Sir Joseph John Thomson était un physicien britannique et lauréat du prix Nobel. Il est connu pour la découverte de l’électron. En 1897, il a montré que les rayons cathodiques étaient composés de très petites particules chargées négativement. Ces particules ont ensuite été nommées électrons. L’appareil de son expérience est appelé le tube cathodique (CRT).
J. J. Thomson n’était pas le seul à travailler sur les rayons cathodiques, mais plusieurs autres acteurs comme Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, William Crookes, Philipp Lenard y avaient contribué ou étaient occupés à l’étudier. Toutefois, les contributions de Thomson restent plus importantes que les autres. Ses résultats expérimentaux ont été étudiés plus en profondeur par Rutherford et Bohr, ce qui a encore fourni d’importantes connaissances sur le monde atomique.
Rayon cathodique et tube cathodique
Avant de sauter directement les découvertes de Thomson, comprenons quelques connaissances de base sur les rayons cathodiques et le tube cathodique.
Que sont les rayons cathodiques ? Les rayons cathodiques sont des flux d’électrons émis par la cathode (l’électrode reliée à la borne négative d’une batterie). Ces rayons se déplacent en ligne droite et peuvent être déviés par un champ électrique et magnétique.
Le tube cathodique (CRT) est un tube de verre creux. L’air contenu dans le tube est pompé pour créer un vide.
Le tube cathodique se compose des parties suivantes :
- Émetteur d’électrons (ou canon à électrons) : Le canon à électrons comprend principalement un réchauffeur et une cathode. Il émet le faisceau d’électrons pointus, les rayons cathodiques. Dans les tubes cathodiques modernes, le faisceau d’électrons est généré par émission thermionique – à l’aide d’un filament chauffant – comme le montre le schéma ci-dessus. Cependant, le mécanisme d’émission par cathode froide était utilisé dans les expériences de Thomson.
- Système de focalisation et d’accélération : Il est constitué d’une série d’anodes. Il va rétrécir le faisceau et augmenter son énergie cinétique.
- Système de déviation : Il contrôle la direction du faisceau d’électrons. Ceci est réalisé par un champ électrique et magnétique externe. Les rayons cathodiques se courbent lorsqu’ils interagissent avec ces champs.
- Revêtement phosphorescent : C’est la partie finale du tube cathodique, où les rayons frappent pour créer une lueur.
Expériences de Thomson
À l’époque, les physiciens ne savaient pas si les rayons cathodiques étaient immatériels comme la lumière ou étaient matériels. De nombreuses opinions diverses ont été émises sur ces rayons. Selon certains, les rayons sont dus à un processus quelconque dans l’éther. La nature immatérielle et l’hypothèse de l’éther des rayons cathodiques ont été démenties par J. J. Thomson. Il a conclu que les rayons étaient constitués de particules. L’ensemble de ses travaux peut être divisé en trois expériences différentes. Dans la première, l’effet magnétique sur les rayons cathodiques a été étudié tandis que dans la seconde, les rayons ont été déviés par un champ électrique. Dans la dernière expérience, il a réussi à mesurer le rapport masse/charge.
Expérience 1 : Déviation magnétique
Le dispositif de l’expérience était constitué de deux cylindres métalliques. Les cylindres étaient placés de manière coaxiale et isolés l’un de l’autre. Le cylindre extérieur était mis à la terre tandis que l’intérieur était relié à un électromètre pour détecter tout courant électrique comme le montre la figure ci-dessous. Les deux cylindres étaient percés de trous ou de fentes. Lorsqu’une différence de potentiel élevée était appliquée entre la cathode (A dans le schéma) et l’anode (B dans le schéma), les rayons cathodiques, qui étaient produits dans le tube de gauche, étaient émis par la cathode et entraient dans la cloche principale. Les rayons ne pénétraient pas dans les cylindres à moins d’être déviés par un champ magnétique.
Il a tracé le chemin des rayons en utilisant la fluorescence sur un écran carré dans la jarre. Lorsque les rayons étaient courbés par un champ magnétique, ils s’infiltraient dans les cylindres à travers les fentes. Et la présence d’une charge négative a été détectée dans l’électromètre. Si ces rayons étaient davantage courbés, ils dépassaient les fentes et l’électromètre n’indiquait aucune mesure. « Ainsi, cette expérience montre que, quelle que soit la façon dont nous tordons et dévions les rayons cathodiques par des forces magnétiques, l’électrification négative suit le même chemin que les rayons et que cette électrification négative est indissolublement liée aux rayons cathodiques », cite Thomson.
