Le blog d'histoire des sciences

Cette histoire commence il y a trois siècle avec la naissance de cette science nouvelle : l’électricité. Si l’on retient que le philosophe grec Thalès a été le premier à signaler la propriété attractive de l’ambre jaune, le véritable père de l’électricité est l’anglais William Gilbert qui a montré cette propriété dans la plupart des corps et en particulier dans le soufre et le verre. Une propriété à laquelle il a donné le nom d’électricité en référence au terme « elektron » par lequel les grecs anciens désignaient l’ambre jaune. La découverte a permis à tout un chacun de s’emparer du phénomène électrique. Le plus simple bâton de soufre ou le plus banal des tubes de verre donnent déjà de beaux effets. Mais ces matériaux se prêtent surtout à la fabrication de "machines" qui viendront compléter les "cabinets de curiosités", attraction obligatoire de toute demeure noble ou bourgeoise qui se respecte, dès la deuxième moitié du 17ème siècle. L’une d’entre elles aura une influence essentielle sur la suite de ce récit.

Machine de Hauksbee.

On connaît mal les premières années de la vie de Hauksbee ( ?-1713). Autodidacte, il est remarqué par Newton. En décembre 1703, le célèbre physicien, auteur de la loi de gravitation universelle, devient président de la Royal Society of London, la plus importante Académie scientifique anglaise. Il engage Hauksbee comme son expérimentateur principal. Jusqu’en 1705, celui-ci anime donc les séances de l’Académie. A partir de cette date il s’oriente vers l’étude de la phosphorescence "mercurielle" ou "barométrique".

À Florence, en 1643, le Evangelista Torricelli (1608-1647), en renversant un tube empli de mercure sur une cuve pleine du même métal, constate que le mercure descend dans le tube pour s'arrêter à une hauteur constante 28 pieds (76cm). Il découvre ainsi à la fois la pression de l'atmosphère et l'existence du vide. Bientôt, une observation faite de façon fortuite intrigue les physiciens. Quand on bouscule, dans l’obscurité, un tube barométrique de Toricelli, une lueur phosphorescente apparaît dans le vide libéré à la partie supérieure du tube. Au moment où Hauksbee s’attaque au problème, il est généralement admis que cette lueur provient d’une émanation du mercure. Pour sa part il choisit d’user de méthode et d’étudier les rôles respectifs du vide, du verre et du mercure.

Hauksbee emplit partiellement de mercure un ballon dans lequel il fait le vide. L’ensemble reste obscur tant que le liquide reste immobile. Il est donc clair que le vide n’est pas suffisant mais que, par contre, le frottement, provoqué par le mouvement, est indispensable. Frottement sur le mercure ou sur le verre ? A partir de novembre 1705 Hauksbee utilise, pour répondre à cette question, un montage qui fait abstraction du mercure. Il s’agit d’une sphère de verre munie de deux pièces de cuivre diamétralement opposées lui servant d’axe. Cette sphère peut être mise en mouvement rapide en la plaçant sur une machine inspirée d’un tour de menuisier. Mais sa propriété essentielle est d’avoir été conçue pour qu’on puisse y réaliser le vide. Hauksbee a pris la précaution de ménager un robinet dans une des pièces de l’axe qui peut être relié à une pompe à vide.

La machine électrique de Hauksbee. Un robinet permet d’y faire le vide
(Louis Figuier, Les Merveilles de la Science)

La sphère, vidée de son air, est mise en mouvement et frottée par la main de l’expérimentateur. Soudain, dans l’obscurité, la sphère s’emplit d’une forte lueur diffuse. Un mur situé à dix pieds en est éclairé. Un livre tenu à proximité du globe peut être lu. Quand un doigt s’approche de la sphère, la lumière se concentre en filaments qui semblent attirés par ce doigt. La lumière diminue progressivement quand, peu à peu, on laisse entrer l’air dans le tube.

Même quand la pression atmosphérique est atteinte, on peut encore arracher quelques lueurs au globe. Elles sont externes cette fois, et se présentent sous la forme nouvelle d’étincelles. Hauksbee hésite encore mais pour Newton, la cause est entendue : La lumière ne provient ni du vide, ni du mercure mais du verre !

Nous savons à présent que, si c’est bien le verre qui est électrisé par le frottement, la lueur, elle, provient de l’air. Dans le globe "vide", il reste encore du gaz résiduel et celui-ci est "ionisé" sous l’effet du champ électrique créé par la friction du verre. Il devient, par ce fait, lumineux, à l’image du néon dans un tube d’éclairage. Naturellement cette interprétation était impossible à qui n’avait ni la connaissance de la nature de l’air, ni, à plus forte raison, de l’existence et de la constitution des atomes. Cette "phosphorescence électrique" continuera à obséder des générations de physiciens

Le relai de l’Abbé Nollet.

