Le mystère des rayons cathodiques

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Encore une expérience de Faraday

Les rayons cathodiques furent un sujet d’étude qui passionna les physiciens, certains d’entre eux en tout cas, tout au long du 19° siècle. Le point de départ est, une fois encore, Faraday et ses recherches sur la nature de l’électricité. Une des questions ouvertes était de savoir si l’électricité était un fluide (continu) ou un courant de particules (discrètes). Ce dernier point de vue fut en particulier avancé par Fechner en 1845 puis Weber en 1848, influencés par les travaux de Faraday sur l’électrolyse dans laquelle l’électricité était portée par des ions de charge donnée.

Faraday
Faraday

Ces travaux de Faraday en 1833 (synthétisés dans un traité en 1839) établissaient des lois:

  • la quantité de matière déposée aux électrodes est proportionnelle à la quantité d’électricité qui a circulé;
  • les équivalents électrochimiques des éléments (en unités hydrogène) sont constants d’une réaction à une autre (ce qui n’est pas exact, ils sont proportionnels à la valence, notion développée bien plus tard, par Kekulé entre autres, et Helmholtz corrigea Faraday sur ce point en 1881)

Faraday était partisan de la réalité physique des atomes, et donc de l’existence de charges électriques élémentaires portées par les ions. Les atomes n’avaient pas de structure interne pour Faraday, mais qu’étaient alors les ions? S’ils n’étaient pas des fragments d’atomes brisés, était-ce un effet dynamique, une sorte de polarisation des atomes? La situation était très confuse. Maxwell jugeait nécessaire une structure interne des atomes pour expliquer les spectres de raies, qu’il attribuait à des rotations et des vibrations internes aux atomes (plus de six degrés de liberté lui semblaient en effet requis). D’un autre côté la stabilité des atomes au travers de toutes les réactions chimiques était difficile à admettre s’ils avaient une structure interne.

Parmi les corps conducteurs de l’électricité et les corps isolants qui ne la conduisaient pas, les gaz étaient un cas intéressant: un espace entre conducteurs interrompait la passage du courant, ils étaient donc isolants, mais si la tension était assez forte, une brève étincelle jaillissait entre les deux conducteurs et permettait le passage du courant. Watson avait noté dès 1752 que si la décharge se faisait dans un gaz raréfié, ce gaz devenait brièvement lumineux à côté de l’étincelle.

Le montage de Faraday
Le montage de Faraday (faiblement étanche en raison du bouchon de liège que traversaient les électrodes)

En 1838, Faraday étudiait la formation d’étincelles entre deux électrodes soumises à une forte tension. Il eut l’idée de placer les électrodes à l’intérieur d’une ampoule dans laquelle il pouvait changer la nature du gaz et varier sa pression. En baissant la pression (en faisant un vide partiel), Faraday remarqua que la conduction était améliorée (effectivement l’absorption des électrons du courant par le gaz, responsable du caractère isolant, diminue quand le nombre d’atomes absorbants diminue) et que l’ampoule devenait faiblement lumineuse. S’agissait-il d’un quatrième état de la matière, après l’état solide, liquide et gazeux? Cette lumière provient en fait de la désexcitation des atomes du gaz. Faraday remarqua également un espace sombre près le la cathode (l’espace de Faraday).

L’expérience fut souvent répétée en variant

  • la tension du courant
  • la nature du gaz (ou de la vapeur de mercure, de sodium…), ce qui changeait la couleur de la lumière émise
  • sa pression

Phénomène fascinant, mais inexpliqué: la lumière émise par le gaz était très différente de la lumière émise par la Soleil ou par une bougie car, observée à travers un spectroscope, elle ne montrait pas un spectre continu mais seulement quelques raies isolées. Ces raies étaient caractéristiques du gaz (ne dépendant ni de la tension électrique, ni de la pression ni de la température). Gustav Kirchhoff (1824-1887) établit qu’un objet chaud émet un spectre continu qui ne dépend pas de la nature de l’objet mais uniquement de sa température, tandis qu’un gaz électriquement excité émet un spectre formé de raies qui ne dépend pas de la température du gaz mais uniquement de sa nature.

Spectres de raies
Spectres de raies pour l’hydrogène, l’hélium, le krypton et la vapeur de mercure

Les tubes de Geissler

En 1855, Heinrich Geissler mit au point une pompe à vide utilisant le mercure, capable de diminuer la pression jusqu’à 100 pascals (soit 10-3 atm) puis 10 Pa. En 1857, Geissler parvint également à souder des électrodes à l’intérieur d’un tube de verre dans lequel il avait fait le vide. Parce qu’on pouvait leur donner presque toutes les formes et toutes les couleurs, les tubes de Geissler eurent un immense succès commercial, jusqu’à la mise au point des « tubes au néon ».

