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Sur quelques phénomènes dus aux rencontres entre électrons, ions, atomes et molécules
Auguste Righi
To cite this version:
Auguste Righi. Sur quelques phénomènes dus aux rencontres entre électrons, ions, atomes et molécules.
J. Phys. Theor. Appl., 1908, 7 (1), pp.589-617. �10.1051/jphystap:019080070058900�. �jpa-00241380�
589
SUR QUELQUES PHÉNOMÈNES DUS AUX RENCONTRES ENTRE ÉLECTRONS, IONS,
ATOMES ET MOLÉCULES ;
Par M. AUGUSTE RIGHI (1).
Le choix du sujet pour cette conférence a été déterminé par les considérations suivantes.
Avant tout, j’ai pensé que j’aurais mieux réussi à entretenir l’at- tention des auditeurs en traitant quelque question qui se rattache
intimement à ces théories modernes qui, en ce moment, excitent l’in-
térêt des physiciens.
-En second lieu, il m’a semblé que c’était pour moi un devoir envers ceux qui m’avaient fait l’honneur de m’inviter, dé donner à une partie
au moins de mon exposition un certain cachet personnel. Or, dans
la conférence qui suit, j’aurai en effet occasion soit de rappeler cer-
taines recherches à moi déjà anciennes, soit de rapporter les premiers
résultats d’une étude expérimentale en cours d’exécution.
Je ne me propose naturellement pas de prendre en considération tous les cas possibles de rencontre entre des électrons et des parti-
cules matérielles, électrisées ou non, car cela donnerait à mon dis-
cours une trop grande étendue et m’obligerait à parler de faits trop
, connus ou trop peu importants. Ainsi je ne m’occuperai pas de ce
qui se produit lorsque deux particules matérielles neutres arrivent
près l’une de l’autre, et je supposerai toujours qu’il s’agit d’ions ou
d’électrons qui se rencontrent entre eux, ou qui rencontrent des atomes ou des molécules ; même je n’aborderai qu’un très petit
nombre de cas de cette espèce.
Pour la clarté de mon exposition, je tiens tout d’abord à bien définir
,le sens que je donne au mot ’ion. Plusieurs physiciens comprennent
aussi sous celte dénomination les électrons, c’est-à-dire les charges
élémentaires indivisibles qui, lorsqu’elles sont animées par un mou- vement de translation, constituent les rayons cathodiques, qui pos- sèdent une inertie apparente ou électromagnétique due à leur mou-
vement, et qui, suivant les idées nouvelles, font partie de la constitu-
tion de tout atome. Je préfère, avec d’autres physiciens, réserver le
mot ion pour désig ner un atome qui a été privé d’un ou de plusieurs
(1) Conférence faite à la Société française de Physique : Séance du 28 avril 1908.
J. de Phys., 4e série, t. VII. (Août 1908.) 39
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019080070058900
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électrons négatifs (ion positif mono ou plurivalent), ou dans la
structure duquel un ou plusieurs électrons négatifs ont été ajoutés (ion négatif mono ou plurivalent). Il est bon aussi, pour abréger le langage, de convenir que, lorsqu’on parle d’électrons, il s’agit tou- jours d’électrons négatifs. Les électrons positifs, en admettant qu’ils
existent réellement, ont échappé jusqu’ici à tous les essais qu’on a
faits pour les isoler, ou, tout au moins, on peut dire qu’il n’est pas bien démontré qu’ils puissent exister libres comme les électrons négatifs.
Il est bien entendu que rien ne s’oppose à admettre l’existence des électrons positifs, même à défauts de la possibilité de les isoler.
.
Ainsi beaucoup de physiciens, les physiciens allemands surtout,
considèrent les atomes comme des systèmes d’électrons des deux
espèces, pendant que d’autres, les physiciens anglais surtout, pré-
fèrent considérer la partie positive d’un atome comme une sphère positive unique, sorte de grand électron positif à l’intérieur duquel,
et autour de son centre, se meuvent les électrons négatifs. Une telle
structure, comprenant des électrons satellites, qui est suggérée par certains phénomènes, peut être admise aussi, si l’on y tient, si l’on
croit à l’existence des électrons positifs. Il suffit pour cela de sup- poser la sphère positive précédente constituée par l’ensemble de tous les électrons positifs avec une partie des négatifs, formant un en-
semble positif, pendant que les électrons négatifs restants se meuvent
suivant des orbites fermées.
Que l’on considère d’ une manière ou de l’autre la structure d’un atome, on comprend que, lorsque deux atomes ou deux molé-
cules, etc., ou généralement deux particules matérielles, se rap-
prochent de plus en plus, des forces diverses suivant les circons- tances devront se manifester. S’il s’agit d’ions ou d’électrons, il est
vraisemblable que, lorsque leur distance est très grande par rapport
aux dimensions atomiques, on n’ait à considérer qu’une force élec-
trique égale à celle qui existerait si les charges étaient concentrées
en deux points. Mais si, au contraire, ladite distance devient assez
petite, cette simplification ne peut se faire, et il faut tenir compte des forces multiples effectivement existantes, dont les effets peuvent
à chaque instant changer du tout au tout, suivant l’orientation réci- proque des deux particules.
