invisibles à la lumière diffuse. Si alors on dirige sur la sortie de l'appareil un faisceau de lumière intense (arc électrique), on aperçoit un petit panache blanchâtre, formé de produits d'oxydation du phosphore (Schmidt). Ces produits, entraînés par le courant d'air à partir du phosphore, peuvent former un nuage visible non seulement dans l'air ambiant, toujours humide, mais dans une atmosphère parfaitement sèche. Il suffît, en effet, pour s'en assurer, de diriger l'émanation, à sa sortie du tube à phosphore, à travers une allonge en verre très propre et sèche, séparée de l'air extérieur par un tube à ponce sulfurique. Un jet de lumière très intense dirigé à travers l'allonge marque sa trace par une traînée blanchâtre, qui disparaît peu à peu quand la circulation du gaz a cessé. L'allonge paraît d'ailleurs transparente à la lumière diffuse.

Ainsi l'émanation sèche étudiée dans les Sections antérieures au point de vue de ses propriétés électriques est chargée d'une poussière très ténue visible dans une lu-

94 E. BLOCfl.

mière suffisamment intense. Faisons maintenant barboter Fémanation dans un laveur à eau pure. Il se forme aussitôt un nuage épais facilement visible à la lumière diffuse. On peut aussi obtenir le même résultat sans faire barboter le gaz, en le faisant simplement passer à la surface de l'eau. L'émanation condense donc la vapeur d'eau simplement saturante, et le jet de vapeur est inutile pour produire la condensation.

Les ions du phosphore sont des poussières chargées. — On peut dès lors examiner à nouveau la question que Barus s'était déjà posée : la condensation se produit-elle sur les ions, et les poussières que contient le gaz en l'absence de vapeur d'eau sont-elles distinctes des ions eux-mêmes ?

Une première expérience simple est la suivante : envoyons l'émanation sèche à travers un condensateur cylindrique {Jîg- 5, p. 37) entre les armatures duquel on peut établir, avec une batterie d'accumulateurs, une différence de potentiel élevée (56o volts). Le condensateur n'étant pas chargé, un petit panache de fumée est nettement visible à l'extrémité dans la lumière de l'arc. Si on le charge, le courant gazeux étant assez lent (i*""' par seconde), le panache s'estompe au bout d'un instant, et s'affaiblit presque jusqu'à disparaître. Si le champ est supprimé, le panache reparaît et revient à son état initial en 20 secondes environ. Ainsi un champ électrique intense supprime non seulement la conductibilité, mais les poussières renfermées dans le gaz. Il y a donc une forte présomption pour que les poussières soient identiques aux centres* chargés. Cette expérience manque pourtant de rigueur : on peut lui objecter que, vu le manque d'uniformité du champ à l'intérieur du condensateur cylindrique, elle réussirait également si les poussières n'étaient pas cliargées.

11 était donc nécessaire de la refaire en toute rieueur.

(.ONDUCTIIULITI^: l'iLFXTlllQlir. 1)F. l'aIR. ()5

c'(;sl-j\-(liro vn omployanl un champ uniforme. Je me suis servi pour cela de Tapparcil suivant (Jtg* i4)« Une cuve

Fig. i',.

mm

rectanp^ulaire en verre (20*^"* de long, 4*^"' <1^ larj^e, lo''"* de liaut) renferme trois plateaux parallèles identicpies en cuivre (10*'" X 8*'"') distants deux ù deux de fi'"'" environ. Ces plateaux sont fixés, d'une part, dans des rainures pratiquées dans une planchette en bois paraffiné posée au fond de la cuve; d'autre part, dans des rainures identiques pratiqué(îs dans le couvercle de la cuve. Ce couvercle est aussi en bois; deux trous percés vers les extrémités, dans lesquels sont maslicpiés des tubes de verre, permettent d'amener l'émanation du phosphore ou un autre gaz quelcon(pie dans la cuve. Vers le milieu du couvercle sont pratiqués (juatre autres trous, deux entre les plateaux A et H, deux entre les plateaux B et C. Ces ([uatre trous sont recouverts par une glace masli(pié(» sur le couvercle et qui assure une fermeture étanche. Knfin, un miroir argenté incliné à 4»^° <'l placé sur le couvercle permet de renvoyer verlicab^ment d(^ haut en bas la lumière d'un arc électrique à travers h^s quatre ouvertures centrales du couvercle. Si Ton observe» l'intérieur dr la cuve par la tranche en r(»gar(laut entn^ les arnuUures du doubh» condcmsaleur AIK^ et sur fond noir (papier noir mat), on ap(T(;oit

netlement, pour peu que le gaz de la cuve renferme des poussières, deux traînées blanchâtres verticales entre les armatures des condensateurs. Des fils métalliques soudés aux plateaux permettent d'établir entre eux telles différences de potentiel que l'on veut.