Parmi ceux-ci, l’abbé Nollet (1700-1770).  Considéré comme le plus célèbre démonstrateur de son temps, il reprend ces expériences dans une mise en scène qui leur a assuré une durable publicité.

Expérience des vases lumineux réalisée par l’abbé Nollet

Recherches sur les causes particulières de l'électricité.

Sa méthode était plus efficace. Au lieu de frotter le récipient de verre, il l’électrisait en faisant pénétrer, à son autre extrémité, le classique canon de fer, suspendu par des cordons de soie, qui recevait l’électricité du globe de la machine électrique de sa conception. L’expérience était réalisée dans l’obscurité. Laissons parler Nollet :

"Si vous portez la main au robinet de métal qui tient à l’un des goulots du matras purgé d’air ou que vous approchiez vos doigts de la surface du verre tandis qu’on électrise le conducteur : vous verrez dans l’intérieur du vaisseau plusieurs jets d’une matière très lumineuse ; et si vous le touchez, vous apercevrez une pareille matière qui se répand dans son épaisseur, à peu près comme une huile imprégnée de phosphore." (Nollet, leçons de physique expérimentale). Notons que le terme de phosphore ne fait ici nullement référence à l’élément chimique dont la découverte en Europe date de la fin du 17ème siècle mais de façon générale, en accord avec l’étymologie grecque, à tout "porteur de lumière". Pour Nollet, l’expérience indique qu’il est "très probable que la matière électrique est la même que celle du feu et de la lumière".

 
Bien plus tard, Faraday (1791-1867), en Angleterre, s’intéresse à son tour au phénomène. Il utilise un tube muni de deux électrodes à ses extrémités et dans lequel il peut faire le vide. Quand le vide n’est pas poussé à son maximum, une lueur l’emplit dès que les électrodes sont reliées à une source de haute tension. Poussant plus loin le vide, il observe une frange sombre dans la colonne lumineuse du côté de l’électrode négative (la cathode). Cette zone sans lumière s’élargit quand le vide augmente. Cette observation sera mise à profit par son compatriote William Crookes.

William Crookes et la matière radiante.
 

L’étude des décharges dans les gaz raréfiés prend une nouvelle vigueur avec William Crookes (1832-1919). Le savant britannique est déjà célèbre pour son radiomètre. L’appareil est encore commercialisé, souvent sous forme de curiosité. C’est un rotor léger, constitué par un ensemble de quatre plaques carrées dont l’une des faces est blanche et l’autre noire. Placé dans une ampoule vide de son air, le rotor tourne sous l’action de la lumière. Crookes en avait fait un usage scientifique, en particulier pour la mesure des radiations invisibles comme les radiations infrarouges.

Crookes accepte la théorie cinétique des gaz proposée par Bernoulli. Celui-ci considère les gaz comme formés de molécules se déplaçant en ligne droite mais changeant rapidement de direction à l’occasion des chocs avec les autres molécules ou les parois des vases les contenant. Dans les tubes de Faraday, Crookes fait l’hypothèse que les molécules se chargent d’électricité au contact de la cathode et en sont violemment repoussées. Si le vide est insuffisant elles rencontrent rapidement d’autres molécules, la violence du choc se traduisant par une émission lumineuse.

 
Si on pousse le vide, la trajectoire rectiligne des molécules, perpendiculairement à la surface de l’électrode, s’allonge et un espace sans lumière apparaît. Celui qui avait déjà été observé par Faraday. Un vide très poussé, comme celui auquel parvient Crookes, fait même disparaître tout effet lumineux à l’intérieur du tube. Seul est visible l’impact du faisceau sur le verre qui s’éclaire à l’endroit où il le rencontre.

Pour mettre en évidence l’existence de ce jet invisible, supposé être constitué de molécules, Crookes a l’idée de leur opposer des obstacles. Un montage célèbre est celui d"une roue à palettes montée sur des rails de verre. Soumise au rayonnement, elle tourne et avance. On peut choisir le sens du mouvement en choisissant l’électrode alimentée.

On peut aussi placer dans le tube un écran fluorescent, par exemple recouvert de sulfure de carbone. Placé légèrement incliné le long du trajet du faisceau, il le rend visible. Le montage est encore présent dans nos lycées pour l’étude des rayonnements cathodiques.

Autre méthode : présenter sur le trajet du faisceau un obstacle dont l’ombre se verra sur l’extrémité élargie du tube. Le tube muni d’une croix inclinable à volonté deviendra un équipement classique des laboratoires.

Il résulte de cette étude une observation qui mériterait explication : les particules suivent un trajet rectiligne toujours perpendiculaire à la surface de la cathode. La place de l’anode n’a aucune influence. Il ne s’agit donc pas d’un "courant électrique" passant d’une électrode à l’autre mais d’un phénomène de type nouveau qui sera désigné par le terme de "rayonnement cathodique".