Un des résultats que peut avoir un tel rapprochement entre un ion
ou un électron, d’une part, et un atome ou une molécule, de l’autre,
591 c’est l’ionisation de ces derniers, c’est-à-dire la séparation d’élec-
trons (généralement de un) qui resteront longtemps libres, ou ne
tarderont pas à s’attacher à des atomes et à former ainsi des ions né-
gatifs, suivant que la pression du gaz dont ces particules font par- tie est très petite ou très élevée:
Pour que l’ionisation puisse avoir lieu, il faut naturellement
qu’une certaine quantité d’énergie soit dépensée, et, s’il n’y a pas de
source étrangère, elle doit être fournie par la force vive de transla- tion. Celle-ci ne fera pas défaut et même deviendra considérable pour des ions ou des électrons placés dans un champ électrique.
Mais, s’il n’y a pas de champ électrique, ou s’il est assez faible, les
vitesses restent, en moyenne, très petites, et les rencontres des ions
avec les molécules ou les atomes ne peuvent donner lieu à la produc-
tion de nouveaux ions.
3Je ne me propose pas de vous entretenir du premier de ces deux
cas extrêmes possibles, c’est-à-dire de l’ionisation par choc, qui est
la base de la théorie des décharges électriques autonomes ; je m’ar- rêterai, au contraire, sur le deuxième, pour étudier des phénomènes
de deux espèces différentes, qui se présentent alors.
Considérons, en premier lieu, un gaz à la pression ordinaire con-
tenant des ions et placé dans un champ électrique faible. Ces ions, qui peuvent avoir une origine quelconque, possèdent une vitesse
dont la composante parallèle à la direction du champ ira en crois-
sant entre deux rencontres successives, sans toutefois que l’énergie
arrive à la valeur nécessaire pour qu’il y ait ionisation. A chaque
nouvelle rencontre, la vitesse de translation d’un ion subira générale-
ment une diminution et, dès qu’il s’éloignera de la particule qu’il a
rencontrée sur son chemin, la force électrique lui communiquera une
nouvelle vitesse. On pourrait croire que, dans des conditions telles que celles-ci, il ne puisse se produire qu’une confusion complète, ou
du moins aucun phénomène digne de remarque ; mais il n’en est rien, comme on va le voir.
J’ai en effet
autrefois démontré que les mouvements des ions dans
un gaz ionisé à la pression atmosphérique présentent dans leur
ensemble une remarquable régularité, lorsqu’il existe un champ électrique, assez faible toutefois pour que l’ionisation par choc n’ait pas lieu, ou n’ait lieu que dans un petit espace.
Mes expériences sur les ombres électriques dans l’air libre sont
déjà anciennes, car elles ont été commencées en 1881, bien avant
592
donc que la théorie des ions et des électrons ait pris naissance. On admettait alors généralement que les ombres de Hittorf, Goldstein
et Crookes étaient dues à des molécules gazeuses électrisées né-
gativement et repoussées par la cathode, et mon but était de voir si, comme je le supposais, on pouvait produire des phénomènes
semblables dans l’air non raréfié. Dans mes premières expériences,
l’émission des particules électrisées était obtenue par la décharge
entre une pointe aiguë et un plateau conducteur placé vis-à-vis de la pointe ; et voici comment on peut les expliquer aujourd’hui avec
les termes que suggère la théorie des ions.
Très près de la pointe il y a, comme l’on sait, deux régions d’ioni-
sation par choc, qui fournissent l’une à l’autre les ions ; mais, dans
la plus grande partie du champ électrique, celui-ci peut être assez faible’pour que les ions de même nom que la pointe, les seuls qui se
meuvént alors dans la plus grande partie du champ, soient inca- pables d’ioniser par choc les molécules de l’air, qu’ils rencontrent
sur leur chemin. Les chocs, naturellement très fréquents à la pres- sion atmosphérique, n’ont d’autre effet que d’empêcher les ions
d’accélérer sans limite leur mouvement, et même de maintenir leurs vitesses à de faibles valeurs. Il s’ensuit que les ions se meuvent à tout instant à peu près dans la direction de la force électrique.
Leurs trajectoires différeront donc très peu des lignes de force, et
tout obstacle placé sur leur chemin projettera une ombre.
Pour vérifier cette prévision, il fallait trouver quelque artifice
pour rendre cette ombre visible, et on y arrive, par exemple, en pla-
çant devant la pointe et au delà de l’obstacle, et précisément tout près de l’électrode plane, une lame isolante, qui s’électrise partout
où l’obstacle ne la défend pas des ions qui la bombardent. Le mé-
lange bien connu de minium et de soufre en poudres très fines rend
facilement visible cette ombre.
