TUBE
A FAISCEAU ELECTRONIQUE FILIFORME
Retour à la page de présentation
OBJET : eln 1
TUBE DE CROOKES
(contenant
une matière solide, peut-être de la craie)
FONCTION
Montrer que les rayons cathodiques excitent la fluorescence de certains corps
DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT
Une ampoule dans laquelle on a réduit la pression à quelques 0,01 ou 0,001 mm de mercure est munie de deux électrodes entre lesquelles on applique une différence de potentiel suffisante pour produire des rayons cathodiques. (tension de l’ordre de 10 kilovolts, d’autant plus élevée que la pression est plus faible)
Les rayons émis par la cathode provoquent la fluorescence de la matière solide placée dans l’ampoule ; cette fluorescence est rouge orangée pour la craie. (elle est verte pour le verre : voir tube à croix de Malte « eln 2 » ; elle serait verte aussi pour le platinocyanure de baryum, bleue pour le tungstate de calcium, rouge pour le rubis, verte pour le diamant ) .
HISTOIRE
Pour l’histoire de la découverte et de l’étude des rayons cosmiques voir la notice « eln 2 ». C’est William Crookes (1832-1919) qui, reprenant les expériences de Plucker et Hittorf, en 1878, eut l’idée d’introduire diverses substances dans l’ampoule pour les soumettre à l’action des rayons cathodiques.
|
Texte de Pierre PROVOST |
Retour à la page de présentation
OBJET :
eln 2
Tube à croix de Malte
(pour étude des rayons cathodiques)
Fonction
Mise en évidence de l’émission normalement à la cathode, de la propagation rectiligne des rayons cathodiques et de la fluorescence qu’ils provoquent.
Description
ET fonctionnement
|
|
|
Un « tube de Crookes » en verre, dans lequel on a réduit la pression de l’air à une valeur de l’ordre de 10-2 à 10-3 mm de mercure est muni de deux électrodes : une anode latérale (réunie au pôle positif d’un générateur de tension) et une cathode (pôle négatif) en forme de disque plat ou, mieux de calotte sphérique convexe. A l’intérieur du tube on a disposé un écran métallique en forme de croix de Malte qui, par simple basculement, peut passer d’une position éclipsée à une position dressée. La croix de Malte étant en position horizontale (éclipsée) on applique entre anode et cathode une tension de l’ordre de 10 000 volts. On utilisait pour cela la bobine de Ruhmkorff (« eld 4 - 7 »)
On voit alors apparaître sur le fond du tube, face à la cathode une luminescence verte : c’est ainsi qu’on découvrit les rayons cathodiques. Lorsque la croix de Malte est placée verticalement on voit, sur le fond du tube, son « ombre » aux contours nets, homothétique de la croix. Cette expérience prouve que les rayons cathodiques se propagent en ligne droite et sont émis perpendiculairement à la surface de la cathode, de telle sorte que, si celle-ci est sphérique convexe, ils semblent provenir d’une source ponctuelle (d’où la netteté de l’ombre). La réalisation des tubes a montré que ces phénomènes ne dépendent pas de la position de l’anode.
Lorsqu’on approche un aimant du tube la fluorescence et l’ombre de la croix de Malte se déplacent : il y a action d’un champ magnétique sur les rayons cathodiques : voir histoire.
Histoire
L’abbé Nollet (1700-1770) avait déjà observé la décharge électrique dans les gaz raréfiés mais la tension électrique (fournie par une machine électrostatique) et la raréfaction du gaz étaient insuffisantes pour observer les rayons cathodiques. Le mécanicien allemand Henri Geissler (1814-1879) ayant inventé une pompe à mercure en 1857, il fut possible au grand mathématicien Jules Plucker (1801-1868), qui s’intéressait aussi à la physique, d’observer la disparition de l’émission lumineuse par les gaz raréfiés, quand on réalisait un vide suffisant. Puis, en appliquant une tension suffisante par l’emploi d’une bobine de Ruhmkorff (voir notice « eld 4 - 7 »), Plucker observa pour la première fois, en 1858 la fluorescence verte du verre.
Johann Hittorf (1824-1914) professeur à l’université de Munster (Allemagne) reprit ces expériences (1869) et montra que les rayons cathodiques semblaient émis par la cathode. C’est encore un allemand Eugène Goldstein (1850-1930) qui montre en 1876 que l’émission des rayons cathodiques se fait normalement à la cathode. Eugène Goldstein découvrit aussi, en 1886, les « rayons positifs » ou « rayons canaux ».
