Mois : juin 2019

Tube à rayons cathodiques utilisé par J. J. Thomson.

Musée du laboratoire Cavendish. Cambridge.

Les expériences de Thomson étaient présentées comme ayant résolu l’une des grandes controverses scientifiques de l’époque. A la fin du XIXe siècle, en effet, deux conceptions s’affrontent à propos des rayons cathodiques, c’est-à-dire du rayonnement émis par la cathode d’un tube à gaz raréfie. Pour une partie des physiciens, notamment les Britanniques, les rayons représentent les trajectoires de particules en mouvement. Les autres physiciens les décrivent au contraire comme des ondes se déployant à travers ce milieu universel qui nous semble aujourd’hui si étranger : l’éther. Pour les premiers, les rayons sont déviés par un champ magnétique et véhiculent une charge électrique, ce qui soutient la vision particulaire, la théorie de l’émission. Parmi les seconds, H. Hertz rapporte qu’ils ne sont pas déviés par un champ électrique et P. Lenard qu’ils peuvent traverser une paroi métallique, ce qui semble accréditer la conception ondulatoire. Situés dans ce contexte, les travaux de Thomson faisaient figure d’expérience cruciale. En 1897, reprenant et modifiant un dispositif de Jean Perrin, il met en évidence la charge électrique véhiculée par les rayons. Thomson parvient aussi à les dévier électro-statiquement, faisant ainsi apparaître le résultat d’Hertz comme un artefact, comme une erreur due à une insuffisante raréfaction du gaz. Son dispositif expérimental lui permet enfin de mesurer le rapport de la charge électrique e à la masse m des particules, à défaut d’avoir accès à la mesure indépendante des deux grandeurs. Il obtient des valeurs d’e/m environ mille fois supérieures à celles de l’atome d’hydrogène et, de plus, montre qu’elles sont indépendantes du gaz et du métal des électrodes qu’il emploie dans ses expériences. Thomson en tire une triple conclusion : les rayons sont des corpuscules, c’est-à-dire des particules chargées négativement, celles-ci sont environ mille fois moins massives que l’atome d’hydrogène, et elles sont un composant de tous les atomes quelle que soit leur identité chimique. Les arguments de la conception corpusculaire se voient donc étendus et renforcés, et ceux de sa rivale anéantis (en particulier, le phénomène de Lenard s’explique par la taille infime des corpuscules, ce qui les rend susceptibles de traverser aisément les parois. La controverse est donc résolue. Et l’électron vient d’être découvert. Ici s’arrête le récit traditionnel. Une première rectification consiste à redistribuer la paternité de la découverte. Il est maintenant établi qu’un physicien allemand, Emil Wiechert, avait devancé Thomson : quatre mois avant lui, Wiechert mesure e/m pour les rayons cathodiques, affirme que les rayons sont des particules et non des ondes, et suggère que ces particules sont un élément constitutif de l’atome. Mais son article est publié dans une revue peu prestigieuse et mal distribuée, il passe donc largement inaperçu. Thomson, notamment, ne l’a pas lu […]. Un examen approfondi rappellerait que les travaux de Thomson (ses mesures de e/m ou ses spéculations sur la nature de la particule cathodique) ont été précédés par ceux d’Arthur Schuster en 1890, accompagnés par ceux de Wiechert et Perrin en 1897, et prolongés par ceux de Walter Kaufmann à partir de 1898.

Benoît Lelong. Personne n’a découvert l’électron. L’émergence de la première particule fut un long travail collectif et multiforme. La Recherche, 303, 80-84, 1997.

Quatre travaux sont proposés ici, à propos de la découverte de l’électron.

1. Electrolyse

Document de travail : [stoney-electrolyse.pdf]

On exploite les lois de Faraday pour retrouver la valeur de la charge électrique élémentaire, donc de l’électron supposé par Stoney.

2. Déflexion

Documents de travail : [schuster-wiechert-thomson.pdf] et [deflexion.pdf]

Schuster, Wiechert et Thomson supposent que les rayons cathodiques sont constitués de particules chargées électriquement (et non pas d’ondes comme l’envisageaient Hertz et Lenard). Ils exploitent la déflexion magnétique de ces rayons cathodiques pour déterminer le rapport e/m (charge / masse) des particules supposées. Il s’avère que ce rapport e/m est presque deux mille fois plus grand que celui de l’ion le plus petit H⁺, ce qui amène Wiechert puis Thomson à supposer l’existence d’une particule élémentaire, l’électron, déjà envisagé quelques années plus tôt par Stoney à propos de l’électrolyse.

3. Thomson

Documents de travail : [thomson.pdf]

Documents complémentaires : [thomson-1.pdf] et [thomson-22.pdf]

On exploite ici deux situations expérimentales réalisées par Thomson : la déviation des rayons cathodiques dans un champ électrostatique puis la superposition d’un champ magnétique de façon à annuler cette déviation. On peut alors déterminer la vitesse et le rapport e/m des électrons supposés.

4. Millikan

Documents de travail : [millikan.pdf]

Documents complémentaires : [millikan-1.pdf] et [millikan-2.pdf]

On reprend ici les travaux de Millikan pour la détermination de la charge électrique élémentaire (sans trop simplifier).

Autres documents également disponibles :