On peut aussi opérer de la manière suivante : On dépose sur le plateau métallique, placé cette fois horizontalement, au-dessous de la pointe tournée vers le bas, une couche légère d’une poudre con-
ductrice. Celle-ci sera vivement projetée loin par la région située
dans l’ombre, car ici les ions n’arrivent pas pour décharger les par- ticules de poudre, qui retombent donc continuellement à leur place
sur le plateau.
Je puis vous montrer une expérience de ce genre, qu l’on pourra
considérer comme dédiée aux dames, car je vais employer un objet
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qui est en même temps un des produits de leurs mains habiles et un
des coefficients de leur élégance. J’emploie en effet comme obstacle
destiné à arrêter les ions et à projeter son ombre un morceau de dentelle, placé horizontalement entre cette pointe tournée vers le bas
et communiquant avec le pôle négatif de la bobine d’induction, et ce
papier blanc placé au-dessous sur un plan conducteur communi- quant avec le pôle positif. Après avoir déposé une légère couche de
limaille de fer très fine sur le papier, je mets en action la bobine pour
un instant. Voilà l’ombre blanche de la dentelle sur fond noir qui
s’est produite de la manière décrite auparavant.
Ainsi, une pointe électrisée ne produit pas tout simplement, comme
on a cru pendant longtemps, un courant d’air analogue à celui que l’on pourrait obtenir en soufflant dans un tube eflilé.
Plus tard j’obtins des résultats tout à fait semblables dans l’air ionisé, non plus par la décharge, mais parl’action des radiations sur
les corps électrisés négativement, ou par l’action sur l’air des radia- tions de Rôntgen ou de celles émises par les corps radioactifs, ou enfin en ionisant l’air au moyen d’un fil de platine incandescent.
Mais des expériences de cette sorte seraient peu probantes, si l’on
ne pouvait s’assurer de l’identité presque parfaite entre les trajec-
toires réellement parcourues par les ions et les lignes de force du
champ. Comme la forme de ces lignes est presque toujours très compliquée, j’ai eu recours aux distributions cylindriques, et préci-
sément au cas du champ dû à deux cylindres à section circulaire, parallèles entre eux et chargés avec signes contraires. L’un d’eux peut être constitué par un plateau communiquant avec la terre. On
sait que, dans ce cas, les lignes de force sont des arcs de cercle, et
il est très aisé de calculer le point d’arrivée de l’une d’eMes sur un
des deux conducteurs, lorsqu’on se donne le point de départ sur
l’autre conducteur, ou bien un quelconque de ses points. Cela permet
d’indiquer d’avance la forme et la place de l’ombre projetée par
un obstacle donné. L’accord avec l’expérience fut toujours des plus
satisfaisants.
.
Les changements, que j’ai constatés par expérience, lorsqu’on
diminue la pression de l’air, sont, eux aussi, en plein accord avec
ce que l’on pouvait prévoir. Pendant qu’aux hautes pressions on
n’a affaire presque exclusivement qu’à des ions des deux espèces,
lorsque la pression diminue de simples électrons se présentent en
nombre croissant à la place des ions négatifs. En même temps, les
594
rencontres des particules électriques, ou électrisées, avec les molé- cules, deviennent de plus en plus rares; les ions et les électrons par- courent donc des trajectoires qui diffèrent de plus en plus des lignes
de force et qui se rapprochent des tangentes à ces lignes aux points
de départ, jusqu’à ce qu’enfin ces trajectoires deviennent sensible- ment rectilignes. On vérifie donc qu’il existe un passage graduel
entre le cas des ions, qui suivent presque exactement les lignes de force, et le cas des électrons, qui constituent les rayons cathodiques,
ou le cas des ions positifs, qui constituent les rayons-canaux.
Dans tous les cas, ce n’est que d’une manière approximative que les ions suivent les lignes de force ; ils peuvent même s’en écarter d’une manière marquée, particulièrement là où le champ a une plus grande intensité, par exemple près des conducteurs. De là la possi-
bilité de les faire passer par de petites ouvertures percées dans une électrode, précisément comme lors de la production des rayons-canaux
dans un tube à vide.
Pour réaliser ce phénomène, je n’ai eu qu’à substituer à la plaque métallique, placée vis-à-vis de la pointe aiguë dans l’expérience pri-
mitive, une toile métallique. Alors certains des ions partis de la pointe et arrivés très près des fils métalliques, au lieu de se diriger
sur eux en suivant les lignes de force, peuvent les contourner et passer au delà de la toile. Un conducteur électrisé en sens contraire des ions et placé au delà de celle-ci pourra régler et diriger leurs
mouvements, et dans ce nouveau champ électrique on pourra mettre en évidence le fait qu’ils en suivent sensiblement les lignes
de force.