Sir William Crookes (1832-1919), un anglais cette fois, qui avait déjà découvert, en 1862 et indépendamment de Lamy, le thallium, qui avait aussi inventé le radiomètre en 1873, reprit, en 1878, les expériences de Plucker et Hittorf.
Il observa la fluorescence de pierres précieuses introduites dans le tube ; de même il fit tourner un petit moulinet par l’action des rayons cathodiques ; il fit fondre un peu de platine en concentrant sur lui les rayons cathodiques émis par une cathode sphérique concave. Il supposa alors que les rayons cathodiques étaient des jets de molécules émis par la cathode et exposa ses résultats à la British Association en 1879.
L’allemand Philippe Lénard (1862-1947), élève de Hertz, montra que les rayons cathodiques étaient de nature ondulatoire. Il fit, d’autre part, en 1898, sortir les rayons cathodiques de l’ampoule par une fenêtre faite d’une mince feuille métallique, et il étudia leurs propriétés dans l’air. Il y eut donc controverse entre ceux (Crookes, Varley...) qui supposaient une nature corpusculaire et ceux (Goldstein, Hertz...) qui supposaient une nature ondulatoire.
Le français Jean Perrin (1870-1942) fit en 1895 une expérience décisive : il dévia par un aimant, les rayons cathodiques et les fit entrer dans un cylindre de Faraday relié à un électroscope : il prouva ainsi que les rayons cathodiques étaient constitués de particules négatives. Ces particules avaient été baptisées par avance (en 1891) « électrons » par l’Irlandais Johnstone Stoney (1826-1911). En 1897 Jean Perrin vérifia que ces particules négatives étaient bien repoussées par un corps chargé négativement et attirées par un corps chargé positivement.
Sir Joseph-John Thomson (1856-1940) avait déjà mesuré la vitesse des rayons cathodiques par une méthode de miroir tournant en 1894. Il avait trouvé 50 000 km/s. Cette vitesse, qui d’ailleurs dépend de la tension appliquée au tube, étant beaucoup plus faible que la vitesse de la lumière, était en défaveur de l’hypothèse ondulatoire. Joseph-John Thomson, à la suite des travaux de Jean Perrin déduisit de la déviation des rayons cathodiques due à l’action d’un champ électrique et d’un champ magnétique parallèles, la vitesse v et le rapport e/m de la charge à la masse des électrons (1897). Il supposa que la charge e était égale à celle d’un ion monovalent, mesurée par l’électrolyse et en déduisit m.
Cette déviation par les champs électrique et magnétique fut réutilisée dans le spectrographe de masses par Aston (1877-1945) assistant de Joseph-John Thomson.
L’expérience de l’américain Millikan (Robert Andrews 1868-1953) qui détermina en 1913 la charge de l’électron acheva l’établissement de la carte d’identité de l’électron. Il restait à « voir », à photographier la trajectoire d’un électron : ce fut fait en 1912 par l’anglais Charles Thomson Rees Wilson (1869-1959) avec sa « chambre à détente ».Tous les savants qui contribuèrent à la découverte de cette particule reçurent le prix Nobel.
|
Texte de Pierre PROVOST |
Retour à la page de présentation
OBJET : eln 3
TUBE A FAISCEAU ELECTRONIQUE FILIFORME
FONCTION
Production et visualisation d'un faisceau approximativement monocinétique d'électrons, visualisation de la trajectoire dans un champ magnétique uniforme produit par des bobines d'Helmoltz (trajectoire circulaire, hélice), action d'un champ électrique ; mesure du rapport e/m et de la vitesse v des électrons.
DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT
|
|
Le faisceau est produit par un « canon à électrons » comprenant une cathode à chauffage indirect, un cylindre de Wehnelt, une anode conique avec écran semi-circulaire. Le faisceau sort du sommet du cône anodique percé d'un trou et passe entre deux plaques entre lesquelles on peut appliquer une différence de potentiel (déviation par un champ électrique). Le faisceau se propage dans une atmosphère d'hydrogène raréfié (1,33 10-5 bar) : il se forme autour du faisceau une gaine lumineuse d'atomes ionisés qui le visualise et qui limite son élargissement.