Faisons maintenant arriver l'émanation sèche du phosphore dans cet appareil, les trois plateaux étant au même potentiel : on aperçoit les deux traînées blanchâtres symétriques. On arrête l'arrivée de l'émanation et l'on établit une différence de potentiel de 5oo volts entre les plateaux A et B, les plateaux B et C restant réunis entre eux. En quelques secondes, la traînée comprise entre A e^ B disparaît, l^ autre subsiste. Les poussières qui se trouvent dans l'émanation sont donc chargées, puisqu'elles sont mises en mouvement par un champ uniforme.

Celte expérience différentielle rigoureuse montre que les ions ne sont autre chose que les poussières visibles dans la lumière de l'arc que contient l'émanation. Ainsi se trouve confirmée l'hypothèse sur laquelle nous nous sommes appuyés à plusieurs reprises dans les sections précédentes. Remarquons que l'expérience ci-dessus est analogue à celle par laquelle C. T. R. Wiison (* ) a montré la dissymétrie qui existe entre les ions positifs et négatifs au point de vue de la condensation de la vapeur d'eau sursaturante.

La condensation se produit sur les ions, — Le même appareil peut servir à établir le fait suivant : la condensation se produit sur les ions ; le nuage épais visible à la lumière diffuse, qui se produit dans l'émanation lorsqu'on la fait passer à travers de la vapeur d'eau saturante, se forme sur les poussières chargées précédentes fonctionnant comme centres de condensation. Il suffit, pour le montrer, d'intercaler entre le phosphore et la cuve à trois

(») G. T. R. WiLSON, Phil. Trans., t. CXCIII, 1899, p. 289.

CONDUCTIBILITÉ ÉLFXTIliQLE DE L AIR. 97

plateaux un barboteur à eau distillée ; les traînées lumineuses deviennent beaucoup plus visibles, et disparaissent encore du côté où l'on établit le champ et de ce côté seulement.

Ce résultat est en contradiction avec ceux de Barus. Peut-être faut-il expliquer ces derniers par le fait que le dispositif du jet de vapeur est d'une sensibilité extrême, et peut masquer le phénomène parle mécanisme que nous allons maintenant indiquer.

Rôle de la recombinaison, — Dans les expériences précédentes, la disparition du nuage n'est jamais parfaite; il reste toujours un résidu qui ue s'en va que difficilement et qui est d'autant moindre que l'émanation a été produite depuis moins de temps, 11 est facile d'expliquer ce résultat par la recombinaison progressive des ions. Cette recombinaison commence, en effet, à se produire à partir du moment où le gaz a passé sur le phosphore, et elle donne lieu à des poussières neutres au moins aussi grosses que les ions eux-mêmes et capables elles aussi de servir de noyaux de condensation à la vapeur d'eau.

On peut montrer ce dernier fait de la manière suivante : si l'on recueille l'émanation sèche dans une allonge de verre très sèche et très propre, et si, ayant séparé l'allonge de l'appareil, on la bouche rapidement avec de la cire molle, on constate, comme nous l'avons dit plus haut, qu'elle reste limpide à la lumière diffuse. Attendons un temps assez long pour que la conductibilité de l'air contenu dans l'allonge se soit pratiquement annulée (lo minutes environ d'après les valeurs connues du coefficient de recombinaison). Si, à ce moment, on introduit quelques gouttes d'eau dans l'allonge et si on l'agite, il s'y produit un nuage sensiblement aussi épais que celui qui s'y serait produit au début. Les résidus de recombinaison sont donc des centres de condensation aussi actifs que les ions euxmêmes. En d'autres termes la cause de la condensation 13. 7

n'est [las la charge électrique de Tion, c'est la masse d'oxyde du phosphore qui entoure celle charge.