Pour vous montrer avec quelle précision s’effectue ce mouvement des ions, je vous présenterai le résultat d’une expérience qui était disposée comme dans la figure 1) projetée devant vous en ce
moment : A est la pointe ; BC, la toile métallique traversée par les ions partis de A ; GF est un plateau conducteur électrisé en sens
contraire de la pointe, et DE une lame d’ébonite placée près de sa
surface. Comme BC est en communication avec le sol, il se forme
entre BC et FG un champ sensiblement uniforme. Dès lors les ions, qui traversent les ouvertures de la toile, portent sur l’ébonite leur
charge, que le mélange de minium et de soufre rendra visible. Voici
l’image photographique de l’ébonite après l’expérience (fin. ~) et,
à sa gauche, celle de la toile. Vous pouvez apprécier ainsi avec quelle
précision les ions ont formé, pendant leur mouvement, des faisceaux
595 à section carrée, et ont imprimé sur l’ébonite une image fidèle des ouvertures de la toile. Dans cette expérience, le champ étant uni- forme, il n’y avait pas, de la part des ions, tendance à s’écarter des
lignes de force. Mais les résultats sont non moins satisfaisants avec des champs non uniformes.
FrG. 1.
D’après ce que je viens de vous exposer à propos des ombres
électriques, on comprendra que, pour bien connaître les phéno-
mènes qui se produisent lors de la rencontre d’un ion avec une mo-
lécule, il ne faut pas se limiter, comme on le fait généralement, à
considérer seulement l’ionisation de celle-ci.
Mais d’autres phénomènes encore, qui sont d’une nature tout à fait différente, peuvent se produire lorsque des ions rencontrent des atomes ou des molécules sans les ioniser.
Si deux particules matérielles se trouvent très près l’une de l’autre,
et si leurs vitesses diffèrent assez peu en grandeur et en direction, il peut se faire que, au moins temporairement, les forces réciproques
entre les électrons dont elles sont constituées les maintiennent unies.
Sans exclure la possibilité d’une réunion entre deux molécules, celle
entre un ion et une molécule paraît être naturellement la plus pro-
596
ci
c
597 bable. Il paraît probable aussi qu’un ion puisse s’agréger successi-
vement plusieurs molécules en formant entre elles un lien, et donnant
lieu ainsi à la constitution d’une masse beaucoup plus considérable que celle d’une molécule ou d’un ion, et cependant ne portant qu’une charge égale à celle qui correspond en valeur absolue à
un électron. Des systèmes de ce genre pourront être continuellement détruits par de nouvelles rencontres, mais d’autres pourront se former à tout moment.
Rien ne s’oppose à admettre qu’un ion de signe contraire puisse
adhérer à un de ces systèmes ; il paraît même probable que ce fait doive se produire très souvent. On aura alors un système neutre, de
masse plus considérable que celle d’une simple molécule.
A mon avis, les gros ions découverts par M. Langevin dans l’air,
et que M. Bloch a démontré exister dans d’autres circonstances, et
cette espèce de gros ions latents, c’est-à-dire de grosses masses
prêtes à devenir de gros ions, mis en évidence par M. de Broglie,
sont la réalisation de ce que je viens d’imaginer. L’existence de ces
intéressants phénomènes ayant été révélée ici, je n’oserai pas m’y
arrêter. Je préfère indiquer, comme j’ai eu déjà occasion de le faire il y a quelques mois, certaines analogies qu’ils me semblent pré-
senter avec d’autres phénomènes de nature différente.
Il y a lieu de croire que des agrégations pluriatomiques ou pluri-
moléculaires semblables à celles dont j’ai parlé tout à l’heure puissent
se former dans le sein des liquides, électrolytes ou non. En particu- lier, je ne puis m’empêcher de voir une analogie intime entre les
gros ions et les granules d’un colloïde.
Comme les ions dans les gaz ou dans les électrolytes, les granules
des solutions colloïdales possèdent une charge électrique, et tout le
monde connaît les expériences élégantes de MM. Cotton et Mouton, qui rendent directement accessibles à la vue les mouvements des
granules dans un champ électrique. Màis leur mobilité est si petite, lorsqu’on la compare à celle des ions dans un électrolyte, que la conductibilité d’un colloïde est extrêmement faible par rapport à celle d’une solution saline. Comme cette petitesse de la mobilité tient vraisemblablement à la grandeur de la masse, on voit que les gra- nules d’un colloïde sont aux ions d’un électrolyte ce que sont les gros ions aux ions gazeux ordinaires.
.
En suivant cette voie des analogies, on peut arriver très loin, jus- i
qu’à ne plus voir aucune ligne de séparation bien nette entre les mo-
598
lécules et des masses assez considérables pour qu’on doive les appeler des corps.