La vitesse v se déduit de la tension appliquée entre anode et cathode ; e/m et v se déduisent de la mesure du rayon de la trajectoire circulaire dans un champ magnétique B ; on utilise aussi la déviation par un champ électrique.
HISTOIRE
Cet appareil figure toujours dans les catalogues actuels (1994) de certains constructeurs d'appareils didactiques (Leybold, Phywe...). Il est apparu dans ces catalogues vers les années 1950. C'est donc par anticipation qu'il figure au musée.
|
|
Les grandeurs v et e/m ont été mesurées par divers savants : J.J. Thomson (1856-1940) à la suite des travaux de Jean Perrin (1870-1942)... Pour plus de détails voir notice « eln 2 ».
Le canon à électrons utilise l'effet thermoïonique dont l'histoire est contée dans la notice « eln 5 » consacrée à la lampe triode. Il faut y ajouter que Arthur Wehnelt, physicien allemand (1871-1944) étudia l'émission d'électrons par les oxydes alcalino-terreux chauffés par un filament, qu'ainsi il inventa la cathode à oxydes en 1913 (cathode à chauffage indirect), et qu'il proposa d'introduire le « cylindre de Wehnelt » qui permet de régler l'intensité du pinceau à électrons. Wehnelt apparaît donc comme l'inventeur du « canon à électrons ».
|
Texte de Pierre PROVOST |
Retour à la page de présentation
OBJET : eln 4 a b c
TUBES A RAYONS X (de Crookes)
FONCTION
Produire des rayons X.
DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT
|
|
|
Il s’agit d’ampoules à rayons cathodiques avec anode latérale et cathode sphérique concave (voir notice « eln 2 »). Les rayons cathodiques sont focalisés sur une anticathode (voir figures). Anode et anticathode, reliées, sont au même potentiel. La surface émissive de l’anti-cathode est orientée à 45° de l’axe cathode anticathode, pour une utilisation latérale des rayons X. A cause de la chaleur dégagée par l’impact des électrons sur l’anticathode celle-ci doit être faite d’un métal peu fusible (platine ou mieux tungstène) ; pour les tubes puissants l’anticathode est massive (objet « eln 2 c ») et doit être parfois refroidie (circu-lation d’eau).
L’énergie
d’un photon X (l
lon-gueur d’onde, c vitesse de la
lumière dans le vide, h constante
de Planck) provient de l’énergie cinétique d’un électron
, qui elle même provient du travail eV de la force électrique appliquée à l’électron (V tension
entre anode et cathode, e charge de
l’électron) :
Pour V= 4.10 4 volts, on trouve lm = 3.10-9 mètres
La forme de la partie continue du spectre permet une détermination précise de lm, ce fait a été à la base d’une détermination de la constante de Planck. Au spectre continu se superpose un spectre de raies caractéristiques des atomes de l’anticathode. Ces raies correspondent aux transitions des plus bas niveaux électroniques de ces atomes, et sont semblables pour tous les atomes. D’un atome à l’autre les fréquences f des raies homologues obéissent à la loi de Moseley : f est proportionnelle au carré du nombre atomique (en première approximation).
Au cours du fonctionnement les molécules résiduelles s’adsorbent sur la paroi, il faut accroître la tension pour faire fonctionner le tube ; il « durcit ». Pour remédier à cet inconvénient on « remonte » la pression dans le tube à l’aide d’un régulateur (appendice supplémentaire sur le tube).
Le tube de Crookes a fait place au tube Coolidge (n’existe pas dans la collection). Le faisceau d’électrons est produit par effet thermique (filament chauffé). Le vide peut (et même doit) être plus « poussé ». Le filament, fragile, doit être soustrait aux forces électriques intenses, par un écran.
HISTOIRE
En 1895 Willem Röntgen (1845-1923) répète les expériences de Lénard (introduction d’une mince feuille métallique sur le trajet des rayons cathodiques). Il promène un écran recouvert de substance fluorescente au voisinage d’un tube de Crookes en fonctionnement, enveloppé de papier noir, et constate une étrange fluorescence découvrant ainsi les rayons X. Il en étudie systématiquement les propriétés et obtient notamment un cliché des os de sa main. Ces découvertes, exposées la veille de Noël 1895, à la société de physique de Berlin, firent sensation ! Il reçut le prix Nobel en 1901.