Le 16 janvier 1880 Crookes exécute ses expériences devant la Société française de physique. Elles laissent les spectateurs perplexes. Le rayonnement est dévié par l’approche d’un corps chargé d’électricité et se comporte comme constitué de particules chargées d’électricité négative. Mais il est également dévié par un aimant comme le serait un courant électrique. Alors, flux de charges électriques ou courant d’électricité ?

Deux pinceaux parallèles sont créés à partir de deux cathodes voisines. Vont-ils se repousser car constitués de particules de même charge ou s’attirer comme le font deux courants électriques de même sens ? Ils se repoussent, ce sont donc des particules chargées d’électricité et non des courants électriques tels que pouvait les décrire Ampère.

Mais quel type de particules ? Ces expériences se font dans des tubes où le vide est extrême. Crookes a mis au point des machines "pneumatiques" qui permettent de faire un vide particulièrement poussé. En les faisant fonctionner longtemps (jusqu’à quinze jours) il arrive à un vide qu’il estime à un millionième d’atmosphère. Les particules chargées ne peuvent donc pas être des molécules d’air résiduel. Crookes imagine un quatrième état de la matière, la "matière radiante", dont une des caractéristiques sera cette propagation rectiligne à partir de la cathode

Il faudra attendre la fin du siècle avec J.J. Thomson et la découverte de l’électron pour trouver une explication du phénomène acceptable par l’ensemble du monde scientifique.

Thomson et la découverte de l'électron.

Joseph John Thomson (1856-1940) est né près de Manchester. Après ses premières années de scolarité dans cette ville il rejoint le Trinity College à Cambridge où il effectue de brillantes études de mathématiques appliquées à la physique. Nourri des théories de Maxwell, qui a été son professeur, il imagine, dès 1883, un modèle présentant l'atome sous la forme de tourbillons d'éther entrelacés. L'année suivante il est nommé professeur de physique expérimentale à Cambridge et placé à la tête du "Cavendish Laboratory" dans lequel, avant lui, Maxwell et Rayleigh avaient développé de rigoureuses pratiques expérimentales liées à la détermination des standards nécessaires au développement de l'industrie électrique comme, par exemple, la détermination de la valeur de l'ohm étalon initiée par le congrès international des électriciens de 1881.

J.J. Thomson est, quant à lui, plutôt attiré par la physique théorique. Ses premières réflexions sur la structure des atomes l'amènent à orienter le laboratoire vers l'étude des décharges électriques dans les gaz, étude dans laquelle son compatriote Crookes s'était déjà illustré. Le sujet de la nature des "rayons cathodiques" est alors l'objet de controverses entre les physiciens britanniques qui les considèrent comme constitués de particules chargées et les physiciens allemands qui y voient des ondes électromagnétiques se propageant dans l'éther. Héritier, à la fois, de Crookes et de Maxwell, Thomson se place ainsi au centre du conflit.

Parmi ses collaborateurs Thomson compte de précieux expérimentateurs comme Ernest Rutherford ou Charles Thomson Rees Wilson qui a mis au point une "chambre à condensation" dans laquelle de fines gouttelettes de brouillard se forment autour des particules de gaz ionisé. La mesure de leur vitesse de chute dans un champ électrique permettra d'en mesurer la charge et la masse.

En 1897, Thomson publie un article, devenu célèbre qui fait le point sur leurs premiers travaux. Après Perrin en 1895, il y décrit les rayons cathodiques comme formés de "corpuscules" arrachés aux atomes. Mesurant le rapport de leur masse à leur charge, il estime qu'ils ont une masse deux mille fois plus petite que celle de l'atome d'hydrogène et qu'ils sont animés d'une vitesse de l'ordre de 200 kilomètres par seconde. Plus tard le physicien allemand Emil Wiechert estimera cette vitesse entre le dixième et le cinquième de la vitesse de la lumière soit entre 30 000 kilomètres et 60 000 kilomètres par seconde. Par ailleurs la chambre de Wilson sera mise à contribution pour confirmer la faible masse de ces particules et mesurer leur charge électrique. Ces "corpuscules" seront plus tard désignés par le nom d'électrons, un terme initialement créé par le physicien irlandais George Johnstone Stoney pour désigner "l'atome d'électricité" intervenant dans les électrolyses.

Ces "électrons" ont cependant du mal à s'imposer tant leurs propriétés semblent extraordinaires. Un article de la revue "La Nature", daté de 1898, estime que leur énergie pour un seul gramme de matière rayonnée serait équivalente à celle de "10 000 trains de cent tonnes marchant à près de 100 kilomètres-heure". Pour la première fois les atomes révèlent la formidable réserve d'énergie que recèle leur structure. La conviction du monde scientifique sera finalement acquise quand on mettra en évidence l'existence de ces mêmes électrons dans l'effet photo-électrique puis dans le rayonnement radioactif.