D’abord on reconnaît généralement qu’il serait diificile d’établir
une ligne de démarcation très nette entre les vraies solutions et les
liquides colloïdaux. Il est vrai que ceux-ci ont une structure essen- tiellement discontinue, qui souvent est rendue perceptible par l’ul-
tramicroscope, mais qui plus généralement est révélée par la diffrac- tion de la lumière qui les traverse ; mais, suivant MM. Lobry et Wolff,
une action semblable peut être produite par de vraies solutions
salines, dont les molécules donneraient lieu à la diffraction; suivant
une théorie connue, les molécules de l’air produiraient par diffrac- tion le bleu du ciel.
On peut ajouter que, comme sous l’action de la pesanteur, ou,
d’une manière plus rapide, au moyen de la centrifugation, on peut séparer les granules d’un colloïde, suivant lesdits auteurs on arrive à concentrer par centrifugation dans les régions périphériques une
solution d’iodure de potassium. Si ces résultats remarquables sont généralisés, on devra bien admettre que granules et ions électro-
.
lytiques ne diffèrent au fond surtout que par la grandeur de leur
masse, et reconnaître que ce qui est mouvement rapide et invisible
de l’ion peut se transformer sans transition brusque en mouvement
brownien du granule, que ce qui est diffusibilité rapide et conduc-
tibilité électrique assez marquée dans les solutions salines devient
en conséquence pression osmotique et conductibilité presque nulles
dans les colloïdes, et ainsi de suite.
Mais, d’un autre côté, certaines analogies frappantes paraissent
exister entre les liquides colloïdaux et les simples suspensions,
c’est-à-dire les liquides dans lesquels nagent des particules so-
lides extrêmement petites, obtenues au moyen d’une précipitation chimique ou d’une autre manière quelconque. Je ne considérerai à
ce propos que la question suivante :
Supposons que l’on détermine la densité d’un colloïde ou d’une
suspension au moyen du picnomètre. Il est évident que le résultat
numérique auquel on parvient coïncide avec celui qu’on pourrait
calculer d’avance si l’on connaissait la densité du liquide dans toute
son extension et cel~e des granules ou des particules suspendues,
ainsi que leur volume. Mais, si l’on mesure la densité au moyen de
l’aréomètre, il paraît, tout au moins dans le cas des suspensions,
que l’on doive obtenir un résultat différent, et précisément la den-
599 sité du liquide seul. En effet, la présence de particules solides dans
un liquide ne paraît pas devoir exercer la moindre influence sur la
poussée hydrostatique que ressent l’aréomètre.
Au contraire, le résultat que l’on obtient avec l’aréomètre diffère d’autant moins de celui que l’on obtient avec le picnomètre que les
particules solides sont plus petites et tombent plus lentement.
Des recherches récentes de 1B1. Loeffler et de quelque autre physi-
cien ont donné la clef de l’explication de ce fait curieux, basée sur
l’action des courants liquides produits par les particules tombant
lentement. Or, vu la continuité qui apparaît entre ions, granules et petits solides en suspension, on serait tenté d’appliquer une explica-
tion mécanique semblable au fait de l’augmentation de densité d’un
liquide, lorsqu’on y dissout un sel quelconque.
De ce que je viens d’exposer rapidement, on peut conclure que les
agrégations qui peuvent se former lors des rencontres entre ions et atomes ou molécules peuvent être plus ou moins complexes, peut-
être à d’innombrables degrés, et que la conception classique, suivant laquelle il y a simplement des corps ou des éléments cristallins, ou des molécules, ou des atomes, ou (on pourrait ajouter aujourd’hui)
des électrons, devrait être modifiée par l’admission de l’existence d’une infinité de degrés par lesquels on peut passer de la molécule
aux corps proprement dits.
Ces considérations nous ont transporté dans la mer périlleuse
des hypothèses fantastiques. Hâtons notre retour à terre pour arriver
.
au sujet principal de ma conférence et considérer, cette fois avec
une certaine extension, un dernier cas de rencontre, et précisément
celle entre un électron et un ion positif.
On n’a jamais songé, que je sache, à un cas possible, qui me
semble mériter cependant l’attention des physiciens. On admet que la rencontre entre un électron et un ion positif a pour conséquence
immédiate leur neutralisation, c’est-à-dire leur union pour former
un atome neutre. Naturellement on n’exclut pas, bien que l’on n’ait pas occasion de l’affirmer, que, sous certaines conditions de grandeur
et direction de leurs vitesses, l’électron et l’ion positif puissent, après s’être approchés jusqu’à une certaine distance minimum,
rester séparés et s’éloigner l’un de l’autre, emportés par leurs
vitesses respectives.
600
Eh bien ! il me semble qu’il y a un troisième cas possible, et préci-
sément la formation d’un système binaire, neutre dans son ensemble,
mais bien différent d’un atome. Je conçois ce système comme une espèce d’étoile double. Les deux astres qui la composent sont l’élec-
tron et l’ion positif ; la gravitation, qui oblige les deux astres à
tourner autour du centre de leurs masses, est ici remplacée par l’attraction électrique. Je crois que la possibilité de la formation de
systèmes semblables ne peut être niée par personne ; car, entre le
cas où l’électron et l’ion s’approchent si peu et dans des conditions telles qu’ils restent séparés, et l’autre cas extrême dans lequel ils s’approchent de manière qne l’électron entre dans la structure de l’ion en le transformant en atome, il doit y avoir le cas intérmédiaire dans lequel l’électron s’approche assez de l’ion pour être capté, tout
en restant assez éloigné pour que l’ion agisse sur lui comme un centre unique chargé positivement.