On explique aiuM, par une reconihinaison partielle iné\itahle, le fait qu'il est impossihle de supprimer entièrement le nuage par un cham|) électrique : les particules neutres (oxydes du phosphore ou gouttes d*eau) qui en résultent ne sont naturellement pas entraînées par le champ. La même expérience montre que la propriété de condenser la vapeur d'eau et la propriété de porter une charge électrique, bien que réunies sur la même poussière chargée, sont en quelque sorte indépendantes l'une de l'autre. Et nous sommes amenés à la conception suivante : les ions, au moment de leur formation dans un milieu matériel complexe, s'entourent d'une masse matérielle considérable, qui est ici formée d'oxydes du phosphore. Cette masse les alourdit et les transforme en véritables poussières chargées; d'où leur faible mobilité et leur lente recombinaison. D'autre part, les oxydes du phosphore sont capables de se combiner à l'eau par voie chimique, et les composés formés se dissolvent dans l'eau en diminuant sa tension de vapeur, comme le font la plupart des acides, des bases et des sels : d'où les propriétés de l'émanation au point de vue de la condensation. Ainsi se trouvent expliquées et groupées les principales propriétés de l'émanation.

Nous verrons d'ailleurs, dans une section ultérieure (section IX), que, d'après les principes de la thermodynamique, si c'était la charge électrique seule qui intervenait pour faciliter la condensation, celle-ci ne devrait se produire qu'en présence de vapeur d'eau sursaturante ; c'est ce qui arrive pour les ions ordinaires, formés dans un milieu purement gazeux par les rayons de Rcintgen par exemple. De sorte que, pour expliquer la condensation de la vapeur d'eau simplement saturante sur les ions du phosphore, on est forcé de recourir, comme nous l'avons fait.

à un mécanisme qui ne fasse pas intervenir uniquement la charge électrique.

U expérience de Ilarms et dElster et GeiteL — Je me propose, pour compléter cette étude, d'indiquer comment j'ai reproduit l'expérience de Harms et d'Elster et Geitel, citée à la page 21, de manière à la rendre aussi probante que possible, et à en tirer quelques conséquences intéressantes.

Une cuve rectangulaire en bois (hauteur 22^*", largeur 7^*", 5, épaisseur 2*^"', 2, fig, i5) est fermée sur ses

Fig. i5.

deux faces verticales étroites par deux glaces de verre collées à l'arcanson ; les deux autres faces verticales sont recouvertes intérieurement de papier d'étain, formant ainsi un condensateur plan dont les armatures sont distantes de 22""". La cuve est fermée par un couvercle de liège percé d'une ouverture, où l'on fait passer un tube de verre de 2""" de diamètre, étiré à sa partie inférieure. Dans le tube on place un très petit fragment de phosphore. Au contact de l'air humide, le phosphore s'oxyde en donnant des fumées blanches qui descendent sous forme d'un filet nettement visible à la lumière diffuse, et formant une traînée sensiblement verticale si l'air est tranquille et la température de la cuve à peu près uniforme. Si l'on vient à établir brusquement une diflerence de potentiel de 800 à 900 volts entre les deux feuilles d'étain, on voit le filet de fumée se partager en deux filets symétriques

lOO

par rapport à la verticale, formant une espèce de fourche et allant rejoindre respectivement les deux plateaux vers le bas de la cuve. Le champ étant supprimé, le filet vertical initial se reforme presque immédiatement. La formation de cette fourche est très instructive à bien des égards, et s'explique de la manière suivante : les poussières chargées sont animées d'une vitesse de chute assez grande ; cette vitesse se compose avec la vitesse horizontale que le champ leur imprime, de sorte que la trajectoire des particules, au lieu de rester verticale, s'incurve vers les plateaux. Toutes choses égales d'ailleurs, l'incurvation est d'autant plus grande que la mobilité des centres chargés est plus grande. On montre ainsi : i** qu'il y a dans l'émanation du phosphore des centres chargés des deux signes; 2** que la mobilité des ions des deux signes est sensiblement égale, à cause de la symétrie de la fourche. On peut même faire une mesure approximative des mobilités en suivant à Tœil le déplacement du filet à partir du moment où l'on établit le champ, et en mesurant le temps mis par un point donné du filet pour atteindre l'un des plateaux. On trouve ainsi des nombres concordant fort bien comme ordre de grandeur avec ceux que donnent les méthodes plus précises.