De plus, il répéta l’expérience avec différents matériaux et gaz et constata que la déviation des rayons était la même quels que soient les matériaux et les gaz utilisés.
Conclusions
Il est arrivé aux deux points principaux après cette expérience.
- Les rayons cathodiques étaient déviés par un champ magnétique de la même manière que s’ils étaient constitués de particules chargées négativement.
- Les rayons étaient indépendants du matériau des électrodes et du gaz contenu dans le bocal.
Expérience 2 : Déviation électrique
La première expérience a bien démontré le comportement des rayons cathodiques comme des particules chargées négativement sous un champ magnétique. Cette affirmation est devenue déficiente lorsque les rayons cathodiques n’ont pas réussi à dévier dans un champ électrique. Ce phénomène a été observé par Hertz bien avant Thomson. Il en résulte un dilemme : les rayons cathodiques sont-ils des particules chargées négativement ou non ? Thomson a décidé d’approfondir ses recherches par le biais d’une autre expérience.
Thomson a construit un tube de Crookes modifié tel que représenté sur la figure ci-dessus. Lorsqu’une différence de potentiel élevée était appliquée entre la cathode et l’anode, des rayons cathodiques étaient générés à la cathode (C sur le schéma). Lorsque ces rayons traversaient l’anode (A dans le schéma) et plus tard la fente B, qui était mise à la terre, les rayons étaient aiguisés. Ce faisceau étroit s’est propagé à travers des plaques d’aluminium (D et E) et a finalement frappé l’écran phosphorescent pour produire une tache brillante. L’écran était mis à l’échelle, de sorte que la déviation du faisceau pouvait être mesurée.
Lorsque Hertz avait appliqué un champ électrique entre les plaques, il n’a remarqué aucune déviation du faisceau. Il a donc conclu que les rayons cathodiques ne sont pas affectés par un champ électrique.
Après Hertz, lorsque Thomson a réalisé la même expérience, il a également trouvé les mêmes résultats. Il a répété la même expérience sous une pression beaucoup plus faible que la précédente. Cette fois, le faisceau a été dévié par un champ électrique. Lorsque la plaque supérieure était fixée à la borne positive de la batterie et la plaque inférieure à la borne négative, le faisceau était dévié vers le haut. Si la polarité des plaques était inversée, le faisceau déviait vers le bas.
Enfin, il réussit à prouver que le faisceau n’est rien d’autre que des particules chargées négativement.
Conclusion
Il conclut :
Comme les rayons cathodiques portent une charge d’électricité négative, sont déviés par une force électrostatique comme s’ils étaient électrisés négativement et sont actionnés par une force magnétique exactement de la manière dont cette force agirait sur un corps électrisé négativement se déplaçant sur le trajet de ces rayons, je ne vois pas d’échappatoire à la conclusion qu’il s’agit de charges d’électricité négative portées par des particules de matière.
Note : Une question, qui peut hanter les lecteurs, est celle de savoir pourquoi le rayon a dévié lorsque le vide dans le tube a été augmenté. La différence de potentiel élevée entre les électrodes a ionisé les molécules de gaz résiduelles en électrons et ions libres, alias charge d’espace. Ces électrons et ions libres ont fait écran électriquement au champ électrique externe dans le cas de Hertz. Ainsi, le champ électrique était amorti et le faisceau n’était pas affecté par le champ électrique. Mais dans le cas de Thomson, en raison du vide plus poussé, la densité de la charge spatiale était très faible. Et ils n’ont pas entravé de manière significative le champ électrique.
Expérience 3 : rapport masse/charge (e/m)
Après avoir démontré les propriétés électrostatiques des rayons cathodiques, Thomson était toujours curieux de ces particules. Il s’interrogeait sur la nature de ces particules, s’agissait-il d’atomes ou de molécules, ou d’entités inconnues encore à découvrir. Pour trouver des réponses à ces questions, il a réalisé la troisième expérience. Dans cette expérience, il a mesuré le rapport masse/charge des particules.
Le dispositif expérimental de cette expérience était le même que le précédent. En outre, il a appliqué un champ magnétique en plaçant les pôles d’un électroaimant autour du tube comme indiqué sur la figure ci-dessus.