Une fois cette possibilité admise, il fallait examiner si, et dans quelles conditions, on pouvait espérer déceler la présence de ces
nouvelles structures atomiques dans un gaz ionisé.
Avant tout, il paraît évident qu’une structure de cette espèce sera
très instable, car, à la suite de sa rencontre avec un ion ou une
molécule, aura lieu ou la séparation de l’électron de l’ion positif, ce qui sera bien plus facile que l’ionisation d’un atome, ou un rappro- chement de l’électron à l’ion, qui déterminera leur combinaison;
mais, tant qu’aucune rencontre n’aura lieu et qu’il n’y aura pas de force
perturbatrice, la petite étoile double ne cessera d’exister, et chacune des’deux parties dont elle est constituée suivra sans altérations son orbite. Et, comme la masse de l’ion est assurément très grande par
rapport à celle de l’électron, on pourra, pour simplifier, admettre
que celui-ci tourne autour de l’ion comme une planète autour du
Soleil.
Abstraction faite du mouvement de translation que le système
entier possédera généralement, l’orbite de l’électron pourra être, dans un cas particulier, une circonférence. Et, comme une charge électrique qui se meut suivant une courbe fermée, par exemple une circonférence, doit montrer dans une certaine mesure les propriétés
d’un courant fermé ou d’un élément magnétique, il est tout naturel
de se demander quel effet produira sur les systèmes considérés un
champ magnétique.
Or, bien que malheureusement on ne puisse raisonner qu’à l’aide
601
d’analogies, on arrive à se persuader que très probablement le champ magnétique, suivant les cas, augmentera ou rendra encore plus petite la stabilité du système ion positif-électron. Considérons en
effet deux cas très simples, qui parai~sent être en même temps ceux
de la stabilité maximum et minimum. Dans l’un comme dans l’autre,
nous supposons que l’électron tourne circulairement autour de l’ion,
mais dans les deux cas avec des sens de gyration opposés; nous admet-
tons aussi que le champ est perpendiculaire au plan de l’orbite. Il
, est évident que la force électromagnétique qui entre en jeu, laquelle
est en même temps perpendiculaire à la vitesse de l’électron et à la
direction du champ, s’ajoutera dans un cas à la force électrique qui
retient l’électron dans son orbite, et se retranchera dans l’autre cas
de ladite force. Lorsque les deux forces agissant sur l’électron ont même sens, on aura la plus grande stabilité possible, car c’est comme
si l’attraction réciproque entre l’ion et l’électron était augmentée.
Lorsque la force électrique et la force électromagnétique sont oppo- sées, on aura naturellement un effet contraire, et la stabilité sera
moindre que sans le champ magnétique.
Si l’orbite n’est pas circulaire, ce sera une composante de la force électromagnétique qui devra être prise en considération ; mais on ne peut pas approfondir cette question de la stabilité, faute de connaître comment la trajectoire reste modifiée sous l’action du champ, même lorsqu’elle était d’abord circulaire. En tout cas, on doit bien admettre que le champ confère une certaine stabilité à quelques-uns des sys- tèmes doubles considérés ici.
Cela suggère la voie à suivre, si l’on veut chercher à mettre en
évidence l’existence de ces hypothétiques étoiles doubles. Si vrai- ment un champ magnétique augmente la stabilité d’un certain nombre d’entre elles, on devra les chercher dans un gaz placé dans
un champ magnétique puissant. D’un autre côté, il convient de ré- duire dans une certaine mesure la pression du gaz, car de cette ma-
nière on diminue la fréquence des rencontres, mais, toutefois, sans
arriver à de grandes raréfactions, car alors il y aurait peut-être trop peu d’ions positifs disponibles.
Enfin, comme en même temps que le champ magnétique il faut
avoir aussi dans le gaz nombre d’ions et d’électrons, et qu’on les
produit aisément au moyen des décharges, on voit que l’on est
amené à porter l’attention sur les phénomènçs de décharge élec-
trique dans les gaz placés dans un champ magnétique puissant,
602
pour avoir quelque chance de trouver une manifestation de nos sys- tèmes tournants.
Depuis quelques mois je m’occupe de cette question, et je vais
résumer les quelques résultats déjà obtenus, et vous décrire quelques expériences qui sont pour la plupart encore inédites.