L’américain William Coolidge (1873-1975) remplace, en 1913, la cathode froide du tube de Crookes par une cathode incandescente en tungstène (Coolidge aurait obtenu le premier filament de tungstène en 1906). Comme pour les rayons cathodiques une controverse s’instaura entre les partisans d’une nature ondulatoire (Crookes en était) et les partisans d’une nature corpusculaire (la mécanique quantique n’existait pas encore !)
Les premiers l’emportèrent lorsque l’allemand Max Von Laüe (1879-1960) proposa d’utiliser la structure périodique des cristaux (hypothèses de Haüy et Bravais) pour diffracter les rayons X comme le font les réseaux en optique. Il vérifia lui même son hypothèse en 1912, avec ses collaborateurs Friedrich et Knipping : ils obtinrent le premier « diagramme de Laüe ». Le prix Nobel de physique fut attribué à Von Laüe en 1914.
Le duc Maurice de Broglie (1875-1960) découvrit, en 1913, le spectre de raies X, obtint la réflexion sur les plans réticulaires d’un cristal, inventa la méthode du cristal tournant.
L’anglais Sir William Henry Bragg (1862-1942) et son fils William Lawrence Bragg (1890-1971) utilisèrent les rayons X pour étudier qualitativement et quantitativement la structure atomique de nombreux cristaux (confirmation des hypothèses de Haüy et Bravais) et utilisèrent les cristaux pour la spectrographie X et la réalisation de monochromateurs (ils eurent le prix Nobel de physique en 1915). La soudure entre rayons X et rayons ultraviolets (continuité des ondes électromagnétiques) fut réalisée par les français Fernand Holweck (1890-1941 assassiné par les nazis) et Jean Thibaud (1901-1960).
Jean Thibaud observa aussi la première annihilation particule-antiparticule : électron, positon.
Henry G.J. Moseley (1888-1915) établit en 1913 la loi qui relie les raies X à la classification périodique.
Le suédois Karl Manne Siegbahn (1886-1978, prix Nobel en 1924) compléta les travaux de Moseley et développa la spectroscopie X. Il mit en évidence la réfraction des rayons X en 1925.
Il faut aussi citer l’anglais Charles Glover Barkla (1877-1944) prix Nobel 1917. La mesure absolue de la longueur d’onde X fut réalisée avec des réseaux optiques sous incidence rasante.
Les applications des rayons X à la médecine furent précoces. L’un des tout premiers et importants radiologues fut Antoine Béclère (1867-1934). Marie Curie (1867-1934) se mit au service de l’armée pendant la guerre 1914-1918. Directrice du service de radiologie de la Croix Rouge, elle fit passer de 1 à 200 le nombre de voitures radiologiques. Elle conduisit elle même et fit fonctionner avec sa fille Irène (17 ans !) une de ces voitures. Mal protégées à l’époque elles subirent une importante irradiation dont les effets s’ajoutèrent sans doute aux effets de la radioactivité qu’elles étudièrent (voir notice « div 5 »).
|
Texte de Pierre PROVOST |
Retour à la page de présentation
OBJET : eln 5
lampe triode
Fonction
détectrice, amplificatrice, oscillatrice, changeuse de fréquence... selon le montage électronique. La lampe triode a joué un rôle fondamental dans le développement des communications par ondes électromagnétiques.
Description
ET fonctionnement
|
|
A
l’intérieur d’une ampoule scellée, dans laquelle on a fait le vide, sont
disposées trois électrodes (d’où le nom) : une électrode P en
nickel, de forme cylindrique, appelée plaque, un filament de tungstène F
tendu selon l’axe de la plaque, et, entre les deux, une spirale G en fil de
nickel appelée grille. A la base du culot, 4 broches, inégalement espacées
(afin d’éviter les erreurs de branchement) permettent pour deux d’entre
elles de faire passer un courant de chauffage dans le filament, pour une
troisième d’appliquer une tension vP
entre plaque et filament, et pour la quatrième d’appliquer une tension vG
entre grille et filament.