Le champ magnétique a été appliqué de telle sorte qu’il était perpendiculaire à la fois au champ électrique et aux rayons cathodiques. Ceci est représenté sur la figure ci-dessous.
Initialement, il a appliqué le seul champ électrique, qui a dévié le faisceau vers une direction particulière. Cette déviation électrique a été mesurée par lui. Et puis le champ magnétique a été varié jusqu’à ce que le faisceau revienne à la trajectoire initiale c’est-à-dire qu’il reste non dévié. À cet instant, la force magnétique et la force électrique s’étaient annulées l’une l’autre. Elles étaient égales en magnitude mais opposées en direction.
Il a calculé le rapport masse/charge (m⁄e) en utilisant l’expression ci-dessous.
Ici, E et H sont l’intensité du champ électrique et l’intensité du champ magnétique, l est la longueur des plaques, et θ est la déviation lorsque seul le champ électrique est appliqué. Tous ces paramètres étaient connus.
Preuve de m/e
Disons:
- D est la plaque reliée à la borne positive d’une batterie et E reliée à la borne négative.
- FE est la force exercée par le champ électrique.
- FH est la force exercée par le champ magnétique.
- s est le déplacement vertical de la poutre à l’extrémité des plaques.
- l est la longueur d’une plaque.
- θ être la déviation dans le champ électrique.
- v être la vitesse constante du faisceau lorsqu’il entre dans le champ électrique.
- O être l’origine.
- T être le temps passé par les rayons cathodiques dans le champ électrique.
Cette notation est représentée sur la figure ci-dessous.
Lorsque la force électrique et la force magnétique s’annulent, les rayons ne sont pas déviés. Ainsi, la force nette sur les rayons est nulle.
Nous savons que FE = eE et FH = -evH. Le signe négatif montre que les forces sont de sens opposé.
Le déplacement à partir des formules cinématiques est
Dans la direction x, la vitesse initiale est v et l’accélération est nulle.
Substituant la valeur de v dans l’équation ci-dessus,
Lorsque t = T, x = l.
Dans la direction y, la vitesse initiale est nulle, mais le faisceau accélère en avançant dans le champ électrique.
L’accélération est la force divisée par la masse.
Substituant la valeur de a,
Quand t = T, y = s.
Eliminant T,
Ainsi, le rapport masse/charge est le suivant : 
Pour les plus petites valeurs de θ, 
.
Enfin,
La valeur du rapport rapport rapporté par Thomson dans son article est de (1,29 ± 0,17) × 10-7.
L’inverse de m⁄e donne le rapport masse-charge (e⁄m). La valeur de e⁄m recommandée par CODATA est 1,758 820 010 76(53) × 1011 C kg-1.
Thomson a également noté que sa valeur calculée de m⁄e était indépendante du gaz dans le tube à décharge et du métal utilisé de la cathode. Cela donnait également une idée que les particules faisaient partie intégrante des atomes.
Il a également noté que la valeur de m⁄e était environ 1000 fois plus petite que celle des ions hydrogène. La valeur de m⁄e des ions hydrogène estimée à l’époque était d’environ 10-4. Cela impliquait que la masse des particules était beaucoup plus petite que celle des ions hydrogène ou qu’elles étaient fortement chargées. Lenard avait déterminé que la portée, qui est étroitement associée au libre parcours moyen pour les collisions, des rayons cathodiques ; elle était de 0,5 cm. D’autre part, le libre parcours moyen des molécules d’air était de 10-5 cm, ce qui est très faible par rapport à la portée des rayons cathodiques. Par conséquent, il a soutenu que la taille de ces particules doit être beaucoup plus petite que les molécules d’air.
Conclusion
Thomson a nommé ces particules comme des corpuscules, plus tard ils ont été renommés comme des électrons. Il a conclu que les corpuscules étaient plus petits que la taille des atomes et faisaient partie intégrante d’un atome.
Sur la base de ces résultats expérimentaux, Thomson a également proposé son modèle du plum-pudding. Il a été honoré du prix Nobel de physique.
Les hypothèses de Thomson
Thomson a présenté trois hypothèses à partir de ses expériences.
- Les rayons cathodiques sont constitués de particules chargées négativement appelées corpuscules.
- L’atome est constitué de ces corpuscules.
- Ces corpuscules sont la seule partie intégrante d’un atome.
La troisième hypothèse s’est avérée fausse plus tard lorsque son propre élève Rutherford a proposé la présence du noyau chargé positivement dans un atome.
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