Le physicien allemand Plücker montra, il y a précisément un demi-siècle, ces bandes remarquables de lumière, qui partent de la cathode dans un tube à gaz très raréfié placé près des pôles
d’un aimant, et qui ont une forme telle qu’elles contiennent les lignes
de force magnétiques passant à travers la cathode. Onze ans après,
Hittorf obtenait un phénomène semblable, mais compliqué par la présence d’une espèce d’hélice lumineuse partant de la cathode et contenue dans ladite bande de lumière. Plus tard, d’autres physi-
ciens ont décrit des phénomènes analogues, et tout récemment
M. Villard a publié sur ce sujet un travail vraiment remarquable,
sur lequel j’aurai occasion de revenir.
On a considéré jusqu’à présent ces phénomènes comme dus aux
rayons cathodiques, modifiées dans leur forme par le champ magné- tique.
Cette forme, c’est-à-dire la trajectoire d’un électron dans un
champ magnétique, peut se déterminer facilement si le champ est
uniforme ; et le résultat bien connu auquel on arrive est que l’élec-
tron doit se mouvoir suivant une hélice tracée sur un cylindre circu-
laire parallèle au champ, le rayon du cylindre étant d’autant plus petit que le champ est plus intense; et, comme on peut rendre visibles les rayons cathodiques, en dehors de la fluorescence qu’ils provoquent sur les parois, en réduisant convenablement la surface de la cathode et en employant un gaz qui ne soit pas trop raréfié, et
cela à cause (suivant l’opinion admise généralement) d’une fluores-
cence de gaz, les hélices susdites pourront se voir nettement comme dans l’expérience de Hittorf ou comme dans un grand nombre des expériences très élégantes décrites par M. Villard,.
Si au champ magnétique on ajoute un champ électrique uniforme,
la solution analytique est encore assez simple; mais, pour des champs
non uniformes, la détermination de la trajectoire d’un électron est un
problème qui présente des difficultés dignes d’être attaquées par votre grand Poincaré, qui en effet a résolu le problème dans le cas
du champ dû à un simple pôle magnétique. Mais on comprend tout
de même que dans un champ quelconque les rayons cathodiques s’en-
603 roulent autour des lignes de force en courbes qui ressemblent plus
ou moins à des hélices.
Pour expliquer les bandes de lumière de Plùcker, Hittorf, etc., il faut ajouter la considération suivante :
De nouveaux rayons cathodiques se forment partout où les élec-
trons en mouvement rencontrent un obstacle, corps ou molécule ; par
conséquent, un rayon de forme hélicoïdale fera naître tout le long du
chemin de nouveaux rayons, qui, sous l’action du champ, pren- dront aussi la forme approchée d’hélices. Mais ces hélices, en raison
de la vitesse relativement petite des rayons cathodiques secon- daires, seront tracées sur des tubes de rayon si petit qu’elles pour-
ront ne pas se distinguer des tubes eux-mêmes, particulièrement lorsque la section transversale du faisceau cathodique n’est pas extrê- mement petite. On explique ainsi la bande lumineuse, dessinant un
tube de force magnétique, qui contient l’hélice cathodique.
Ce tube de force lumineux est dévié par un champ électrique
transversal dans une direction à peu près normale aux directions
des deux champs, comme l’a observé Villard ; mais, comme l’a
montré M. Fortin, on rend compte facilement de ce fait dans le cas de champs uniformes, en calculant la direction de l’axe de l’hélice dans ces nouvelles conditions.
°
Ces explications, bien que suffisantes en elles-mêmes, ne satisfont
pas tout le monde, et M. Villard, dans le cours de ses expériences
sur les rayons cathodiques dans le champ magnétique, a eu l’occasion
de proposer l’hypothèse suivant laquelle la bande de lumière dessi- nant à peu près le tube de force ayant la cathode pour section serait la manifestation de rayons nouveaux de nature inconnue, qu’il a ap-
pelés rayons rnagnêto-cathorliQues. Auparavant, M. Broca avait, lui aussi, été conduit à supposer l’existence de rayons différents des rayons cathodiques, qu’il appelait rayons de seconde
Eh bien! selon moi, les nouveaux rayons ne sont autre chose que les trajectoires de ces systèmes tournants, formés par un ion positif
et un électron, dont j’ai parlé tout à l’heure, comme les rayons catho-
diques ne sont que les trajectoires de simples électrons.
Bien qu’il n’existe aucune preuve décisive en faveur de l’existence de nouveaux rayons (car l’expérience capitale suivant laquelle le
faisceau partant de la cathode dans un champ magnétique ne trans- porterait aucune charge n’a pas semblé, à M. Villard lui-même,
assez sûre), toutefois, dès que j’ai exécuté des expériences de ce
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genre, j’ai eu irrésistiblement l’impression qu’il y a réellement quelque chose de nouveau dans leur production, et même je suis ar-
rivé à penser que, si l’on s’est contenté jusqu’à présent de l’explica-
tion connue, cela a été surtout à cause de l’absence d’autre explica-
tion meilleure.