Tubes de Geissler
Tubes de Geissler

La luminosité augmentait avec la tension, conduisant à la recherche de tensions de plus en plus élevées. Les piles, même montées en série, de délivraient que quelques dizaines de volts, mais la mise au point de la bobine d’induction par Ruhmkorff en 1851 permit d’atteindre des tensions de plusieurs kilovolts (kV).

Julius Plücker (1858) enseignait à l’université de Bonn, à proximité immédiate de l’atelier de Geissler, et il effectua avec ces tubes toute une série de travaux dans les années 1857-1860, examinant la taille de la région lumineuse selon la pression, la tension ou le gaz. Il observa également, en diminuant la pression jusqu’à quelques pascals (1 Pa=10-5 atm) que la luminosité diminuait et que le tube devenait sombre, mais qu’une lueur résiduelle apparaissait près de l’anode: le verre devenait fluorescent et Plücker montra que la tache fluorescente changeait de forme en approchant un aimant.

Son élève Johann Hittorf montra en 1859, en interposant des obstacles entre cathode et anode, que ces obstacles découpaient une ombre nette près de l’anode. Il en conclut que des rayons (=rectilignes) partaient de la cathode en direction de l’anode, et que les obstacles les arrêtaient. D’où le terme de « rayons cathodiques » donné en 1876 par Goldstein, qui confirma les résultats de Hittorf. Goldstein pensa un temps que ces rayons étaient des particules chargées avant de changer d’avis en 1880 et de soutenir l’idée qu’il s’agissait de rayonnements électromagnétiques.

L'expérience de Hittorf
L’expérience de Hittorf: les rayons cathodiques se déplacent en ligne droite
Le véritable auteur de ces notes est démasqué
Le véritable auteur de ces notes est démasqué

Les rayons cathodiques

Crookes
Sir William Crookes, son tube à la main

Les expériences sur les décharges électriques dans les gaz étaient très compliquées à interpréter, en particulier en raison de nombreux effets secondaires souvent incontrôlés, dus au gaz résiduel, au verre, aux électrodes, etc. Ces effets diminuaient quand la pression baissait, d’où un effort continu pour baisser la pression, et augmenter la tension.

Sir William Crookes améliora beaucoup le tube de Geissler en 1869 (1879?):

  • cathode concave (focalisation)
  • anode décalée
  • tensions plus fortes (jusqu’à 100 kV grâce à une bobine de Ruhmkorff)
  • et surtout pression < 0,1 Pa (10-6 atm) grâce aux progrès dans les pompes à vide

Un tube de Crookes typique mesurait 30 cm de long et 2 cm de diamètre, avec divers renflements et extensions selon le but recherché. Son tube se diffusa dans tous les laboratoires (= Allemagne, Royaume-Uni et France) et donc « tout le monde » étudia les rayons cathodiques pour en élucider la nature. Celle-ci restait mystérieuse. Crookes suggéra en 1878 qu’il s’agissait sans doute de corpuscules porteurs d’une charge électrique, et les identifia aux ions du gaz. Il évoquait de la « matière radiante », des « torrents moléculaire » et un « quatrième état de la matière ». Crookes plaça un petit moulin (radiomètre de Crookes) sur le trajet des rayons qui le faisaient tourner: ils transportaient donc une énergie et une impulsion. Une feuille d’étain placée sur le trajet chauffait.

En 1883, Heinrich Hertz n’observa aucune déviation des rayons cathodiques par un champ électrique, et il en conclut qu’il devait plutôt s’agir d’une onde électromagnétique, et que les courants de matière étaient des effets parasites. Il confirma son interprétation en 1891 en montrant que ces rayons pouvaient traverser de minces feuilles métalliques. Son élève Lenard eut alors l’idée de réaliser des tubes dans lesquels une ouverture dans le verre (fenêtre) était fermée par une feuille métallique opaque à la lumière mais laissant sortir les rayons cathodiques, pour étudier leurs effets à l’extérieur du tube.

Cependant, Thomson montra en 1894 que la vitesse des rayons cathodiques était inférieure à la vitesse de la lumière, et Jean Perrin collecta en 1895 les rayons cathodiques dans un cylindre métallique et il montra ainsi qu’ils déposaient des charges électriques. Il ne pouvait donc pas s’agir d’ondes électromagnétiques. Une controverse divisa alors l’école allemande (pour qui les rayons cathodiques sont des ondes électromagnétiques) et l’école franco-britannique (pour laquelle il s’agissait de corpuscules).

Des corpuscules électriques?