On peut aller plus loin : entre les branches de la fourche dans laquelle se divise le filet primitif, il reste toujours des poussières visibles, et le filet s'étale plutôt en une lame plus accentuée sur ses bords, qu'il ne se forme une fourche véritable. Il existe donc dans l'émanation des ions de mobilité variée, et les mobilités que Ton mesure par la méthode des courants gazeux ne représentent que des moyennes. Ceci apparaît plus nettement encore si l'on insuffle un courant d'air très faible à tinivers le tube de verre qui renferme le phosphore. La vitesse de chute du filet de fumée est alors accrue, et sa partie supérieure devient beaucoup plus ténue. Au moment de rétablisse-

CONDUCTIBILITÉ ÉLECTRIQUE DE L AIR. lOI

ment du champ, on constate que la division du filet se fait plus rapidement en haut qu'en bas, manifestant ainsi une différence dans la mobilité des ions aux différentes portions du filet (C/. p. 6-).

On peut enfin, avec cet appareil très simple, répondre à une objection que l'on pourrait faire à toutes les expériences de condensation décrites ci-dessus, et qui est la suivante. Quand un gaz ionisé est soumis à l'action d'un champ, les ions des deux signes se mettent en mouvement dans des sens opposés, et, par leur chocs contre les molécules, communiquent au gaz une quantité de mouvement appréciable. Il se produit, en somme, une action de viscosité du gaz qui rend rapidement le mouvement des ions uniforme. Cet entraînement du gaz par les ions est, dans le cas de l'aigrette, la cause du vent électrique. Il a été mis directement en évidence par Zeleny ( • ) dans le cas de l'ionisation par les rayons de Rôntgen. On pourrait penser que, ici aussi, les centres chargés qui donnent au gaz sa conductibilité, possèdent en réalité une mobilité assez forte, et que c'est simplement l'entraînement des fumées par viscosité qui produit leur déplacement dans un champ électrique uniforme.

Bien que certaines des expériences précédentes, en particulier les mesures de mobilité, paraissent devoir faire écarter celte hypothèse, on peut y répondre plus directement de la manière suivante : dans la cuve décrite ci-dessus, l'une des feuilles d'étain est remplacée par une lame d'ébonite mince portant deux rectangles d'étain superposés et séparés par une bande d'étain reliée au sol; ces rectangles isolés peuvent être chargés à des potentiels différents. On a de la sorte constitué dans la cuve deux condensateurs superposés et indépendants. On produit comme précédemment le filet de fumée avec un petit

( * ) Zeleny, Physical Beview^ t. VIII, 1899, p. 161.

*Oi K. BLOCH.

fragment de phospluire. Le condensateur su{)(5rieur esl chargé à 60 volls, l'autre à 800 volts. Dans ces conditions, on constate que la division du filet de fumée en une fourche commence à partir de son entrée dans le champ du condensateur inférieur. Or, si les centres qui transportent réellement les charges avaient une mobilité comparable à celle des ions des rayons de R(mtgen, le champ ftupériear, quoique relativement faible (3o volts par centimètre environ), serait largement suffisant pour recueillir les ion» pendant le passage du filet de fumée dans le champ (la durée de ce passage est de 1 seconde environ); et alors, comme la conductibilité du gaz serait supprimée dans le condensateur inférieur, le filet de fumée ne devrait pas s'y diviser. Le fait qu'il s'y di\ise, néanmoins, montre que le champ supérieur n'a produit aucun eflet, c'est-à-dire que la mobilité des ions est très faible.

Absorption de C émanation par divers milieux. — Nous relaierons, pour terminer ce sujet, quelques expériences qualitatives sur l'absorption de l'émanation par divers milieux.

Si l'on fait passer l'émanation à travers un tampon de coton de verre de 5*"" de long, à travers un barboleur renfermant de l'acide sulfurique, une solution d'iodure de potassium, ou simplement de l'eau, à travers une éprouvette renfermant de la potasse solide, etc., on constate que la conductibilité du gaz esl diminuée , mais non annulée. Elle conserve, suivant les cas, du ^^ au ^ de sa valeur. Il y a là une nouvelle différence nette entre les ions du phosphore et ceux des rayons de Rônlgen, et qui tient encore évidemment à leur très lente diffusion.

Gockel (voir p. 21) a obtenu des résultats analogues en faisant passer l'émanation à travers des perles de verre imprégnées de divers liquides. Si le liquide est une solution d'iodure de potassium, on constate par le brunissement des perles, qui va en se dégradant à partir de l'en-

CONDUCTIIULITI-: l'XF.CTUIQUK I)K l'aIU. Io3

droit OÙ arrive le |;az, (pic tout l'ozone est absorht'î, sans que la eonduclibilitc^ soit annulée. L'ozone n'est donc pas le véhicule de la conduolibilité.