Pour arriver à des preuves en faveur de mon hypothèse aussi
sûres que celles qu’on a obtenues en faveur de la nature soupçonnée
des rayons cathodiques, il faudrait avant tout pouvoir se rendre compte de la forme des trajectoires des systèmes tournants ion positif-électron dans le champ magnétique qui en assure l’existence
temporaire, et puis prévoir quels changements devraient avoir lieu
en modifiant l’expérience, par exemple en ajoutant un nouveau
champ magnétique, ou un champ électrique, ou autrement. 1B1alheu- reusement cette voie de recherche ne peut ètre suivie dans le cas des
nouveaux rayons, car, s’il est possible d’écrire avec certaines sim-
plifications les équations différentielles du mouvement pour le sys- tème ion positif-électron, on ne réussit
.-ou tout au moins je n’ai réussi,
-ni à les intégrer, ni à en déduire des conséquences aisé-
ment vérifiables par l’expérience. On en est donc réduit aux conjec-
tures et aux analogies, ce qui fait que la recherche est pénible et telie que difficilement elle pourra conduire à des résultats indiscu- tables.
Une analogie qui se présente d’elle-même à l’esprit conduit à
l’assimilation de l’électron tournant autour de l’ion avec un courant fermé ou avec un élément magnétique. C’est cette analogie qui jus-
tifie la dénomination de rayons magnétiques que j’emploie pour
désigner les nouveaux rayons. Cette dénominati on concise exprime
mieux que toute autre la nature hypothétique des rayons dont il
s’agit et leur manière ùe se comporter, comme on va le voir.
Pour profiter de l’analogie indiquée, supposons, d’abord, que le
champ magnétique soit uniforme et que le plan du système ion positif-électron soit à peu près normal à la direction du champ. Ce système tendra à s’orienter, mais non à se déplacer. Si, au contraire,
le champ n’est pas uniforme,, le système tendra à se transporter vers
la région où le champ a sa plus grande ou sa plus petite intensité,
suivant le sens de gyration de l’électron.
Lequel des deux cas aura lieu pour les systèmes tournants dont
le sens de gyration est tel que la stabilité soit augmentée par le
champ ?
’605 En tenant compte exactement da sens dans lequel agit la force électromagnétique sur l’électron, on trouve qu’il faut se tenir à la
deuxième alternative, c’est-à-dire que le système ion-électron devra
se déplacer de manière à se porter dans la région où le champ est plus faible, précisément comme s’il s’agissait d’un corps diamagné- tique ou d’un conducteur dans la masse duquel, au moment de la
création du champ, se seraient développés des courants induits.
Ainsi, lorsque le champ est dû à un pôle d’aimant placé près de la cathode, les couples tournants, qui constituent les rayons magné- tiques, seront repoussés par le pôle, et les rayons s’allongeront de plus en plus si l’on fait croître l’intensité du champ.
Si l’on accepte cette prévision intuitive suggérée par une simple analogie, le fait que le champ semble être moteur pour ces rayons se trouve expliqué.
Quant au sens dans lequel le plan du système ion-électron tour-
nerait, s’il était rigide, on trouve que, si son plan est normal aux lignes de force, il ne tend pas à s’orienter autrement, et que, s’il a
une orientation assez différente, il tend à s’en éloigner de plus en plus ;
et, comme la force électromagnétique n’est plus alors concordante
avec l’attraction électrique réciproque entre l’ion et l’électron, et finit
même par avoir un sens opposé, le couple deviendra de plus en plus
instable et disparaîtra bientôt. On peut donc, il me semble, se
limiter à considérer comme constituant des rayons magnétiques
les couples tournants dont le plan est à peu près normal au champ.
Pour simplifier, on a admis ici que les orbites sont planes, ce qui, peut-être, n’est pas toujours vrai.
Si l’on fait agir sur les rayons supposés un deuxième champ ma- gnétique, par exemple en approchant un aimant latéralement au tube à décharges, les rayons changeront de forme, parce qu’on a ainsi un champ magnétique résultant, nécessairement différent du champ primitif; et, pour chercher à deviner la nature de ces changements,
on peut considérer que les rayons se comporteront vraisemblable- ment à peu près comme ces rayons cathodiques tordus en courbes
ressemblant à des hélices dont, suivant l’opinion admise jusqu’ici,
la bande lumineuse dessinant un tube de force magnétique serait uniquement composée. Donc les rayons magnétiques se dirigeront
à peu près vers le pôle approché latéralement, si celui-ci est de
nom contraire à celui qui crée les rayons, et ils seront repoussés dans
le cas contraire. L’expérience montre effectivement que le faisceau
J. de Phys., 4e série, t. V1I. (Août 1908.) 4Q
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de lumière bleu violet partant de la cathode se comporte comme un
fil très flexible de substance magnétique attaché au pôle principal
par une de ses extrémités. Si vraiment les rayons magnétiques se comportent de cette manière, on ne pourra pas les séparer des rayons
.