L’idée de corpuscules chargés électriquement fut renforcée en 1896 par une découverte faite dans un tout autre domaine. Cette année-là, Pieter P. Zeeman découvrit que les raies spectrales émises par le gaz s’élargissaient en présence d’un champ magnétique, cette largeur augmentant avec l’intensité du champ (effet Zeeman). En réalité le champ magnétique n’élargit pas une raie mais la scinde en plusieurs composantes, dont l’écart est proportionnel au champ magnétique, mais la résolution des spectroscopes était alors insuffisante pour résoudre ces composantes. Zeeman ne put d’ailleurs découvrir l’effet qui porte son nom que grâce à la réalisation peu avant par Rowland de réseaux de diffraction portant 400 puis 800 lignes par millimètre (équidistantes à mieux de 1/4000 mm). Hendrik Antoon Lorentz expliqua aussitôt cet effet en supposant que la lumière était émise par des particules chargées accélérées dans l’atome et il en déduisit un rapport masse/charge électrique de ces particules intra-atomiques: q/m ~ 1011 C/kg.

Parenthèse: le calcul fait par Lorentz en 1896.

En 1892, Lorentz s’était lancé dans une réinterprétation des équations de Maxwell en termes de charges électriques et de courants de charges. Le vocabulaire étant encore peu fixé, Lorentz parlait de particules en 1892, d’ions en 1895 et d’électrons en 1899. C’est ainsi qu’il explicita en 1895 la « force de Lorentz » F = q(E+VxB) s’exerçant sur une charge q de vitesse V, soumise à un champ électrique E et un champ magnétique B. En ce cas, une particule de masse m placée dans un champ magnétique B uniforme suit une trajectoire circulaire (plus généralement une hélice dans la direction du champ) avec une fréquence (dite fréquence de Larmor) fLarmor qui ne dépend que du champ B et du rapport q/m mais non de la particule elle-même, de sa vitesse ou des autres forces qu’elle pourrait subir. Si cette particule est par ailleurs naturellement en rotation à la fréquence fatome (par exemple parce qu’elle oscille dans un atome à cette fréquence, par quelque mécanisme que ce soit), le mouvement résultant est la superposition de trois mouvements périodiques dont les fréquences sont fatome , fatome + fLarmor et fatome – fLarmor . Lorentz supposa simplement que la largeur (apparente) de la raie était le double de la fréquence de Larmor, ce qui lui donna la valeur du rapport q/m de « ce qui transporte l’électricité dans un atome ».

Le rapport masse/charge électrique obtenu par Lorentz, de trois ordres de grandeur plus faible que celui de l’ion le plus léger H+, ne semble avoir étonné ni Lorentz ni Zeeman. Celui-ci observa en 1897 une séparation des raies du cadmium (à 480 nm), et non un simple élargissement, et une polarisation de la lumière dont le sens lui indiqua que la charge était négative. Zeeman et Lorentz partagèrent en 1902 le prix Nobel de physique.

Les travaux sur les rayons cathodiques furent mis en veilleuse en 1896, tous les experts du domaine se focalisant sur les rayons X nouvellement découverts, avant de revenir (certains du moins) aux rayons cathodiques en 1897 pour le sprint final.

Ce qui se passe physiquement

Le passage inévitable dans le gaz résiduel du tube (de Faraday, Geissler ou Crookes) de rayons cosmiques ou de la radioactivité naturelle ionise partiellement le gaz. En appliquant une forte tension entre les électrodes, les ions sont mis en mouvement par le champ électrique ainsi créé et ils entrent en collision avec les atomes du gaz et leurs arrachent des électrons. La suite dépend de la pression du gaz.

Pour une pression « élevée », supérieure à 100 Pa, ces électrons sont vite absorbés par les atomes du gaz. Ceux-ci sont dans un état excité à la suite de cet apport d’énergie, et ils se désexcitent en émettant de la lumière, aux longueurs d’onde caractéristiques du gaz car l’énergie des photons est égale à la différence entre deux niveaux d’énergie de l’atome.

Pour une pression « basse », inférieure à 100 Pa, les électrons vont directement vers l’anode, mais ils ne forment qu’une faible partie des rayons cathodiques. Ceux-ci proviennent pour l’essentiel des ions qui, accélérés vers la cathode, entrent en collision avec elle et lui arrachent des électrons qui, repoussés par la cathode et attirés par l’anode forment les rayons cathodiques. Le tube est sombre car le gaz est trop peu dense pour être excité et émettre de la lumière, sauf près de l’anode où les électrons frappant le verre du tube et en excitent la fluorescence.


Contact: lettreani
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Une réflexion sur “Le mystère des rayons cathodiques

  1. je trouve que cette page est vraiment excellente, c’est la premiere que je trouve qui décrit avec une certaine précision les étapes et les détails, de cette découverte de et a partir des rayons cathodiques. Le fait que c’est une histoire très européenne, a un moment ou l’histoire des sciences pouvait avoir du mal a reconnaitre ce qui avait été trouvé dans un autre pays, a du créer dans le passé de la confusion.

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