|
En vue d’un meilleur isolement,
grille et plaque sont parfois reliées à deux bornes situées à la
partie supérieure de la lampe. Tel est le cas de notre triode. |
En supprimant la grille, on obtiendrait une
« valve » ou diode. Dans ce cas, lorsque vP
est positive, les électrons émis par le filament sont attirés par la plaque
et la lampe est traversée par un courant iP
(courant plaque) ; dans le cas contraire (vP négative) les électrons sont repoussés et iP
= 0 : la diode ne conduit plus d’où l’application au redressement
d’un courant alternatif et à la détection. Dans la triode la tension
grille sert à contrôler le courant plaque, à le moduler, tandis qu’un
faible courant iG passe
par la grille. Typiquement on pourrait avoir vP
de l’ordre de la dizaine de volts, vG de
l’ordre du volt, iP
de l’ordre du milliampère, iG
dix fois plus petit (le courant de chauffage du filament est de l’ordre du
centième d’ampère). Mais selon les applications, les valeurs peuvent être
très différentes.
Il existe de nombreuses variétés de triode qui diffèrent par les formes, les dimensions, les dispositions relatives des électrodes. On a créé des lampes à deux grilles, à trois grilles... on a parfois groupé deux valves dans une même ampoule avec un filament commun et deux plaques etc. Actuellement les fonctions de la lampe triode sont assurées par des transistors beaucoup moins encombrants et consommant très peu d’énergie. Une calculette qui tient facilement dans une poche, pourrait être construite avec des lampes triodes mais il serait difficile de la loger dans un appartement et elle poserait de difficiles problèmes de refroidissement, sans parler du coût de son fonctionnement. Demain peut être, les transistors seront-ils à leur tour remplacés, pour les mêmes fonctions, par des éléments optoélec-troniques ?
Mais la logique des « circuits » demeurera probablement.
Histoire
En 1725, on découvre que l’air devient conducteur au voisinage d’un corps incandescent. Thomas Edison (américain 1847-1931) qui venait d’inventer la lampe à incandescence (1878) observa en 1881 qu’un courant pouvait passer entre le filament et une électrode située à proximité : c’était l’effet qu’on appelle « thermo-ionique ». Sir John Fleming (1849-1945) étudia cet effet et réalisa la « valve de Fleming » que nous appelons diode et dont il prit un brevet en 1904. Il imagina de l’utiliser pour la détection des ondes hertziennes.
Sir Owen Richardson (1879-1959) montra en 1901 que l’effet était du à l’émission de particules négatives, mais ce n’est que plus tard qu’on sut qu’il s’agissait d’électrons (l’électron fut identifié dans le rayonnement cathodique en 1895 par Jean Perrin (1870-1942) et sa charge mesurée en 1913 par Robert Millikan (américain 1868-1953) selon une expérience proposée en 1907 par l’allemand Ehrenhaft (1879-1952).
Richardson, puis Dushman établirent la loi
qui lie le courant de saturation à la température du filament. Langmuir (Irvin
1881-1957) étudia la relation (valable seulement pour la partie courbe de la
caractéristique) entre iP et vP.
Cette loi
est aussi attribuée à Child.
Mais c’est finalement l’américain Lee de Forest (1873-1961) qui est l’idée d’introduire la grille en 1907 et qui doit être considéré comme l’inventeur de la triode.
Compléments
Edison fut aussi l’inventeur d’un télégraphe duplex (1864), du
phonographe (1877) et du kinétoscope (1893) précurseur du cinéma.
Richardson étudia aussi le spectre moléculaire
de l’hydrogène et obtint le prix Nobel de physique en 1928.
Langmuir étudia l’absorption des gaz par
les solides et fit avec Lewis une théorie de la liaison chimique, il inventa
le chalumeau à hydrogène atomique, imagina d’introduire de l’argon dans
les lampes à incandescence (1909), effectua des recherches sur les tubes à
rayons X à vide poussé, inventa une triode à vide poussé (le « pliotron »
en 1915), réalisa la pompe à condensation de vapeur du mercure (1912) puis
étudia les décharges dans les gaz rarifiés. Il obtint le prix Nobel de
chimie en 1932. Jean
Perrin - outre la mise en
évidence de l’électron en 1895 - réalisa des modèles de gaz avec des
suspensions colloïdales de gomme gutte avec lesquelles il vérifia les lois
d’Einstein sur le mouvement brownien et réalisa une mesure du nombre
d’Avogadro. Il étudia les lames minces. Il précisa la notion de
transmutation nucléaire (1920). Il participa à la création du C.N.R.S.
(1938) et créa le Palais de la Découverte. Il obtint le prix Nobel de
physique en 1926.
|
Texte de Pierre PROVOST |
